趙瑞娟　劉興來(lái)　張旭峰　胡俊麗　王建邦

(中北大學(xué)理學(xué)院　山西 太原　030051)

工科物理教學(xué)中物理與工程交叉滲透的探討

趙瑞娟劉興來(lái)張旭峰胡俊麗王建邦①

(中北大學(xué)理學(xué)院山西 太原030051)

摘 要:從多方面探討了如何以學(xué)生為本，通過(guò)物理與工程的交叉滲透，充分發(fā)揮大學(xué)物理課程在工程素質(zhì)教育中的重要作用．

關(guān)鍵詞:大學(xué)物理教學(xué)物理與工程工程意識(shí)

1引言

任何一個(gè)工科本科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃都會(huì)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生用工程觀點(diǎn)看問(wèn)題、從工程的角度思考問(wèn)題、用工程的方法處理問(wèn)題．而按系統(tǒng)論觀點(diǎn)，專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃這個(gè)系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴(lài)的若干組成部分(要素)結(jié)合而成的、具有特定功能的有機(jī)整體[1]．系統(tǒng)的功能主要取決于它組成部分的配合與協(xié)同作用(非線(xiàn)性)的優(yōu)劣，而不只是取決于各要素性能的高低．作為非物理專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理課程是專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中一門(mén)課、一個(gè)要素、一個(gè)子系統(tǒng)．因此，應(yīng)當(dāng)把大學(xué)物理課程教學(xué)改革放在工科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃這個(gè)大系統(tǒng)內(nèi)來(lái)審視，如果脫離專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃獨(dú)自為政，不僅教學(xué)效果會(huì)大打折扣，也定然不為學(xué)生所接受．

為此，本文探討如何以學(xué)生為本，通過(guò)物理與工程的交叉滲透，充分發(fā)揮大學(xué)物理課程在工程素質(zhì)教育中的特定作用．

2物理學(xué)與工程科學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系

作為自然科學(xué)的物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)．然而，觀察和實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)并不代表物理規(guī)律，自然界(包括工程)發(fā)生的一切實(shí)際的物理現(xiàn)象和物理過(guò)程，一般都是比較復(fù)雜的，影響它們的因素也是多種多樣的．如果一開(kāi)始就不分主次地考慮各種因素，不僅會(huì)增加認(rèn)識(shí)的難度，得不到準(zhǔn)確的結(jié)果，相反還會(huì)導(dǎo)致對(duì)最簡(jiǎn)單、最本質(zhì)的物理圖像的分析也無(wú)從下手．因此，在物理學(xué)的研究中，采用理想化方法，把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想化的簡(jiǎn)單問(wèn)題．理想化方法主要包括建立理想模型、理想過(guò)程與設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)等3個(gè)方面．考慮到物理學(xué)要回答的是“是什么？為什么？”的問(wèn)題．而以物理學(xué)為基礎(chǔ)的工程問(wèn)題，它回答的是“做什么？怎么做？”.從這個(gè)意義上說(shuō)，工程問(wèn)題都可以看作是物理學(xué)基本原理的延伸、擴(kuò)展與應(yīng)用．

工程問(wèn)題往往是綜合性的．如自動(dòng)控制系統(tǒng)就涉及檢測(cè)指令信息、外界變化信息、被控對(duì)象的狀態(tài)信息并將其變換成電信號(hào)傳給控制裝置的傳感器，涉及相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的控制裝置，涉及相當(dāng)于人的手、腿及其肌肉的操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)等．好比一個(gè)光干涉系統(tǒng)包含光源(信號(hào))、光學(xué)器件(信號(hào)控制、傳輸)與接收屏(接收、存儲(chǔ)、記錄、處理)．從物理學(xué)觀察自控系統(tǒng)，包括物質(zhì)流、能量流與信息流3個(gè)相互交叉的物理過(guò)程．在物理學(xué)中不論哪個(gè)過(guò)程都需要用理想模型、理想過(guò)程或理想實(shí)驗(yàn)來(lái)分門(mén)別類(lèi)研究，這就是物理學(xué)與工程科學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別．

3物理與工程的交叉與滲透

物理學(xué)是一門(mén)自然科學(xué)，也是一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，它是工程技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)和發(fā)源地，是當(dāng)代高新技術(shù)的搖籃，如現(xiàn)代電子和信息技術(shù)的物理思想和物理原理的得來(lái)，是源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的．工程技術(shù)支持與支撐著物理學(xué)的發(fā)展，使物理學(xué)從思辨走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，使人們對(duì)物理理論的認(rèn)識(shí)得以深化．歷史發(fā)展的軌跡，必然會(huì)反應(yīng)到大學(xué)物理教學(xué)改革中來(lái)．但一項(xiàng)工程任務(wù)整體涉及“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行”．

工程技術(shù)中的“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行”與大學(xué)物理毫無(wú)關(guān)系嗎？以“激光原理”[2]一章的教學(xué)為例，大學(xué)物理側(cè)重“產(chǎn)生激光的基本條件”和“激光器的工作原理”，這是構(gòu)思與設(shè)計(jì)任何一臺(tái)激光器的工程技術(shù)人員必需掌握的前提，如果說(shuō)沒(méi)有直接關(guān)系，那就是這一章不涉及激光器的實(shí)現(xiàn)(制造)與運(yùn)行(使用)．這應(yīng)該就是物理學(xué)向工程的交叉滲透．

