面向“新工科”機(jī)械工程專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)改革探索

王 晶,白炳蓮

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130000)

當(dāng)前，制造業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究能力薄弱已經(jīng)成為當(dāng)前制約我國制造業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。培養(yǎng)高素質(zhì)新型工程復(fù)合型人才，是增強(qiáng)制造基礎(chǔ)能力方面的科技創(chuàng)新的根本途徑。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等文件，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。機(jī)械工程專業(yè)是理論與實(shí)踐結(jié)合較強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科，承擔(dān)著我國新型工程人才的重要使命，被列入教育部“新工科”專業(yè)改革首批專業(yè)。

大學(xué)物理是高等院校機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課，其作用是幫助學(xué)生進(jìn)一步構(gòu)建科學(xué)思維，為學(xué)生后繼專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及學(xué)生畢業(yè)后在工作和學(xué)習(xí)中進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識、新技術(shù)奠定必要的物理基礎(chǔ)[1]。如何根據(jù)“新工科”背景下機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，調(diào)整大學(xué)物理理論與實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與教學(xué)方式方法，是高校一線教師的重要任務(wù)。

1 傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)分析

1.1 理論內(nèi)容

在綜合性高校，大學(xué)物理作為公共基礎(chǔ)課題由學(xué)校統(tǒng)一安排授課，教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)理論體系的完整性，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，按照力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)分類的，每部分教師講清楚基礎(chǔ)知識和典型習(xí)題，課后布置習(xí)題作業(yè)即可。教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)忽略了大學(xué)物理與各學(xué)科專業(yè)的相關(guān)性，導(dǎo)致很多專業(yè)的大學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理的學(xué)習(xí)對其專業(yè)幫助不大，從而對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)失去興趣，課堂氣氛和教學(xué)效果不理想。機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生是支撐我國未來制造業(yè)的主力軍，是支撐我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的中堅(jiān)力量，圍繞專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)形成合適的物理教學(xué)體系極為重要。

未來制造科學(xué)研究的對象與一般機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，其典型特征是多學(xué)科交叉，兼具系統(tǒng)性和高度集成性，融入應(yīng)用多種高新技術(shù)[2]，光、機(jī)、電及智能技術(shù)整合于同一機(jī)械裝備。在此背景下，作為基礎(chǔ)課的大學(xué)物理為機(jī)械專業(yè)學(xué)生未來的創(chuàng)新創(chuàng)造能力奠定了理論基礎(chǔ)，如何根據(jù)機(jī)械類專業(yè)的特點(diǎn)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容是“新工科”大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革的重要課題。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高校理工科專業(yè)本科生必修的公共基礎(chǔ)課，是大學(xué)物理課程不可分割的重要部分，在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識及綜合應(yīng)用多學(xué)科知識解決問題的能力方面具有其它實(shí)踐課程不可替代的作用[3,4]。但傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程往往忽略了與專業(yè)的結(jié)合，不能滿足在“新工科”背景下根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的要求。以J大學(xué)為例，其實(shí)驗(yàn)課程分為誤差與數(shù)據(jù)處理、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)(20個(gè))、綜合性實(shí)驗(yàn)(20個(gè))、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(7個(gè))、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)(5個(gè))五個(gè)部分，由于課程學(xué)時(shí)安排有限，只能選做部分實(shí)驗(yàn)，在選擇時(shí)未充分考慮專業(yè)間的差異[5]。此外，在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，未根據(jù)專業(yè)差異做出區(qū)別性的引導(dǎo),學(xué)生也無法按照自己的想法進(jìn)行研究和探索,限制了學(xué)生主觀能動性，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[6]。

對于機(jī)械專業(yè)而言，需考慮“新工科”對機(jī)械類人才創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求，與機(jī)械類專業(yè)教師研討，確定機(jī)械專業(yè)在本科階段未曾涉及、但會在未來工作中用到的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2 基于機(jī)械類專業(yè)課特點(diǎn)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

