淺談大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用

張蕓 王鈺茹 樊銳華 魯海鵬

摘? 要 針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的軍事應(yīng)用聯(lián)系不夠深入的問題，以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”為例，從基本概念、基本原理、儀器操作以及主體思想等方面，由外及內(nèi)探討教學(xué)中如何與軍事應(yīng)用相聯(lián)系，突出軍事特色，全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);楊氏模量;軍事應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）24-0104-03

Discussion on College Physics Experiment Teaching and Military Application//ZHANG Yun， WANG Yuru， FAN Ruihua， LU Haipeng

Abstract In consideration of insufficient connections between the college physics experiment teaching and military applications， we

take the teaching of basic experiment of measuring Young’s Modulus

of metal wires by stretch method as an example， discussed how to connect basic concepts， basic principles， instrument procedures， and

main thoughts with military applications from outside to inside. It is

to highlight military characteristics and meet fully the target require-ments of training high-quality new-type infantry commanders.

Key words college physics experiment; Young’s modulus; military applications

0?; 前言

習(xí)近平主席在視察陸軍步兵學(xué)院時(shí)強(qiáng)調(diào)：“軍隊(duì)院校因打仗而生、為打仗而建，必須圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)、著眼打贏育人才。要立起為戰(zhàn)育人鮮明導(dǎo)向，一切辦學(xué)活動(dòng)都要聚焦能打仗、打勝仗。”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為軍隊(duì)院校的一門通用基礎(chǔ)課，是學(xué)員入學(xué)后的第一門系統(tǒng)而完整的實(shí)驗(yàn)課，也是后續(xù)各專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)具有深遠(yuǎn)意義[1]。貫徹執(zhí)行習(xí)主席的講話精神，在保持大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系相對(duì)完整的前提下，遵循教育教學(xué)規(guī)律，軍隊(duì)院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系，為戰(zhàn)育人。

關(guān)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的探討已有較多研究。例如：胡瑋通等[2]在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革上提出結(jié)合專業(yè)特色開發(fā)特色項(xiàng)目，并且優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教材，讓學(xué)員獲取與軍事相關(guān)的前言知識(shí);曹利[3]提出要加強(qiáng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事技術(shù)的結(jié)合;何焰藍(lán)等[4]提出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)緊密跟蹤軍事發(fā)展，不斷融入軍事高科技技術(shù)。雖然都涉及與軍事應(yīng)用的聯(lián)系，但在教學(xué)過程中具體如何聯(lián)系，探討得不夠深入，軍事特色不夠鮮明。因此，進(jìn)一步開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的研究，對(duì)教學(xué)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1? 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的設(shè)計(jì)思路

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等知識(shí)，與軍事高新技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)[3]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的研究，應(yīng)根據(jù)目前研究情況，從教學(xué)過程入手，由外及內(nèi)，逐步探索。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的基本內(nèi)容可以概括為實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、儀器和操作步驟等，以實(shí)現(xiàn)基本概念、基本原理、基本方法和技能的掌握。以此為依據(jù)，選取基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中的典型實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”為例，從基本概念、基本原理、儀器操作、主體思想等方面逐步探討與軍事應(yīng)用的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)在教學(xué)中恰當(dāng)融入軍事應(yīng)用，由外及內(nèi)突出軍事特色，全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求。

2? 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的實(shí)踐方法

2.1? 基本概念與軍事應(yīng)用相聯(lián)系

以“基本概念—定義—用途—軍事應(yīng)用”為主線來進(jìn)行分析：每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有相關(guān)的基本概念，首先確定實(shí)驗(yàn)中基本概念有哪些，其次明確這些基本概念是什么，然后了解這些概念的相關(guān)用途，最后分析這些用途與軍事應(yīng)用的關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”涉及的基本概念是楊氏模量，它是一個(gè)材料名詞，定義為材料在彈性變形階段（即符合胡克定律），縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變的比例系數(shù)，單位為N/m2。它主要用于表征材料的力學(xué)性能：楊氏模量越大，越不容易發(fā)生變形，剛性越好。楊氏模量的測(cè)定對(duì)研究金屬材料、光纖材料、半導(dǎo)體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學(xué)性能具有重要意義[5]。各種軍用裝備設(shè)施離不開材料，由此可知楊氏模量與軍用裝備密切相關(guān)。

