“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程教學(xué)的組織與實(shí)踐＊

李海寶 任常愚 張曉鵬 丁紅偉 尹向?qū)?/p>

（黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 引言

隨著我國高等教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人才需求結(jié)構(gòu)的變化，近年來我國多所高校增設(shè)了一批專業(yè)方向各異的應(yīng)用物理學(xué)本科專業(yè)［1］.不同學(xué)校開設(shè)的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，在一定程度上反映相應(yīng)學(xué)校的行業(yè)特色.我校在2010年被教育部正式批準(zhǔn)增設(shè)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè).由于我校是黑龍江省惟一一所以礦業(yè)為特色的應(yīng)用型本科高校，我校所開設(shè)的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，以煤礦等特殊環(huán)境下光電檢測技術(shù)和傳感器設(shè)計(jì)為專業(yè)的主導(dǎo)特色.專業(yè)所開設(shè)課程，緊緊圍繞這一主導(dǎo)特色進(jìn)行.

2 開設(shè)“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程的意義

2011年頒布的《高等學(xué)校應(yīng)用物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》（2010年版）在編寫過程中所遵循的基本原則之一就是要拓寬專業(yè)口徑，做到“科學(xué)基礎(chǔ)寬厚，學(xué)科支柱堅(jiān)實(shí)、專業(yè)特色鮮明、鼓勵(lì)學(xué)科交叉、適應(yīng)不同領(lǐng)域”.根據(jù)這一指導(dǎo)思想，我校重新擬定了2011年版《應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案》.其中專業(yè)通識(shí)教育模塊所開設(shè)的課程中，增設(shè)“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”和“煤礦物理檢測技術(shù)”兩門課程.目前“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程已經(jīng)完成了一個(gè)教學(xué)周期的開課任務(wù).“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”的課程定位為專業(yè)特色通識(shí)性課程，于學(xué)生入學(xué)后第四學(xué)期開設(shè)，計(jì)劃學(xué)時(shí)為36.其先修課程是力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)等.開設(shè)該課程，目的是以工程技術(shù)發(fā)展為主線，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、培養(yǎng)現(xiàn)代工程觀［2］；以工程為背景，將工程教育、自然科學(xué)教育、人文社會(huì)科學(xué)教育相融合，使學(xué)生掌握專業(yè)學(xué)習(xí)所具備的基礎(chǔ)知識(shí)，基本技能，為專業(yè)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備.

根據(jù)我校擬定的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，學(xué)生畢業(yè)后應(yīng)具備在物理學(xué)、光信息科學(xué)、光電子學(xué)、自動(dòng)檢測技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)思維與工程實(shí)踐技能，具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)業(yè)精神和較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型高級(jí)專門人才.該課程的開設(shè)，應(yīng)滿足培養(yǎng)目標(biāo)需要，并在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)其重要意義：

（1）促使學(xué)生了解現(xiàn)代工程技術(shù)；

（2）督促學(xué)生探尋現(xiàn)代工程技術(shù)中的物理原理、思想、方法；

（3）引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略現(xiàn)代工程技術(shù)涉獵的前沿陣地；

（4）幫助學(xué)生尋找感興趣的科研領(lǐng)域或研究方向。

3 “現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程教學(xué)的組織與實(shí)踐

3.1 “現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程內(nèi)容的遴選和組織

由于物理學(xué)是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，課程可以選擇的內(nèi)容十分廣泛.但在有限的學(xué)時(shí)前提下，必須對(duì)內(nèi)容進(jìn)行精心遴選.遴選的依據(jù)就是緊緊圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要，有助于學(xué)生畢業(yè)后能夠在物理學(xué)、光電信息檢測與處理、通信、光電子技術(shù)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，從事應(yīng)用技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究或教學(xué)、生產(chǎn)管理等方面工作的需要.我們遴選了現(xiàn)代采掘技術(shù)、現(xiàn)代助視儀器、現(xiàn)代交通工具、現(xiàn)代測試技術(shù)、影視聽新技術(shù)、現(xiàn)代光電子器件、智能傳感器等9個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，涉及的物理知識(shí)為課程講授的主體內(nèi)容.同時(shí)，在保證主體內(nèi)容的前提下，適當(dāng)融入一些技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的前沿動(dòng)態(tài)以及經(jīng)濟(jì)效益情況分析等內(nèi)容.