事實(shí)上由于工程技術(shù)都可以看作是物理學(xué)基本原理的延伸、擴(kuò)展與應(yīng)用，大學(xué)物理各章各節(jié)的內(nèi)容或多或少、或深或淺、或直接或間接地滲透到工程科學(xué)中．工程問(wèn)題在構(gòu)思階段需要擴(kuò)展物理模型，在設(shè)計(jì)階段需要組合各種模型．而在解決工程問(wèn)題時(shí)奉行的“綜合、實(shí)用、創(chuàng)新、環(huán)保、節(jié)能”的工程理念在大學(xué)物理中時(shí)隱時(shí)現(xiàn)．如在“氣體分子速率分布律的實(shí)驗(yàn)測(cè)定”[3]教學(xué)中，從1920年施特恩實(shí)驗(yàn)、1930～1934年的蔡特曼-葛正權(quán)實(shí)驗(yàn)到1959年馬修斯-麥克菲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、貫穿的“綜合、實(shí)用、創(chuàng)新”與工程理念如出一轍．

當(dāng)然，在講課過(guò)程中，一方面，對(duì)于大學(xué)物理與工程技術(shù)的關(guān)系，不能喧賓奪主，不能過(guò)多展開(kāi)，失去物理體系的完整性；另一方面，如果不能使學(xué)生意識(shí)到物理對(duì)工程技術(shù)的重要性，又會(huì)使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，感覺(jué)學(xué)物理沒(méi)有用．因此，兩者的如何平衡考驗(yàn)著教師的智慧．

4在大學(xué)物理教學(xué)中滲透工程觀念

在大學(xué)物理課程教學(xué)中如何滲透工程觀念？如何有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的“工程觀念”？使學(xué)生強(qiáng)烈意識(shí)到學(xué)物理與專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)，我們主要做法如下.

4.1在教材中分散靈活滲透

在由王建邦教授主編的大學(xué)物理學(xué)(教育部“十二五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材)已經(jīng)體現(xiàn)了物理與工程的相互交叉滲透，如在教材中涉及到的有關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用的“接口與窗口”多達(dá)60多處，既有經(jīng)典物理學(xué)原理應(yīng)用，又有物理原理在近代工程技術(shù)中的最新應(yīng)用[2,3,5]．在正在修訂的第5版中每一章增添一節(jié)“物理原理的拓展與應(yīng)用簡(jiǎn)介”．

4.2在新版教材中體現(xiàn)教改成果

在教材第5版增添一節(jié)“物理原理的拓展與應(yīng)用簡(jiǎn)介”時(shí)，選擇學(xué)生歷次物理原理應(yīng)用報(bào)告會(huì)的內(nèi)容進(jìn)入教材，體現(xiàn)教學(xué)、教材與工程應(yīng)用的緊密結(jié)合．不會(huì)過(guò)多展開(kāi)，意在激發(fā)學(xué)生關(guān)心物理效應(yīng)在工程中應(yīng)用，能起到引導(dǎo)學(xué)生自己查資料了解相關(guān)內(nèi)容更好．

4.3教學(xué)中多方強(qiáng)調(diào)“工程應(yīng)用”和“能力培養(yǎng)”

在教材第5版增添一節(jié)“物理原理的拓展與應(yīng)用簡(jiǎn)介”基礎(chǔ)上，結(jié)合例題與習(xí)題及定期組織的“學(xué)生物理原理應(yīng)用報(bào)告會(huì)”[4]，例如，參加報(bào)告會(huì)的高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生介紹了最新發(fā)現(xiàn)的石墨烯材料幾種制備方法的報(bào)告[5]，這其中既包含了固體物理中關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述分類(lèi)方法，又體現(xiàn)了工程的觀點(diǎn)，關(guān)注了新材料的制備、性能及用途等．這樣學(xué)生既關(guān)注了物理原理的應(yīng)用，又與自身所學(xué)專(zhuān)業(yè)材料科學(xué)緊密聯(lián)系．

通過(guò)舉辦這樣的活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理過(guò)程中注重理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身專(zhuān)業(yè)關(guān)注物理應(yīng)用，并提出自己的設(shè)想．指導(dǎo)學(xué)生在設(shè)想合理的同時(shí)，滲透現(xiàn)代工程觀念 “綜合、實(shí)用、創(chuàng)新、環(huán)保、節(jié)能”．正如學(xué)生在小結(jié)中所言：“物理不是沒(méi)用，而是自己不知道怎么用，沒(méi)辦法用”．

5結(jié)束語(yǔ)

在大學(xué)物理教學(xué)中,積極滲透工程觀念，既讓學(xué)生有機(jī)會(huì)和動(dòng)力去學(xué)習(xí)課本以外的知識(shí),也讓物理的學(xué)習(xí)過(guò)程更加豐富多彩;關(guān)注物理原理的同時(shí),注重工程理念，也會(huì)讓同學(xué)們加深對(duì)物理的認(rèn)識(shí),真正實(shí)現(xiàn)理工結(jié)合,理為工服務(wù)!

參 考 文 獻(xiàn)

1趙瑞娟,劉興來(lái),楊艷,胡俊利,王建邦.大學(xué)物理教學(xué)中“知識(shí) 能力 素質(zhì)”的融合.物理通報(bào),2012(2):21～22

2王建邦.大學(xué)物理學(xué)(第二卷).近代物理基礎(chǔ)(第4版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.160

3王建邦.大學(xué)物理學(xué)(第一卷).經(jīng)典物理基礎(chǔ)(第4版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.369

4趙瑞娟,張旭峰,侯利潔,等.延伸課堂 組織學(xué)生物理學(xué)習(xí)報(bào)告會(huì)的實(shí)踐與探索.物理與工程, 2013(4):37～38

5趙瑞娟,劉興來(lái),張旭峰,等.大學(xué)物理課程中的工程教育的探索與實(shí)踐.物理與工程, 2014(S1):82～83,86

收稿日期：(2015-03-30)

作者簡(jiǎn)介：趙瑞娟(1978-),女，講師．研究方向?yàn)榇判怨δ懿牧?