新工科背景下“學(xué)”與“用”教學(xué)改革探究

陳興媚 李雙成

摘要：為了積極響應(yīng)國家大力培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的政策，傳統(tǒng)的教學(xué)方式、方法已不能勝任新的人才培養(yǎng)要求。尋求在課上既能夠?qū)W到理論知識，又能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為實際應(yīng)用和改革創(chuàng)新的好的教學(xué)方法顯得尤為重要。筆者通過大膽嘗試，將“學(xué)”與“用”有機結(jié)合的教學(xué)方法引入課堂，打破書本知識滿堂灌的傳統(tǒng)教學(xué)模式，取而代之的是將理論知識在工程實踐中的具體應(yīng)用、分析及在理論知識引導(dǎo)下親自動手制作實驗裝置，觀察、總結(jié)實驗現(xiàn)象得出實驗結(jié)果。 結(jié)果表明：此法不僅提升了學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的熱情和興趣，同時也契合了用型本科院校人才的培養(yǎng)要求。

Abstract： In order to actively respond to the national policy of vigorously cultivating applied undergraduate talents， the traditional teaching methods can not meet the new requirements of personnel training. It is particularly important to seek a good teaching method that can not only learn theoretical knowledge in class， but also transform it into practical application and reform and innovation. Through a bold attempt， the author introduced the organic combination of "learning" and "using" into the classroom， breaking the traditional teaching mode of full-house infusion of book knowledge， and replacing it with the concrete application， analysis and production of experimental devices by hand under the guidance of theoretical knowledge in engineering practice， observation and summary. The experimental results are obtained from the experimental phenomena. The results show that this method not only enhances students'enthusiasm and interest in curriculum learning， but also meets the training requirements of talents in practical undergraduate colleges.

關(guān)鍵詞：“學(xué)”與“用”教學(xué)改革;大學(xué)物理;法拉第電磁感應(yīng)定律;地下金屬管線探測;汽車驅(qū)動與制動

Key words： "learning" and "using" teaching reform;college physics;Faraday's law of electromagnetic induction;underground metal pipeline detection;automobile driving and braking

0? 引言

21世紀以來隨著科技的不斷進步和發(fā)展，社會各行業(yè)對不同類型人才的需求量逐年加大，為滿足社會發(fā)展的需要，國家對高校人才培養(yǎng)模式做出了重大調(diào)整。2014年3月中國教育部改革方向已經(jīng)明確：全國普通本科高等院校1200所學(xué)校中，將有600多所逐步向應(yīng)用技術(shù)型本科院校轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)型的大學(xué)本科院校正好占高?？倲?shù)的50%。作為轉(zhuǎn)型中的各大高校教師如何積極響應(yīng)國家政策，及時調(diào)整教學(xué)方式、方法，將“學(xué)”與“用”有機結(jié)合，是擺在各大應(yīng)用型本科院校教師面前亟待解決的問題。

1? 大學(xué)物理課程教學(xué)綜述

大學(xué)物理作為一門理論與實踐性均很強的基礎(chǔ)教學(xué)課程，涉及質(zhì)點運動學(xué)、力學(xué)、流體學(xué)、電磁學(xué)、波動光學(xué)、氣動理論、相對論、熱學(xué)、量子力學(xué)等十幾個章節(jié);而每一章節(jié)又均可成為獨立的專業(yè)領(lǐng)域，可以說理論物理是橫跨諸多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，而這種跨域性較大的課程給同學(xué)們學(xué)習(xí)帶來了一定的難度。但學(xué)好該課程不僅可以輔助幫助其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，更重要的是能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手、動腦探索未知科學(xué)的積極性。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是：教師在課上講理論，課后布置點相關(guān)知識的作業(yè)，一學(xué)期做有限的幾個物理實驗，最后進行理論測驗評定出成績。這種教學(xué)模式固然沒有錯，但對于提升學(xué)生吸收知識，消化知識，將知識轉(zhuǎn)化于實踐效果不佳，甚至?xí)l(fā)學(xué)生的厭學(xué)情緒。因此作為教師要能夠及時察覺到問題之所在，積極改變教學(xué)方法，將“學(xué)”與“用”有機結(jié)合，使學(xué)生的思維跟著指導(dǎo)教師的步伐走，這樣才能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2? “學(xué)”與“用”教學(xué)方法的應(yīng)用

