大學物理教學與工程應用的結合

趙朝軍

摘 要：應用型本科大學物理教學的重點是構建應用型物理教學體系，本文提出了傳統的單一理論物理教學存在的缺陷，并針對相關問題提出教學過程中要面向學生專業、面向生產實踐，面向工程應用，以此改善教學方法，科學、合理地選擇教學內容，教學中結合大量的工程應用實例，潛移默化提高學生工程實踐能力，實現培養應用型本科人才的需要。

關鍵詞：大學物理教學;教學方法;工程應用

中圖分類號：O4-1? 文獻標識碼：A

物理學[1]研究物質世界的基本結構、基本相互作用和最普遍的自然界的運動規律，它是一切自然科學和工程技術的基礎。人類科技發展史上的歷次工業革命與物理學有著非常密切的關系。第一次工業革命發生在17～18世紀，實現了工業的機械化，其基礎是牛頓力學和熱力學的發展，標志是蒸汽機的出現和使用。19世紀爆發了第二次工業革命，促進了工業的電氣化，以發電機、電動機、電訊設備的大量出現為標志，這些技術的基礎是電磁理論的不斷發展與創新，20世紀爆發了第三次工業革命，加快了工業的自動化與核能的應用，其物理學基礎為相對論和量子力學，標志著以信息技術為代表的一系列新學科、新材料、新能源、新技術的興起和發展。由此可見，物理學在推動整個人類社會發展過程中起著舉足輕重的作用，它是人類社會未來科學技術發展的源泉和動力。

大學物理作為高校理工科學生的基礎課程，不僅為學生學習其他專業課奠定基礎，而且提供了研究科學最基本的方法，對于提高學生的科學素質，培養學生的科學思維方式有著至關重要的作用。大學物理教學過程中既能做到使學生獲得大量物理知識，又能全面提高學生在實踐中應用物理知識解決實際問題的能力，這是大學物理教育急待解決的問題，也是構建應用型本科大學[2]的必然要求和發展趨勢。

1 大學物理教學中純理論授課存在的問題

傳統的物理教學[3]通過理論知識的講解和剖析向學生傳授物理知識，不斷重復加強學生對知識的記憶和理解，難免出現重理論輕應用、重接受輕探索、重訓練輕方法等現象，學生學習過程中只是掌握了較多的解題方法，對于物理知識在工程中的實際應用關注較少，造成學生解決實際問題的能力較弱。由于大學物理與高等數學結合緊密，對于數學基礎薄弱的學生，學習物理顯得更加困難和枯燥，造成學生學習興趣的減弱。

在信息化爆炸的今天，社會對人才的要求越來越苛刻，企業招聘過程中，不僅注重學生的文化課成績，而且更注重對學生實踐能力的考察，如果學生能夠掌握一種熟練的工程技術，那么對于求職成功將錦上添花。所以，對于應用型本科而言，培養人才的方式急需轉變，所培養的人才應該正確判斷和解決工程實際問題，能夠設計和開發技術系統，可以勝任跨學科的技術合作。當然，構建應用型本科物理教學體系[4]也是迫在眉睫。

為應對新一輪科技革命的來臨，國家教育部正在積極加強“新工科”建設，相對于傳統的工科人才，未來新興產業迫切需要實踐能力強、創新能力強的復合型“新工科”人才。由此可見，新工科[5]精神要求高校培養的學生需要具有一定的實踐能力和創新能力。

2 大學物理教學與工程應用的結合

2.1 結合學生專業特點精選教學

根據學生所學專業對物理課程教學的詳盡程度進行合理取舍。

對于電子工程專業的同學，介紹靜電場和穩恒磁場時，不僅為學生介紹靜電場和磁場的特點以及在靜電場、磁場中的重要定理，而且要結合學生專業特點介紹電路板布線中存在的電磁干擾問題，可以講解電路板布線原則，重要信號線處理，通過多種方法減少電磁干擾問題，同時介紹電阻、電容、電感常用元件的電學特性，加深學生對這些元件的認識，這樣學生既掌握了大學物理中電磁場的基本知識，強化了對電磁場本質的認識，而且學生在一定程度上掌握了硬件工程師在電路設計中的基本素養，為將來走向對應工作崗位奠定了一定基礎。

對計算機科學與技術專業的學生，在介紹重要物理模型時，可以穿插重要模型的后臺編譯程序，讓學生認識到物理學中重要的模型原來可以通過一個個小程序呈現出來，同時將源代碼提供給學生，讓學生看懂程序，學習程序，并鼓勵學生獨立編寫程序展示物理模型，這樣既強化了學生的專業技能，同時加深學生對物理模型[6]的理解。

對土木工程專業的學生，由于學生專業課中需學習大量的力學原理[7]，故在介紹大學物理中的牛頓運動定律、剛體轉動這些章節時需作為重點講解，對常見物理的受力分析及對剛體模型的理解作為課堂教學核心內容，同時也可以引入建筑工程中常見機器的力學原理進行講解，使學生能夠身臨其境觀察、思考、探索。

對機械設計制造及自動化專業的學生，由于學生主要解決工件的設計和構型，所以要注重強化學生的空間想象能力，對于復雜的物理模型，提示學生從不同角度去觀察，即讓學生想象模型的正視圖，側視圖，剖面圖等。例如載流線圈在磁場中的運動，當從不同方向觀察線圈中的電流時，呈現的圖像有一定區別，讓學生從不同觀察角度去總結看到的圖形的差異化，并且動手能夠畫出正視圖，側視圖，剖面圖，進一步增強學生的空間思維能力與作圖能力。

對光電信息科學與工程專業的學生，將波動光學[8]這一章內容作為重點章節講授，不僅要穿插幾何光學，而且在介紹光的干涉、衍射等現象時，引入大量工程實例，強化理論知識在實踐中的運用。

如圖1利用等厚干涉可以測量細金屬絲的直徑。如果已知入射光垂直水平面入射，波長為λ，測得金屬絲到棱外的距離為L，相鄰明條紋的間距為Δx，由于劈尖夾角θ很小，故有sinθ≈tanθ=DL，而劈尖夾角θ，相鄰明條紋的間距Δx以及入射光波長λ之間關系為sinθ=λ2Δx，可得D=LΔx·λ2。

如圖2，通過干涉條紋檢測工件表面的平整度，如果工件表面平整，干涉條紋是一組平行于棱邊的直線，如果工件表面不平整，則干涉條紋就要彎曲，并且根據條紋的彎曲形狀可以判斷工件表面是凹陷還是凸出的。