在內(nèi)容組織上，圍繞一個(gè)專題領(lǐng)域進(jìn)行.以“現(xiàn)代助視儀器物理基礎(chǔ)”為例，“現(xiàn)代助視儀器”為專題領(lǐng)域，以人類客觀需求和工程技術(shù)發(fā)展為主線，融合的內(nèi)容包括光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等.經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，將所涉及的內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)銜接，既實(shí)現(xiàn)必要知識(shí)點(diǎn)的傳授，又能夠有效幫助學(xué)生就一個(gè)領(lǐng)域有一個(gè)系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)；既立足于現(xiàn)有物理知識(shí)的講授，又實(shí)現(xiàn)對(duì)接工程技術(shù)的教學(xué)目標(biāo).

3.2 “現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程教學(xué)的實(shí)踐

（1）努力聯(lián)系學(xué)校優(yōu)勢(shì)學(xué)科和特色專業(yè)

我校是一個(gè)以礦業(yè)為特色的應(yīng)用型本科高校，擁有采礦工程、礦業(yè)工程等黑龍江省重點(diǎn)學(xué)科和國家特色專業(yè)，建有“煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理”實(shí)驗(yàn)室、采礦工程等省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；另設(shè)有安全工程研究所、采礦安全技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu).我校開設(shè)的應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)，就是要以煤礦等特殊環(huán)境下光電檢測技術(shù)和傳感器設(shè)計(jì)為專業(yè)特色，以服務(wù)煤炭行業(yè)為基本導(dǎo)向.

煤礦的深部開采，需要利用更加優(yōu)質(zhì)、可靠的傳感器.在面向?qū)W生講解智能傳感器物理基礎(chǔ)這一專題內(nèi)容時(shí)，我們側(cè)重講解多功能傳感器在此領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用研究.將某些類型的傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合而使之成為新的傳感器，能夠以較高的靈敏度和較小的誤差同時(shí)探測多種信號(hào).講解在礦井中，例如煤礦綜合檢測系統(tǒng)中，所使用的傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒚簤m傳感器等數(shù)十種.將來可能出現(xiàn)基于集成光學(xué)理論的礦用多功能傳感器，即采用光學(xué)敏感材料，如改性光纖，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將壓力、溫度、瓦斯?jié)舛鹊让舾袉卧M(jìn)行光學(xué)集成，從而可能實(shí)現(xiàn)多種物理信號(hào)的同時(shí)檢測.

如果只講解一個(gè)單一功能的傳感單元，由于其傳感原理只對(duì)應(yīng)一個(gè)物理原理，缺少創(chuàng)新.但如能將多個(gè)傳感單元進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多物理信號(hào)的同時(shí)監(jiān)測，這就不僅涉及一種物理原理，還涉及各傳感單元間信號(hào)的優(yōu)先權(quán)問題以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題.同時(shí)我們還向?qū)W生介紹煤礦深部開采工程中當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問題，這樣就做到結(jié)合我校的特色優(yōu)勢(shì)學(xué)科專業(yè)的支撐，使得學(xué)生學(xué)習(xí)緊密聯(lián)系實(shí)際.

（2）積極營造與專題相應(yīng)的工程教育情境

工程教育情境的營造在該課程的教學(xué)中，顯得十分重要.利用創(chuàng)設(shè)情境的方法，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有助于學(xué)生能力培養(yǎng)［3］.在講授影視聽新技術(shù)專題時(shí)，我們營造了這樣的場景：先利用多媒體投影機(jī)播放了一段《百年科技啟示錄》中《穿越時(shí)空的20世紀(jì)電視的發(fā)展》視頻，讓學(xué)生借此對(duì)視聽技術(shù)的發(fā)展有了一個(gè)初步印象；然后在大屏幕上展示了當(dāng)今市場上主流的液晶電視、LED 電視等的圖文信息，以及未來大屏幕顯示技術(shù)動(dòng)態(tài)信息.學(xué)生受到情境的深深吸引，變得集中精力.

我們抓住時(shí)機(jī)，從最早人類萌生視聽信息重現(xiàn)的愿望開始講起.先后講解了機(jī)械式顯示、電子管顯示、等離子體顯示、液晶顯示、場致發(fā)光（LED）顯示中的物理學(xué)原理.在講解各種顯示技術(shù)時(shí)，注意融入技術(shù)誕生的時(shí)代特征，注意分析每種顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).指出優(yōu)點(diǎn)是為了說明對(duì)應(yīng)顯示技術(shù)誕生和生存的基礎(chǔ)，而點(diǎn)明缺點(diǎn)則是為了引出下一升級(jí)顯示技術(shù)內(nèi)容.