2.1 地下管線探測

偉大的哲學(xué)家培根先生曾經(jīng)說過，知識就是力量，其實后面還有一句更重要話就是運用知識的技能。在物理學(xué)習(xí)中幾乎每個知識點都與實際問題有著密不可分的關(guān)系。如在講完法拉第電磁感應(yīng)定律這部分內(nèi)容后，可以把法拉第電磁感應(yīng)定律的實際應(yīng)用做個適當(dāng)?shù)闹v解來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如在城市建設(shè)、化工、石油等部門的生產(chǎn)施工中往往需要確定地下金屬管線的位置、走向和埋藏深度。金屬管線被埋于地下并與土壤接觸，而土壤的電阻率？籽t遠大于金屬的電阻率？籽j（即？籽t>>？籽j），在一定的管線長度范圍內(nèi)，可將土壤與金屬管線所組成的系統(tǒng)近似看作是一條閉合回路，當(dāng)把金屬管線通以交變電流i時，由于？籽t>>？籽j，因此土壤的電流密度遠小于金屬管線上的電流密度，金屬管線上電流產(chǎn)生的磁場強度亦遠大于管線附近土壤中電流所產(chǎn)生的磁場強度。（注：地下金屬管線上的交變電流的產(chǎn)生一般采用兩種方法：一個是感應(yīng)法，原理如圖1所示：將交變電源接到感應(yīng)線圈上，感應(yīng)線圈周圍就會產(chǎn)生交變磁場，交變磁場對金屬管線激發(fā)生交變電流感應(yīng)電流。二是直接法，原理如圖2所示：將裸露于外的金屬管件一頭直接接上交變電源，另一端接到一根接地棒上。）現(xiàn)將金屬管線近似看做載流為i的無限長直導(dǎo)線，根據(jù)安培環(huán)路定理，在金屬管線附近的磁場強度大小為：B=;（注：？滋=？滋0？滋r），這里的r為金屬管線到所考察點的距離。磁力線分布為一組無頭無尾的封閉同心圓，而磁場的方向沿同心圓切線方向。參見圖3所示。若將金屬管線正上方地表c作為坐標(biāo)原點O，則距點c均為x的對稱兩點a、b磁感應(yīng)強度Ba和Bb可分解為水平和垂直兩個分量即：、，由圖3得：

式中x為a、b兩點到c點的距離，h為金屬管線埋深。由于金屬管線上通的是交變電流，因此產(chǎn)生的磁場亦為交變磁場。現(xiàn)將一個匝數(shù)為N、橫截面積為的直螺線管放在地面上讓螺線管的軸線與地面垂直（即：將螺線管立于地面上），螺線管的橫截面積S要足夠小，這樣螺線管內(nèi)的磁場可近似看做是均勻磁場。當(dāng)螺線管處于地面不同位置時，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，在螺線管中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：;式中為電流的變化率，在金屬管線正上方c處，磁感應(yīng)強度垂直分量為零即=0（即：=Bcos9°=0），由感應(yīng)電動勢計算可知：感應(yīng)電動勢亦為零即？著c=0。除點外其它各點由于≠0，所以感應(yīng)電動勢也不為零，在螺線管兩端就有感應(yīng)電動勢存在，通過理論計算與實測，感應(yīng)電動勢在地面上分布大致如圖4所示。在？著=0點處的正下方就是金屬管線埋設(shè)的確切位置。如果使螺線管的軸線與地面成45°角，如圖5所示，由上面的討論可知點a的感應(yīng)電動勢？著a=0，其余各點感應(yīng)電動勢均不為零，這時螺線管的軸線通過金屬管線的中心O點，在地表管線正上方c距a的距離ac等于金屬管線的埋藏深度h（注：？駐aco為等腰三角形）。因此，在地表上測出ac的距離就能確定金屬管線的埋覆深度。