結(jié)合學(xué)院培養(yǎng)新型步兵指揮官這一特點(diǎn)，選擇相關(guān)軍用裝備進(jìn)行介紹，如探討步兵分隊(duì)的常用配置——機(jī)槍架在射擊過程中產(chǎn)生的彎曲變形與楊氏模量的聯(lián)系。射擊時(shí)，機(jī)槍作用于槍架的力使槍架桿產(chǎn)生彎曲變形，如果彎曲變形過大，會(huì)影響射擊精度，彎曲變形與楊氏模量密切相關(guān)。另外，在射擊過程中，子彈和彈藥的沖擊力會(huì)槍支的槍管和迫擊炮的炮管發(fā)生變形，這個(gè)變形同樣與楊氏模量密切相關(guān)。機(jī)槍架、槍管和炮管的用材需要考量使用楊氏模量較大的材料，以具有良好的剛性，從而保證射擊中的精準(zhǔn)度。在教學(xué)過程中可將與基本概念相關(guān)的軍事應(yīng)用作為引題導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，循序漸進(jìn)，啟發(fā)學(xué)員思考。

2.2? 基本原理與軍事應(yīng)用相聯(lián)系

以“基本原理—設(shè)計(jì)思路—軍事應(yīng)用”為主線來進(jìn)行分析：首先確定實(shí)驗(yàn)中基本原理是什么，然后了解這些原理的設(shè)計(jì)思路，最后分析原理與軍事應(yīng)用的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”的基本原理為光杠桿法，這個(gè)方法用于研究微小位移、形變等。該原理不好直接與軍事應(yīng)用建立聯(lián)系，但是該原理采用了非接觸的間接方法，因?yàn)榻饘俳z的微小伸長(zhǎng)量ΔL變化非常小，如果直接測(cè)量，將帶入較大誤差，測(cè)量的結(jié)果精度不高。為此引入光杠桿法，將微小伸長(zhǎng)量進(jìn)行放大，通過測(cè)量光杠桿頂角支點(diǎn)到底邊支點(diǎn)連線的距離b、發(fā)光標(biāo)尺到光杠桿鏡面轉(zhuǎn)軸中心的距離D、荷重m變化所引起的光標(biāo)偏移量Δn，然后利用公式（1）間接得到ΔL。這個(gè)間接測(cè)量的方法在一定程度上反映了軍事中的迂回策略。在講述這部分內(nèi)容時(shí)，設(shè)置好問題，循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)員思考：當(dāng)直接的方法無法達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，可采取迂回策略以達(dá)到目的。讓學(xué)員主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題。

2.3? 儀器操作與軍事應(yīng)用相聯(lián)系

以“儀器操作—軍事應(yīng)用”為主線來進(jìn)行分析：首先確定實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)和操作有哪些，然后分析這些儀器操作與軍事應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性。實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”的主要儀器是楊氏模量測(cè)定儀，操作方法包括實(shí)驗(yàn)架的水平和鉛直調(diào)節(jié)、光杠桿和望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)以及鋼卷尺、游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器等測(cè)量工具使用，這些都屬于需要掌握的基本操作技能。

一方面，參考軍事技能類課程，采取總分、分總或總分總的層次結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行詳細(xì)介紹，重在理清思路，讓學(xué)員充分了解儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并且適當(dāng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器特點(diǎn)，與軍用裝備相聯(lián)系。如采用總分的結(jié)構(gòu)，首先介紹楊氏模量測(cè)定儀是采用拉伸法測(cè)量楊氏模量，儀器包括實(shí)驗(yàn)架、望遠(yuǎn)鏡、數(shù)字拉力計(jì)、其他測(cè)量工具四部分。然后介紹實(shí)驗(yàn)架的作用是固定并拉伸金屬絲，利用光杠桿裝置將伸長(zhǎng)量放大，主要結(jié)構(gòu)包括上托板、中托板、下托板和底座。儀器中的望遠(yuǎn)鏡，借助光杠桿裝置，對(duì)發(fā)光標(biāo)尺的刻度進(jìn)行觀測(cè)。在教學(xué)過程中，結(jié)合學(xué)員比較熟悉的軍用望遠(yuǎn)鏡，讓他們自己來介紹結(jié)構(gòu)組成和軍用光學(xué)儀器的維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)。

另一方面，操作步驟上，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)架的水平和鉛直時(shí)，引導(dǎo)學(xué)員思考哪些部位需要進(jìn)行水平和鉛直調(diào)節(jié)，然后結(jié)合水平儀獨(dú)立動(dòng)手進(jìn)行調(diào)試;調(diào)節(jié)光杠桿和望遠(yuǎn)鏡時(shí)，遵循光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)步驟，先粗調(diào)再細(xì)調(diào)，按照“外觀對(duì)準(zhǔn)—境外找像—境內(nèi)找像—細(xì)節(jié)對(duì)零”的步驟實(shí)施;望遠(yuǎn)鏡的操作，可結(jié)合軍用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行教學(xué)，啟發(fā)學(xué)員如何調(diào)節(jié)，讓學(xué)員自己操作調(diào)試，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng);使用測(cè)量工具時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)操作螺旋測(cè)微器時(shí)的注意事項(xiàng)，逼近被測(cè)物體時(shí)需使用微調(diào)旋鈕進(jìn)行調(diào)整，并結(jié)合損壞的儀器進(jìn)行強(qiáng)調(diào)警示，以培養(yǎng)學(xué)員膽大心細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的作風(fēng)。