（3）緊緊圍繞專題努力拓展相關(guān)教學(xué)內(nèi)容

工程設(shè)計(jì)方案的選擇和實(shí)施，往往要受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律、公眾等多種因素的制約.解決現(xiàn)代工程技術(shù)問題，需要綜合運(yùn)用多種專業(yè)知識(shí)，這是現(xiàn)代工程技術(shù)的重要特征.因此，現(xiàn)代工程技術(shù)人員不能滿足于專門知識(shí)和具體經(jīng)驗(yàn)的縱向積累，必須廣泛汲取各類知識(shí)，建成有機(jī)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，以便適應(yīng)現(xiàn)代工程這一綜合性系統(tǒng)的要求.

仍以影視聽新技術(shù)為例，涉及的物理知識(shí)很多，在講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，要做盡可能的拓展.例如在講解液晶顯示技術(shù)時(shí)，要在講解液晶電光效應(yīng)的基礎(chǔ)上，還要講解偏振光的干涉、馬呂斯定律、三基色原理、矩陣液晶顯示、LED 背光等知識(shí)和技術(shù)；在講解3D 顯示技術(shù)時(shí)，注意融入立體聲采集原理、立體聲記錄技術(shù)、立體聲還原、立體視覺原理、立體視頻采集、3D 攝影機(jī)、主動(dòng)快門式3D 技術(shù)、偏光3D 技術(shù)、出屏（縮屏）原理等.

（4）圍繞專題教學(xué)主線對(duì)接技術(shù)領(lǐng)域前沿

開設(shè)課程的意義中有一條，就是努力與技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的前沿相銜接，我們認(rèn)為這是這門課程開設(shè)的生命力所在.在影視聽新技術(shù)的教學(xué)中，因?yàn)閳鲋掳l(fā)光顯示技術(shù)是當(dāng)前平板電視發(fā)展的最前沿技術(shù)，為此我們花了很大的篇幅來介紹這項(xiàng)顯示技術(shù)，給學(xué)生重點(diǎn)講解注入式場致發(fā)光技術(shù)，及其超薄特性、節(jié)能特性等關(guān)鍵技術(shù).在引用舉例方面，我們引用了2011年，中國顯示產(chǎn)業(yè)顯示領(lǐng)域的領(lǐng)軍者——京東方宣布在鄂爾多斯投建第5.5代AMOLED 生產(chǎn)線的這一新聞，“這條生產(chǎn)線也是當(dāng)今世界第二條5.5 代AMOLED 生產(chǎn)線.不僅表明京東方的自主創(chuàng)新的技術(shù)能力在邁上新高度，而且意味著京東方在下一代顯示技術(shù)OLED 領(lǐng)域與國際巨頭處于同一起跑線上.只要政府持續(xù)不斷地支持，我國新型顯示科研與產(chǎn)業(yè)就一定能趕超世界一流水平.”［5］

這種做法，將使學(xué)生直面行業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)前沿陣地，直接引用學(xué)生能夠方便獲得的相關(guān)信息，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生尋找自己的科學(xué)研究領(lǐng)域和研究方向.

（5）融入國家產(chǎn)業(yè)的發(fā)展政策和戰(zhàn)略部署

我們知道，一切工程活動(dòng)都是為了增進(jìn)社會(huì)利益，滿足社會(huì)某種目的［4］.工程的組織者和工程技術(shù)人員要充分理解社會(huì)現(xiàn)實(shí)的某種需要，一項(xiàng)工程技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上是社會(huì)發(fā)展到一定程度時(shí)社會(huì)需求的表現(xiàn).因此，對(duì)于一個(gè)成功的工程項(xiàng)目來講，不僅在技術(shù)上要求先進(jìn)和可行，還要在經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)高效益，即要求工程方案的成本最低，效益最大.因?yàn)樵诠こ虒?shí)際中會(huì)存在許多不確定的因素和相互矛盾的要求，所以須進(jìn)行系統(tǒng)的綜合平衡，以求最大限度地滿足社會(huì)需要，取得滿意的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

這些內(nèi)容，會(huì)反映在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略上來.在課堂教學(xué)中，應(yīng)結(jié)合具體內(nèi)容，適當(dāng)融入國家產(chǎn)業(yè)政策和發(fā)展戰(zhàn)略.在講解現(xiàn)代交通工具這一專題時(shí)，我們講解了超導(dǎo)磁懸浮列車、新能源汽車等內(nèi)容.針對(duì)新能源汽車，我們?yōu)閷W(xué)生講解了我國國民經(jīng)濟(jì)第十二個(gè)五年發(fā)展規(guī)劃中，有關(guān)新能源汽車發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，以及我國出臺(tái)此項(xiàng)政策的客觀條件［6，7］.