2.2 汽車的驅(qū)動與制動系統(tǒng)受力分析

在舉例之前先來了解一下汽車驅(qū)動與制動方式;汽車驅(qū)動方式按照驅(qū)動輪的數(shù)量，可分為兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動兩大類。一般的車輛都有前、后兩排輪子，其中直接由發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，從而推動（或拉動）汽車前進的輪子就是驅(qū)動輪。對于兩輪驅(qū)動又可分為：前輪驅(qū)動和后輪驅(qū)動兩種方式，四輪驅(qū)動又可分為：全時四驅(qū)、分時四驅(qū)、適時四驅(qū)、適時混合驅(qū)動等。這里限于篇幅，僅對日常使用量較大的前輪兩驅(qū)系統(tǒng)做討論，其他不做論述。汽車制動系統(tǒng)是指對汽車某些部分（主要是車輪）施加一定的力，從而對其進行一定程度的強制制動的一系列專門裝置。制動系統(tǒng)作用是：使行駛中的汽車按照駕駛員的要求進行強制減速甚至停車;使已停駛的汽車在各種道路條件下（包括在坡道上）穩(wěn)定駐車;使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定。隨著科技的發(fā)展汽車制動方式也越來越多，性能也越來越強，常用的有鼓式制動、盤式制動機電空單元等。在設(shè)計汽車的驅(qū)動和制動之前要對汽車的驅(qū)動和制動力進行受力分析。而這部分內(nèi)容又是物理學(xué)中力學(xué)部分的內(nèi)容。學(xué)完力學(xué)的知識后可以舉例汽車驅(qū)動與制動力的受力分析案例來對力學(xué)部分內(nèi)容加深認識和鞏固;如：圖6所示為汽車發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時驅(qū)動變速箱內(nèi)部的齒輪帶動外部傳動軸和軸上連接的輪子運轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)變速箱內(nèi)部齒輪嚙合齒比來控制汽車的運行速度。該裝置對后輪的驅(qū)動力矩為M，力矩M使后輪做順時針轉(zhuǎn)動，從而使輪子與地面接觸點有向后滑動的趨勢，即地面對后輪的的摩擦力為Ff1，方向如圖所示;該力為后輪驅(qū)動汽車啟動的外力，也是地面給后輪的摩擦力;前輪為被動輪，其與地面接觸點有向前滑動的趨勢，即地面給前輪一個向后的摩擦力Ff2，方向如圖所示;Ff2為阻礙汽車前進的外力。因此只有當(dāng)Ff1>Ff2，汽車才能獲得向前的加速度而啟動，否則汽車就會出現(xiàn)打滑而不能前進。從能量角度看，在輪子不打滑的情況下，地面與車輪之間為靜摩擦力，并不做功，汽車的驅(qū)動是發(fā)動機內(nèi)力做功使汽車獲得動能，而摩擦力僅是實現(xiàn)內(nèi)力做功的條件，而非摩擦力做功使汽車獲得動能。為使問題簡單起見，忽略前輪摩擦力，現(xiàn)在來討論后輪與地面間的摩擦系數(shù)？滋至少為多少才能避免打滑。如圖7所示，設(shè)汽車質(zhì)量為m，前后輪相距為2l，質(zhì)心C距地面高度為h，且距前后輪等距，地面給前后輪的支持力分別為：fN1和fN2，方向如圖所示;汽車向前的加速度為a，則由牛頓運動定律及質(zhì)心運動定律得：

