結(jié)合安全類專業(yè)背景的大學物理教學研究

汪 艦

（河南理工大學 河南·焦作 454003）

《中華人民共和國高等教育法》第十六條規(guī)定：“本科教育應(yīng)當使學生比較系統(tǒng)地掌握本學科、專業(yè)必需的基礎(chǔ)理論、基本知識，掌握本專業(yè)必要的基本技能、方法和相關(guān)知識，具有從事本專業(yè)實際工作和研究工作的初步能力”。然而，對于理工科學生來說，學生要想系統(tǒng)地掌握本學科、專業(yè)必需的基礎(chǔ)理論，就必須要學好大學物理，離開大學物理這個理論基石，學生很難深層次理解專業(yè)知識。[1-2]

大學物理是研究自然界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)運動的最普遍最基本規(guī)律的科學，是自然科學的基礎(chǔ)。它注重對普遍而基本的物質(zhì)規(guī)律的探究，能夠培養(yǎng)和提高學生的科學素養(yǎng)、發(fā)展學生科學的思維方法和創(chuàng)新能力。大學物理教學是基礎(chǔ)教學，也正因為其基礎(chǔ)性，基本上采用所有理工學生無差別教學的方式，沒有專業(yè)特點。大學物理的授課時間是學生入學后的第二、三學期，此時，學生掌握的專業(yè)知識很少，有些學生因此感性地認為：大學物理所學知識與他們未來要學的專業(yè)知識關(guān)系較小，因而輕視大學物理課程。而且，如果不能在教學過程中將大學物理與專業(yè)課程相連接，學生在后續(xù)課程中很難做到融會貫通，無法從基礎(chǔ)理論上升到專業(yè)高度。本文結(jié)合安全類學生的專業(yè)背景，提出了安全類大學物理教學內(nèi)容的改革方法，為從事安全類大學物理教學的教師提供相應(yīng)的理論和知識參考。[3-4]大學物理內(nèi)容涵蓋了力學、熱學、波動、光學、電磁學、相對論和量子理論等內(nèi)容。其中，電學、磁學以及光學部分與礦業(yè)類專業(yè)課程“機械電氣安全技術(shù)”“工業(yè)通風及除塵”“安全原理”等課程密切相關(guān)。[1]具體研究如下：

1 基于電磁學的專業(yè)融合

靜電場是大學物理的重要章節(jié)。大學物理涉及靜電場的內(nèi)容中，介紹了靜電場的來源、性質(zhì)、靜電力及其做功。在授課時，該內(nèi)容主要集中于不同結(jié)構(gòu)帶電體的場強計算和電荷在電場中運動時靜電力所做的功。將理論加以延伸，將靜電場理論向安全專業(yè)知識過渡。當兩個物體形成的正負帶電區(qū)域之間的場強足夠高時，就會擊穿空氣而產(chǎn)生閃光和爆裂聲的氣體放電現(xiàn)象，即我們看到的電火花放電現(xiàn)象。雖然普通的靜電火花能量不大，但是極易引起油氣場所、煤礦和粉塵場所發(fā)生火災(zāi)或爆炸。例如：在安全專業(yè)里，煤礦井下的安全至關(guān)重要，是安全專業(yè)學生的必修內(nèi)容。在瓦斯抽放管路中的瓦斯氣體流動時，會與管路內(nèi)壁摩擦可以產(chǎn)生靜電，這一作用有可能會產(chǎn)生火花而引燃管路。為了防止靜電火花的發(fā)生，不僅對抽放管路的管內(nèi)外壁的電阻有一定的要求，還要進行接地處理，將產(chǎn)生的電荷導走。將靜電場與安全專業(yè)背景相結(jié)合，闡述靜電造成安全事故的原因。從理論上分析靜電產(chǎn)生的原因以及如何避免靜電事故的發(fā)生，為后續(xù)專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)。在大學物理的電磁學中，互感描述了載流線圈與另一個線圈之間的相互作用，即當一線圈中的電流發(fā)生變化時，在臨近的另一線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，叫做互感現(xiàn)象。該內(nèi)容是漏電保護器和機場、火車站常用的金屬探測器的理論基礎(chǔ)。以金屬探測器為例，它利用本身線圈所連接的振蕩器來產(chǎn)生高頻可變磁場，在外界無金屬時，兩側(cè)接收線圈的感應(yīng)電壓在磁場未受干擾前相互抵消而達到平衡狀態(tài)。當有金屬進入磁場區(qū)域，因為互感作用，將在金屬中產(chǎn)生電流和二次磁場，兩側(cè)接收線圈的平衡將被打破，進而影響接收線圈接收的磁場，發(fā)出報警信號。通過深入講解分析，使學生一方面加深電磁學的理解，另一方面也產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時為后續(xù)專業(yè)課程進行了理論鋪墊。