3.3 “現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程教學(xué)手段的選擇

由于該課程內(nèi)容涉及圖片、視頻、演示動(dòng)畫等眾多展現(xiàn)載體，課程教學(xué)應(yīng)以多媒體教學(xué)為主要現(xiàn)代化教學(xué)手段.在多媒體課件的設(shè)計(jì)上要注意風(fēng)格統(tǒng)一、色調(diào)鮮明、主題突出、賞心悅目，同時(shí)便于學(xué)生課下自學(xué)使用.

開發(fā)和建設(shè)數(shù)字化資源是非常重要的準(zhǔn)備工作.迅猛發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、聲圖文并茂的多媒體技術(shù)、現(xiàn)代化存儲(chǔ)技術(shù)，以及不斷完善的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的信息化提供了平臺(tái).但教育的信息化更需要大量的數(shù)字化工程教育素材作為核心內(nèi)容.事實(shí)上，當(dāng)前缺少富有工程教育色彩的數(shù)字化教學(xué)資源.因此我們需要按照現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)課程的需要，來收集、整理、開發(fā)、編撰數(shù)字化的教學(xué)資源，建立數(shù)字化教學(xué)資源庫，以供使用.

同時(shí)，我們認(rèn)為該課程教學(xué)應(yīng)該在課堂教學(xué)之外積極拓展教學(xué)空間，充分利用互聯(lián)網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、中國知網(wǎng)等新媒體.在短短的36個(gè)學(xué)時(shí)中，能夠完成的教學(xué)任務(wù)十分有限，不可能做到所講授知識(shí)點(diǎn)面面俱到.教師必須要做到重點(diǎn)突出、詳略得當(dāng).對(duì)于課堂教授中為保證知識(shí)體系的完整出現(xiàn)的，但沒有深入講授的知識(shí)點(diǎn)，教師指明相應(yīng)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)信息，指導(dǎo)學(xué)生在課下時(shí)間自行閱讀和學(xué)習(xí).

4 結(jié)論

一個(gè)學(xué)期課程結(jié)束后，我們通過問卷調(diào)查和召開師生座談會(huì)的方式，面向?qū)W生做了反饋調(diào)查.學(xué)生對(duì)課程的教學(xué)組織形式非常滿意，所學(xué)習(xí)的知識(shí)豐富，物理思想性強(qiáng)、趣味性濃，基本找到自己比較感興趣的研究領(lǐng)域，堅(jiān)定了后續(xù)課程學(xué)習(xí)的信心和動(dòng)力.

開設(shè)“現(xiàn)代工程物理基礎(chǔ)”課程，是我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)彰顯特色的一項(xiàng)改革舉措.在充分吸收國內(nèi)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程設(shè)置方面的工作經(jīng)驗(yàn)后，對(duì)我校開設(shè)該門課程進(jìn)行了充分地評(píng)估和準(zhǔn)備.通過一個(gè)教學(xué)循環(huán)的實(shí)踐，取得了一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了課程開設(shè)的預(yù)期效果，為我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)接續(xù)開設(shè)“煤礦物理檢測技術(shù)”提供了借鑒經(jīng)驗(yàn).

［1］教育部高等學(xué)校物理學(xué)類教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).高等學(xué)校應(yīng)用物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范［M］.北京：高等教育出版社，2011

［2］趙國剛.“三大”教育理念與工程人才培養(yǎng)體系［J］.高等工程教育研究，2009，（4）：48～51

［3］李海寶，任常愚，金永君等.課堂教學(xué)中物理工程教育素材的開發(fā)與融入［J］.物理與工程.2011，21（4）：61～64

［4］首都科技網(wǎng).現(xiàn)代工程［EB/OL］.2003－5－29

［5］中國科技網(wǎng).新型顯示技術(shù)：三年躋身世界四強(qiáng)［EB/OL］.2012－3－6

［6］中華人民共和國國務(wù)院.國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）［EB/OL］.2006－2－9

［7］中華人民共和國國務(wù)院.中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要［EB/OL］.2011－3－16