2.1 大學(xué)物理理論與機(jī)械專業(yè)課程有序銜接

根據(jù)大學(xué)物理與機(jī)械類專業(yè)課程關(guān)聯(lián)度分析可以看出，機(jī)械類專業(yè)對剛體力學(xué)、機(jī)械振動、電磁學(xué)、熱力學(xué)等內(nèi)容需求較多，對于應(yīng)用面比較廣泛的物理知識點(diǎn)，在教學(xué)中，結(jié)合工程中的實(shí)際應(yīng)用問題，引入專業(yè)具體情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，運(yùn)用動畫和視頻輔助演示。在授課過程中，如在講解剛體轉(zhuǎn)動時(shí)，引入飛機(jī)的螺旋槳、陀螺儀等，運(yùn)用物理學(xué)的角動量守恒定律詳細(xì)講解和分析其原理；在講解熱學(xué)部分時(shí)引入內(nèi)燃機(jī)、制冷機(jī)等，由理論推導(dǎo)其工作效率表達(dá)式，講解如何提高熱機(jī)效率和調(diào)節(jié)制冷系數(shù)；講解電磁學(xué)時(shí)引入各類型傳感器和霍爾元件，研究其特性；講解靜電屏蔽的原理，啟發(fā)學(xué)生思考與機(jī)械裝備相關(guān)的應(yīng)用等。由于大學(xué)物理課程通常在低年級設(shè)置，但機(jī)械專業(yè)相關(guān)專業(yè)課程在大三才涉及。為了解決大學(xué)物理與機(jī)械專業(yè)的課程脫節(jié)的問題，在備課時(shí)征詢機(jī)械領(lǐng)域科研水平突出的專家的意見，增加物理與機(jī)械專業(yè)相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)系。

2.2 強(qiáng)化物理課程與機(jī)械類專業(yè)課程的緊密聯(lián)系，調(diào)整教學(xué)方法

在很多學(xué)生的認(rèn)知里，參與物理課程的學(xué)習(xí)僅是為了完成學(xué)分，這使得學(xué)生對大學(xué)物理學(xué)習(xí)興趣處于被壓制狀態(tài)，學(xué)習(xí)主動性不夠，學(xué)習(xí)效果欠佳。實(shí)際上，工業(yè)領(lǐng)域重大裝備的制造，大多涉及機(jī)械、力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算科學(xué)、信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉與融合。其中，大學(xué)物理作為機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生獲得力、熱、光、電、磁五大理論知識的系統(tǒng)課程，對其職業(yè)生涯中從事科研或工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造非常重要。在學(xué)習(xí)過程中穿插相關(guān)問題及解決方案，會快速激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

以機(jī)械振動一章的講解為例。在教學(xué)過程中穿插“虎門大橋異常抖動”實(shí)際案例：我國的橋梁制造技術(shù)世界第一，在排名世界前十的高橋里，中國曾經(jīng)占有8座，而在世界上排名前100的高橋中，加上名次并列的部分橋梁曾共有113座橋梁，中國獨(dú)占了94座。而且在剩下的19座中，還有2座是中國與其他國家合作建造的。但是，2020年5月5日廣東虎門大橋發(fā)生異常抖動，懸索橋橋面晃動明顯。其原因并非橋梁的設(shè)計(jì)剛度不夠或是制造環(huán)節(jié)的問題，而是由于橋梁兩邊放置的臨時(shí)防撞擋墻改變了大橋的氣動外形，引起的渦激振動。結(jié)合該實(shí)際案例引出渦激振動的產(chǎn)生原因，即細(xì)長構(gòu)件在地面風(fēng)的作用下，其后方會產(chǎn)生周期性的旋渦脫落，構(gòu)件上會產(chǎn)生橫向的周期性脈動力，以及流向的隨機(jī)脈動力，從而激起結(jié)構(gòu)振動，結(jié)構(gòu)振動又會改變尾流，造成流體與結(jié)構(gòu)相互作用，形成渦激振動。當(dāng)周期性力的頻率和構(gòu)件固有頻率接近或相等時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)大幅共振，并產(chǎn)生鎖定現(xiàn)象，即構(gòu)件的自振頻率控制了渦脫落的頻率，產(chǎn)生渦激共振，這時(shí)對構(gòu)件的連接部位產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞作用。在此基礎(chǔ)上，講解渦激振動的控制措施，即機(jī)械措施和流動控制兩種。這種將實(shí)際工程問題穿插于大學(xué)物理教學(xué)的方式，使學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)習(xí)的重要性，又能激發(fā)學(xué)生的求知欲望。

2.2 物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對機(jī)械專業(yè)靶向設(shè)置

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是機(jī)械、材料、農(nóng)機(jī)、通訊、電子等理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，很多高校在開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，項(xiàng)目往往統(tǒng)一安排，未考慮專業(yè)差異。新工科“機(jī)械類”專業(yè)更加重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、跨界整合能力。根據(jù)機(jī)械類專業(yè)的特點(diǎn)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可有效消除學(xué)生認(rèn)為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與其專業(yè)不相關(guān)的消極心理，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，奠定物理學(xué)習(xí)對專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。具體通過如下方式實(shí)現(xiàn)：