再根據(jù)繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動定律得：

連立式（1）～（3）解得：

所以后輪不打滑的條件為：

在遇到路上結(jié)冰或者下雨天時，摩擦系數(shù)會大大減小，即式（6）不能滿足，因此會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。再者從式（4）和（5）可以看出，隨著加速度a的增加，F(xiàn)N1增大、FN2減小，這表明地面對后輪的支撐力增加，對前輪的支撐力減小。而支撐力是被動力，支撐力變化的原因是輪胎對面的壓力變化引起的。也就是說，隨著加速度a的增加，后輪對地面的壓力增加，前輪對地面的壓力減小，這意味著車尾下沉，車頭上抬;反之，汽車在減速時，加速度a變?yōu)樨撝?，這時后輪對地面的壓力減輕，前輪對地面的壓力增加，結(jié)果車頭下沉，車尾上抬。如果汽車剎車過猛，以致則FN1<0，這意味著后輪離地而騰起，這時汽車剎車引起的慣性力Fi=ma，對前輪與地面的接觸點Q的力矩已大于重力對Q點的力矩，即因而整個汽車會繞Q點順時針方向轉(zhuǎn)動，會造成重大翻車事故。當(dāng)然類似的案例還有很多，如在講解完拋體運動這部分內(nèi)容后，可以引用美國很有聲望的zacchini家庭馬戲團表演作為案例（如圖8所示），該馬戲團在1939～1940年將演員Emanuel Zacchini作為人體炮彈，從炮膛射出越過三大摩天輪（注：摩天輪高度為18米，水平跨度達69米），最后落入網(wǎng)中。他是如何判定網(wǎng)應(yīng)放置的位置的，他又如何能確定自己一定能夠飛過摩天輪？再如：在講完力與運動這部分內(nèi)容時，可以引用日常生活中一只貓在窗臺上睡覺，如果它不小心從七、八樓或更高樓層掉落（如圖9所示），而它的受傷程度（如骨折或死亡的可能性）是隨著樓層的高度的增加而減小的。那么，危險為何會隨著樓層的增加而減少呢？在講解到波動光學(xué)這部分內(nèi)容時，引導(dǎo)大家在日常生活中就如何能夠得到相干波和相干光這個問題，自己利用身邊的現(xiàn)有材料親自動手組裝實驗裝置得出結(jié)果并總結(jié)其特性等等。對于這些案例的具體實施本文限于篇幅不再做詳細贅述。通過這些實例的詳細剖析，同學(xué)們不僅對物理知識有了深入的理解，更重要的是它激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性。這主要要歸功于學(xué)生對大學(xué)物理的看法和感知有了實質(zhì)性的轉(zhuǎn)變。通過調(diào)查了解：以前同學(xué)們腦海里始終有一個不好的印象就是物理學(xué)不僅古老（注：有些內(nèi)容已達幾百年）、難學(xué)，而且這些知識似乎離我們?nèi)粘Ｉ詈苓h很遠，學(xué)完后感覺也沒什么用。而現(xiàn)在講完一個知識點就將其引用到工程實踐或身邊的日常生活實例中去，亦或可以親自動手將其用之于實踐，這在無形當(dāng)中拉近了學(xué)生與該學(xué)科之間的關(guān)系，同時也體現(xiàn)出“學(xué)”與“用”在教學(xué)過程中的巨大魅力。

3? “學(xué)”與“用”教學(xué)方法的意義

人類至誕生那天起就沒有離開過“學(xué)”與“用”這兩個字。它是推動人類思想和社會進步的階梯?！皩W(xué)”與“用”從更深層次去理解為：“用”是外因，“學(xué)”是內(nèi)果。外因與內(nèi)果是相輔相成不可分割的整體，教師傳道、授業(yè)就是這樣一個整體。在教學(xué)活動中，教師將自己的所學(xué)、所知應(yīng)用于傳授知識中去，這本身就是“學(xué)”與“用”的良好體現(xiàn)。教師如何將所傳授的知識讓學(xué)生轉(zhuǎn)化于實踐（要會用），這就是“學(xué)”與“用”的進一步升華，也是“學(xué)”與“用”教學(xué)方法的真正意義之所在。

4? 結(jié)束語

在教學(xué)過程中將“學(xué)”與“用”有機結(jié)合不僅能促進教師教學(xué)水的平進一步提升，改善學(xué)生對較難課程的認知，更是扭轉(zhuǎn)了同學(xué)們對較難課程的怕學(xué)、厭學(xué)、逃學(xué)的不良心理，鍛煉和提升了同學(xué)們學(xué)以致用的綜合能力。同時“學(xué)”與“用”教學(xué)過程的具體實施也彰顯出應(yīng)用型本科院校教學(xué)特色。

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