另外，測(cè)量光標(biāo)偏移量Δn時(shí)，加載力值至7 kg后，多加0.5 kg而不記錄數(shù)據(jù)，再卸載。其中0.5 kg力值的作用涉及施力螺母內(nèi)回程差的問題。回程差普遍存在于機(jī)械加工零件中，與軍用裝備聯(lián)系緊密，如火炮射擊手輪中就需要消除回程差，以提高射擊精度。因此，教學(xué)中可采取提問的方式，結(jié)合軍用裝備，引導(dǎo)學(xué)員思考，貼近訓(xùn)練實(shí)踐。

2.4? 主體思想與軍事應(yīng)用相聯(lián)系

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)員觀察分析物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究物理問題的能力，養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際、實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程總計(jì)開設(shè)16個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)六個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)八個(gè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)。如何通過有限次的實(shí)驗(yàn)，有效培養(yǎng)軍校學(xué)員的科學(xué)文化素養(yǎng)和思維能力，滿足未來任職需求？這就需要能提煉實(shí)驗(yàn)中隱性的主體思想，由外及內(nèi)，與軍事應(yīng)用相聯(lián)系。

1）明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的邏輯思路。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本上都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的思路，可以采取通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，再理論分析并動(dòng)手解決問題的基本流程進(jìn)行引導(dǎo)，結(jié)合問題式教學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)員思考，實(shí)現(xiàn)相關(guān)結(jié)論的驗(yàn)證。因此，實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”的教學(xué)過程中可以楊氏模量是什么、楊氏模量有哪些用途、如何測(cè)量楊氏模量的基本思路為主線，恰當(dāng)融入軍事應(yīng)用，逐步開展教學(xué)。

2）實(shí)驗(yàn)中激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)員主動(dòng)參與，實(shí)現(xiàn)學(xué)員能力素質(zhì)的提升，也是必不可少的。采取翻轉(zhuǎn)課堂模式，教員提出問題和實(shí)驗(yàn)要求，給予一定的儀器介紹和操作幫助;讓學(xué)員課前做好預(yù)習(xí)，課上教員引導(dǎo)，學(xué)員自行進(jìn)行實(shí)踐和探索;課后布置創(chuàng)新型作業(yè)，讓學(xué)員與教員進(jìn)行反饋交流，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。如設(shè)置實(shí)驗(yàn)的思維拓展部分，要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：利用楊氏模量測(cè)定儀測(cè)量金屬絲的線膨脹系數(shù)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器以提高精度。學(xué)員利用課余時(shí)間自己查閱資料，動(dòng)手改進(jìn)儀器裝置，撰寫小論文，將相關(guān)成果作為平時(shí)考核的一部分。

3）實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的要求，教學(xué)過程中有機(jī)地融入課程思政元素，如鹽在水，為戰(zhàn)育人。在實(shí)驗(yàn)背景部分適當(dāng)擴(kuò)展背后的人文知識(shí)。楊氏模量的提出者托馬斯·楊被譽(yù)為“世界上最后一個(gè)什么都知道的人”，通過介紹他廣泛的興趣、強(qiáng)大的自學(xué)能力和淵博的學(xué)識(shí)，激發(fā)學(xué)員的崇拜之情和學(xué)習(xí)興趣。另外，適當(dāng)介紹19世紀(jì)歐洲的工業(yè)技術(shù)水平，以拓寬視野，開拓思維。

3? 結(jié)語

習(xí)近平主席視察陸軍步兵學(xué)院的講話為軍隊(duì)院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指明了方向，在尊重課程體系完整的基礎(chǔ)之上，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用的探索不應(yīng)浮于表面，而應(yīng)該由外及內(nèi)，進(jìn)行深入融合。以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中的典型實(shí)驗(yàn)“拉伸法測(cè)金屬絲的楊氏模量”為例，探討如何從基本概念、基本原理、儀器操作、主體思想等方面與軍事應(yīng)用相聯(lián)系，突出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軍事特色。通過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和積極性有了較大提高，綜合能力素質(zhì)有了一定的提升，收效良好，為其他物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軍事應(yīng)用相聯(lián)系的有效開展奠定良好基礎(chǔ)。但是仍需緊跟軍事高科技發(fā)展的趨勢(shì)，不斷進(jìn)行更新和實(shí)踐探索，以全面滿足培養(yǎng)高素質(zhì)新型步兵指揮軍官的目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)為戰(zhàn)育人。■

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