2 基于光學的專業(yè)融合

煤礦瓦斯中的主要成分為甲烷（CH4），當空氣中甲烷達到25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、呼吸和心跳加速，甚至造成窒息死亡。當甲烷含量在5%～15.4%的體積范圍內(nèi)時，遇火花將發(fā)生爆炸。煤礦中常用的瓦斯?jié)舛葯z測試備主要有熱催化型、光干涉型和光吸收型幾種。光干涉型檢測儀是基于大學物理課中光的干涉原理設(shè)計的。儀器運行時，光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室的兩個通道后進行干涉，人們將看到彩色條紋，當有瓦斯進入其中一個通道后，因為瓦斯的折射率與空氣不同，盡管折射率變化很小，但足以造成光在瓦斯中行走的光程發(fā)生變化，因此兩個通道光程差發(fā)生改變。進而發(fā)生干涉條紋的移動。條紋移動的程度取決于甲烷的濃度。這種儀器的原理和大學物理講述的邁克爾遜干涉的原理基本相同。因此，在講述邁克爾遜干涉的原理后直接延伸到干涉型甲烷檢測儀，使學生明白了大學物理知識在專業(yè)課中的應(yīng)用。除此以外，在大學物理光學部分課程中講授光譜范圍時，可見光的范圍是380 nm到760 nm，比760 nm 稍長的是紅外光。在可見光中，甲烷是沒有吸收的，也就是說，在正常情況下，我們用肉眼是無法觀察到甲烷的?？墒?，甲烷在紅外波段存在著強烈的吸收光譜，人們就是利用甲烷在紅外光的吸收光譜，利用紅外LD或LED作為光源，利用紅外檢測器作為檢測單元，對其吸收光譜的強度變化進行檢測，從而獲得瓦斯的濃度。至此，我們將甲烷安全問題與光譜學緊密結(jié)合到一起。

3 基于熱力學的專業(yè)融合

在煤礦等安全領(lǐng)域，甲烷可能引發(fā)爆炸；在氣候安全領(lǐng)域，甲烷濃度的增加會帶來地球環(huán)境的破壞，也就是“溫室效應(yīng)”，導致全球氣候變暖。而且，甲烷的暖化能力比二氧化碳高二十一倍，因此，甲烷濃度的增加會帶來嚴重的環(huán)境問題。但對于煤礦而言，為了礦井的安全，只能依靠通風設(shè)備將礦井中多余的甲烷氣體釋放到大氣中，這就更加劇了溫室效應(yīng)。在大學物理課程中講授熱力學課程時，提出了“熱力學系統(tǒng)”和“外界”這兩個概念。所謂熱力學系統(tǒng)，即所研究的宏觀物體，如氣體、液體等。所謂外界：即與熱力學系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。將此概念與地球相聯(lián)系，地球與大氣層可以看作一個熱力學系統(tǒng)，而太陽等就是外界。天亮之后，外界的太陽光照射到地球上，被地球表面的物質(zhì)吸收，當這些物體以紅外光的形式向外輻射能量時，卻被甲烷和二氧化碳等溫室氣體吸收。也就是說，當太陽光以可見光的形式進入地球時，這些光可以穿過大氣層被地球表面吸收，可是當?shù)乇肀患訜岷?，以紅外光向外輻射能量時，因為甲烷和二氧化碳對紅外光有很強的吸收，這些能量被大氣層嚴重吸收，地球與大氣層組成的熱力學系統(tǒng)吸收了熱量，卻極少地向外界傳遞熱量，因此升溫。其功能類似于溫室的作用，因此稱為“溫室效應(yīng)”。將大學物理的熱力學與安全專業(yè)學生特別關(guān)注的瓦斯安全、氣候安全相結(jié)合，能夠很好地增加學生對大學物理和后續(xù)專業(yè)知識的理解，也讓學生明白了“溫室效應(yīng)”的由來及熱力學系統(tǒng)等概念。

大學物理知識與專業(yè)知識相結(jié)合還有很長的路要走，對于任課老師也是一個挑戰(zhàn)，雖然講授大學物理課程的老師基本都來自于物理學專業(yè)的碩士和博士，但對于其它專業(yè)的了解還亟待深入。大學物理教師須與安全專業(yè)課教師交流，深入學習安全專業(yè)知識的，并長期從事安全專業(yè)學生的大學物理教學，最后做到融會貫通。有了連貫的知識體系，才能將物理擴展到專業(yè)，再由專業(yè)基礎(chǔ)上升到科學前沿。學生在整個過程中學到很多普通物理課上無法學到的知識，也增加了學生的知識面。大學物理與安全專業(yè)知識的結(jié)合能夠讓學生初步了解自己所學專業(yè)涉及哪些物理知識，以及安全專業(yè)知識如何在大學物理知識的基礎(chǔ)上衍生和發(fā)展的，以此激發(fā)學生對大學物理和專業(yè)知識的興趣，使學生樹立起牢固的物理思想，促進學生在專業(yè)領(lǐng)域有較大的發(fā)展和進步。[5]在當今學科交叉日益突出的形勢下，我們應(yīng)該努力實現(xiàn)基礎(chǔ)教育與專業(yè)教育相互融合、相互滲透、相互交叉、相互轉(zhuǎn)化和共同發(fā)展。