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)總數(shù)不變，根據(jù)機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)精選并壓縮必做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加選做內(nèi)容。由物理教研室確定力學(xué)基本儀器與訓(xùn)練、電學(xué)基本儀器與訓(xùn)練、光學(xué)基本儀器與訓(xùn)練、電子基本儀器與訓(xùn)練、電橋測電阻、數(shù)字示波器的原理與使用等涉及一些設(shè)備儀器的必做實(shí)驗(yàn)，此外，通過與機(jī)械專業(yè)教師通過教研會的形式確定部分必做實(shí)驗(yàn)。最后預(yù)留足夠?qū)W時(shí)數(shù)，利用現(xiàn)有的儀器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教師評價(jià)其創(chuàng)新性。這種方式不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，增強(qiáng)了創(chuàng)新能力，有效避免了抄寫原理和操作步驟、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等程式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，顯著增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)參與性，提高了創(chuàng)新和動手能力，部分學(xué)生還獲批了大創(chuàng)項(xiàng)目。

以風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材中是設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的意義與目的是：掌握風(fēng)力發(fā)電的原理及風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的原理與方法，了解風(fēng)力機(jī)葉片翼型對風(fēng)能的影響，實(shí)驗(yàn)室配備可變槳距三葉螺旋槳、風(fēng)帆型三葉螺旋槳及平板型四葉螺旋槳。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求是：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、步驟，測量風(fēng)速、螺旋槳轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系；測量扭曲型可變槳距三葉螺旋槳的功率系數(shù)Cp與葉尖速比λ之間的關(guān)系；測量在控制葉尖速比調(diào)節(jié)和固定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)兩種功率調(diào)節(jié)方式下，切入風(fēng)速到額定風(fēng)速區(qū)間的輸出功率隨風(fēng)速的變化關(guān)系；測量變槳距調(diào)節(jié)下輸出功率隨風(fēng)速的變化關(guān)系[4]。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新和動手實(shí)踐能力，在此基礎(chǔ)增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容，即設(shè)計(jì)新型的槳葉，同等風(fēng)速下輸出功率須高于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。增加該?nèi)容后，實(shí)驗(yàn)效果超出預(yù)期。由于機(jī)械專業(yè)大二的學(xué)生均已學(xué)過CATIA等三維造型軟件，學(xué)生均能夠設(shè)計(jì)外形各異的風(fēng)力機(jī)槳葉，部分同學(xué)還通過查閱文章將仿生技術(shù)用于葉片的設(shè)計(jì)，如葉片前緣設(shè)計(jì)成座頭鯨鰭狀肢前緣波浪結(jié)構(gòu)，后緣設(shè)計(jì)模仿鸮類降噪的后緣鋸齒結(jié)構(gòu)，均通過3D打印完成了樣件制作。盡管不是所有學(xué)生設(shè)計(jì)制造的槳葉均有提高風(fēng)能捕獲效率的作用，但學(xué)生的學(xué)習(xí)效果顯著提高，同時(shí)還提高了創(chuàng)新能力。

3 優(yōu)化考核方式，促進(jìn)大學(xué)物理與機(jī)械工程專業(yè)融入

理論課程方面，在傳統(tǒng)以期末成績?yōu)橹?，以出勤率及課后作業(yè)完成情況為輔的評價(jià)模式的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加對針對機(jī)械工程專業(yè)的課堂討論、學(xué)習(xí)通發(fā)布思考題和討論題，并撰寫物理知識在機(jī)械專業(yè)中的應(yīng)用的小論文，培養(yǎng)學(xué)生科研的基礎(chǔ)能力。在文章的撰寫過程中不僅可以加深學(xué)生對物理理論知識的理解，還能使學(xué)生對于物理與本專業(yè)的關(guān)系有更深層面的認(rèn)識，改變他們對物理學(xué)習(xí)的態(tài)度及茫然，為以后的研究生學(xué)習(xí)及工作學(xué)習(xí)方法的探索打好基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)課程方面，過去實(shí)驗(yàn)課評價(jià)方式較為單一，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告給定成績，對試驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)效果很難給出有效評價(jià)。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，教師可根據(jù)最終的設(shè)計(jì)效果通過實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì)評分的形式給出評價(jià)，避免了物理實(shí)驗(yàn)流于形式的問題。

4 結(jié) 語

我國制造業(yè)正處于從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”邁進(jìn)的關(guān)鍵階段，需要大量高層次復(fù)合型創(chuàng)新人才。機(jī)械工程是作為制造業(yè)人才培養(yǎng)的核心專業(yè)，承擔(dān)重要任務(wù)。大學(xué)物理是與機(jī)械工程專業(yè)的聯(lián)系最為緊密的基礎(chǔ)課程，結(jié)合機(jī)械工程專業(yè)的特點(diǎn)，有針對性的改革教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法極為緊迫。文章從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的教改嘗試對大學(xué)物理與機(jī)械專業(yè)相融合起到了較為顯著的促進(jìn)作用，值得以此為方向探索更為有效的教改方法。