大學物理教學中工程教育的融入

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一、卓越計劃下的大學物理課改簡介

“理為工之本，工為理之用”[2]，物理學是工程技術的基礎，對提升學生科學素養有重要的作用。以培養大學生的工程創新能力為目標，提高大學物理教學質量是“卓越計劃”對當前大學物理教學改革提出的新要求。在大學物理教學中融入“工程教育”是適應這一要求的重要基礎。在大學教學中加強工程教育，激發學生的興趣、培養學生的工程意識，以期在工程技術人員理解新原理，掌握新技術方面發揮重要的作用。

二、工程實例與物理教學的融合

作為高等院校工科各專業的必修基礎課，傳統的大學物理學較為重視知識體系的完整性、嚴密性和原理的邏輯推理，這對培養學生的邏輯思維能力有很大幫助，但這種偏重理論化推理的物理教學，啟發有余而創新不足，忽略了工科專業學生對物理原理在實際工程技術中的應用這一求知需求。為了實現大學物理教學的工程教育目的，在教學過程中適當地引入工程實例是一種有效途徑。工程實例的引入可以在大學物理教學中無所不在，比如物理原理的講解，例題演示，以及課后習題等。工程實例的引入一方面要與物理知識點緊密相關，另一方面也要具有真實性，能激發學生的興趣。當前國內物理教材中往往只列舉幾個典型的工程應用例子，難以激發學生的興趣，甚至對物理原理在其中的具體應用過程也是一語帶過，不提取模型也不解釋原理，學生難以理解理論原理到工程技術的應用。相比國內教材，國外大學物理教材中物理知識與生活、體育、工程技術的工程實例聯系就緊密得多。比如《哈里德大學物理學》中一道習題：“一架噴氣式戰機重達231kN，需要達到85m/s的空速才能起飛。戰機發動機最大可提供107kN的推力，但并不足以讓戰機在短短90m的航母甲板跑道上達到起飛速率。”一個簡單的力學物理題，穿上一件漂亮的工程“外衣”，未給教學添加負擔，反而趣味倍增。工程實例的引入要注意全面，不能以偏概全。生活和工程中的物理構成有些對人類有利，有些對人類不利，但背后都有物理規律的支配。比如振動學中，許多教材都列舉了共振引起橋梁坍塌的事故，讓學生認識振動的威力。如果教學進程到此為止，學生對共振的的理解可能會產生誤會，認為振動現象在建筑中只有“弊”而無“利”。實際上，許多現代橋梁和建筑物的防振減振工程項目都是“以其人之道，還治其人之身”，比如安裝于臺北101大廈的全球最大的“調諧質塊阻尼器”，利用共振來消除大廈的振動以保障安全。只有客觀而周到地對工程實例進行討論，才能讓學生對物理原理的理解及其應用有更全面的認識。由于沒有現成的工程實例，需要教師收集和撰寫相關的材料。工程實例的收集可從文獻、國內外優秀教材中，甚至是時事新聞中篩選、汲取適當的題目。比如讓國人振奮和驕傲的我國第一艘航母“遼寧號”及其成功起降的殲15艦載機，其中就有物理中力熱光電各方面基本原理的大量應用。積少成多，集腋成裘，當前的通訊信息十分發達，可以多渠道、多途徑地獲取工程實例。

三、專業課程與大學物理的對接

大學物理學作為理工各專業的基礎課，在夯實學生的基礎知識，培養學生的邏輯思維和創新意識上有共同的作用，但不同專業對具體物理知識的學習也有不同的要求。目前大學物理的內容體系主要包括牛頓力學、熱力學、電磁學、波動光學，以及相對論和量子力學等，內容較多，且物理學也在不斷取得新進展。但在實際教學中，大學物理的學時卻在不斷縮減。針對這樣的局面，如何實現大學物理的工程教育？首先要根據專業特點對物理教學內容有所側重。大學物理教學可根據工科各專業的特點，對知識體系進行調整和優化，在制定教學計劃時，集合相關專業的特點和后期專業課學習的延續性，在保持物理內容體系完整的情況下，對相關內容進行調整，并進一步拓展優化。比如，對機械類專業側重于力學、熱力學、電磁學等；對電類專業側重于電磁學、光學和近代物理等。機械類專業都有理論力學和材料力學等專業基礎課，如何在牛頓力學的教學中對相應概念和規律進行拓展，為相關課程做好鋪墊，是物理課堂上一個值得探討和嘗試的課題。當前許多高校大學物理授課根據專業分班，也為這一設想提供了有利條件。

四、綜合物理課程的開設設想

隨著時代的發展與技術的進步，社會對復合型人才的需求越加明顯。當前的大學物理課，教學內容往往局限于經典物理部分，為了彌補物理教學的不足，同時提升工科學生對高等教育工程技術中物理知識的認識，可對高年級學生開設一門物理相關的專業選修課，暫且命名為“綜合物理”。綜合物理課程的教學內容應側重于專業課程的補充和現代科技的普及兩方面內容。物理學不僅是各工程學科的基礎，也是新技術新理論的基礎，廣泛地應用在不同專業領域。在綜合物理中，可結合專業課程的設置，對相關專業的許多領域進行介紹。如當前大學物理中的振動學主要服務于后續的機械波及波動光學的教學；而在綜合物理中，我們可為此基礎設置和機械加工相關的防振、消振的工程應用內容；對于后續的波動光學，可設置和機械加工相關的工程光學內容。專業的交叉和融合方面，比如可在綜合物理中講授物理學的新進展、工程上的新應用及技術的展望，等等。綜合物理課程在國內各高校中目前尚無樣本示范，學校可通過開設公共選修課，逐漸將其納入專業選修課的體系當中。綜合物理課程的開設一舉多得，既可解決大學物理課時減少帶來的教學不足，又可改變學生對物理學的認識，激發學生的興趣，加深學生對物理知識在工程技術中的應用理解能力，提高學生的綜合工程素質。目前，大學物理在教學手法上有很多成熟的改進措施。筆者認為，改革的根本在于內容的改革，應以提高學生的素質為基礎，突破傳統模式，采取更為大膽的形式來推進大學物理教育。同時加強學生工程素質的教育，并采取新的課程設置，會對物理教學改革有著積極的推動和發展作用。

作者：楊俊濤 黃海銘 張傳坤 單位：湖北汽車工業學院理學院