课堂教学中物理工程教育素材的开发与融入

李海宝 任常愚 金永君 丁宏伟 郭铁梁

(黑龙江科技学院理学院,黑龙江哈尔滨 150027)

课堂教学中物理工程教育素材的开发与融入

李海宝 任常愚 金永君 丁宏伟 郭铁梁

(黑龙江科技学院理学院,黑龙江哈尔滨 150027)

分析了工科物理课堂教学中,在“大工程”教育理念下,融入工程教育素材的必要性,介绍了工程教育素材开发的若干种途径,探讨了融入工程教育素材的方式方法.

大工程;大学物理;工程教育素材;课堂教学

1 引言

2010年7月我国正式颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》,“提升高等教育质量”为该教育规划纲要设计的10个重大项目之一[1].“高等教育质量的提升”对我国高等工科教育而言,意味着工程科技人才质量的提升.作为一所以工为主的普通高校,2005年我校就正式提出了“大工程”教育理念.5年来,基于这一理念,我校的理工类主要课程进行了相应的顶层设计和教学改革.作为理工科重要的基础课,大学物理也通过积极的教学改革,努力促使教学质量满足工程科技人才质量提升的需要.

2 “大工程”理念下物理课堂教学中开发和融入工程教育素材的必要性

援引我校校长赵国刚同志在《中国高等教育》发表的《树立“三大”教育理念改善应用型工科人才培养》一文中的论述,所谓“大工程”教育理念,是以工程应用型人才培养为目标,以实践为背景,以工程为主线,着力于学生的工程意识、工程素质和工程实践能力的培养,将工程教育、自然科学教育、人文社会科学教育相融合的现代工程教育观[2].我们知道,在每名工程科技人才的知识和能力结构中,大学物理知识都占据重要位置.因此在物理课堂教学中,深入实践“大工程”理念责无旁贷.作为实践的第一步,开发和融入工程教育素材是必要的.

2.1 开发和融入工程教育素材是彰显物理课程性质的需要

物理工程应该理解为物理科学和数学在工程上的某种应用.通过这一应用,使自然界的物质和能源的特性,通过各种结构、机器、系统和过程,以最优的方式成为对人类有用的东西.物理课程自身具有浓厚的工程色彩,绝大部分物理学定理定律来源于人们的工程实践,并反复经过实践检验而不断完善.

由于物理知识是自然科学和工程技术的基础,渗透于生活、生产、人类科技文明和社会进步的方方面面,能够从现实生活中搜集到的、未经整理加工的、感性的、分散的原始材料,诸如图文、影像、实物、模型、案例等十分丰富.这些原始材料,经过集中、提炼、加工和改造,融入到课堂教学中,就成为物理工程教育素材.在大学物理课堂教学中,融入工程教育素材、结合实践讲授理论知识,一方面是遵循教育原则中理论联系实际的需要;另一方面也使理论知识血肉充实、相得益彰.

2.2 开发和融入工程教育素材是培养与国际接轨的工程师的需要

据麦肯锡咨询公司(Mc Kinsey Global Institute)的研究报告统计,我国的工科毕业生只有不到10%适合在跨国公司工作[3],其中的原因为“中国教育系统偏于理论,中国学生几乎没有受到project和团队工作的实际训练,相比之下欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题”.

单纯从物理课堂教学的作用来看,的确很难给学生“project”方面的实际训练,但却可以帮助学生树立“project”意识.在课堂教学中通过融入反映物理原理应用的工程实例、工程背景、科技成果等工程教育素材,可以帮助学生树立将来从事工程科技工作,从物理的角度寻找所遇到问题解决方案的意识,这是学生成为与国际接轨工程师的必备能力.

2.3 开发和融入工程教育素材是激发学习大学物理动机的需要

兴趣是最好的老师.虽然大学物理课程的地位和作用是十分重要的,但是很多学生在学习时所表现出来的兴趣却不如学习高等数学和英语.当然这里有一定的功利性因素,更有过多强调知识体系的理论性而轻视工程实践方面的因素.融入工程教育素材的课堂,由于课堂上所讲授的内容因其丰富并带有工程实践的色彩,将增强课堂的吸引力,有助于培养和提高学生的学习兴趣.实际上,这样做比较接近美国著名哲学家、教育家杜威的“做中学”教育理论.从做中学是比单纯地从听中学更好的学习方法[4].

3 可融入课堂教学的工程教育素材的挖掘途径

3.1 在日常生活中寻找工程教育素材

从日常生活中寻找工程教育素材,所获得的素材最容易受到学生的认可.如在讲解电磁感应定律时,生活中电磁炉、日光灯、电源变压器等的工作原理和实物(图文),即是非常理想的工程教育素材;又如讲解热力学定律时,将电冰箱、冰柜、空调等工作原理和实物(图文),也是非常理想的工程教育素材.

归结起来,来自生活中可能为物理课堂教学提供工程教育素材的领域包括:家用电器、交通工具、音乐体育,以及电子通信等诸多方面.事实上,只要我们仔细观察生活,注意生活中的物品与物理原理的某种联系,就可能获得丰富的工程教育素材.

3.2 在复杂工程系统中寻找反映物理原理应用的素材

我们知道运载火箭是一项复杂的系统工程,其工作原理涉及机械、自动控制、计算机、物理、力学、化学等学科.单就其所涉及的物理原理而言,也包括动量定理、相对运动、热力学定律,以及各种传感器工作的物理原理,等等.在课堂教学中,无论是在力学部分的变质量牛顿力学内容中,还是在热力学定律内容中,均可以将火箭作为工程应用的例子,只是侧重的方面不同.类似的例子还有汽车工程、计算机硬件系统等.

值得一提的是,将复杂系统中体现某一方面物理的素材融入到课堂教学中,一方面可以切实提高学习效果;另一方面也使学生对复杂系统工程形成一个这样的认识,即复杂系统工程是由若干个简单系统,以及这些简单系统的紧密联系所组成.这对学生工程意识的培养很有帮助.

3.3 从学生的后续课程中寻找工程教育素材

大学物理是工科学生后续课程的基础课,在内容上存在一定的交叉性和延续性.在电类专业中,有一门传感器方面的课程.仔细研究我们可以发现,相当多的传感器其工作原理与物理基础理论直接相关.显然,讲解某一物理原理时,合理地使用运用这一原理工作的传感器方面的工程教育素材,一方面可以加深学生对所学知识理论的理解;另一方面由于理论与工程应用的直接结合,能够帮助学生树立工程意识,达到学以致用的目的.此外,将后续课程中的某些知识作为工程素材,还促进了知识的衔接和紧密联系。

4 课堂教学中物理工程教育素材的融入

4.1 利用工程教育素材构造物理知识的诞生背景和展示应用前景

物理学中的每个知识点的诞生一般有其时代背景和技术背景.利用工程教育素材并借助现代多媒体技术,可以再现相应知识点的诞生的背景,而通过背景的再现,新知识的引入便顺理成章.电容和电容器有关内容是电场理论中的重要组成部分,电容器的诞生就有其背景.18世纪科学家们为了研究电现象的本质,在技术上需要将大量电荷暂时储存起来,于是莱顿瓶诞生了,这就是最早的电容器.它的诞生,是一种技术需要,它凝结了荷兰物理学家马森布鲁克、法国电学家诺莱特、美国物理学家富兰克林等的努力.如果我们对这些相关素材加以归集和整理,有多媒体技术的配合,融入到课堂教学当中,无疑会提高学生学习兴趣.

与构建背景知识的工程教育素材相比较,展示物理新知识和理论的应用的素材则更加丰富.恰当融入基于该知识点的工程应用实例,则向学生传递了物理原理是工程技术基础这一信息.仍以电容器内容为例,电容器有关理论在工程技术领域中的应用则更加丰富多彩:一方面电容是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于耦合、滤波、调谐回路、能量转换、传感等方面;另一方面,超级电容器正在成为电容器制造一个发展方向,而超级电容器是今天大力发展的新能源汽车的重要部件.通过这些素材的融入,使学生及时了解了物理原理在工程技术中的应用的动态和发展前景.

4.2 在设计和讲授例题过程中融入物理工程教育素材

在清华大学等六院校制作的工科物理题库中有一道有关子弹射入沙土的问题,原题内容如下[5]:

质量为m的子弹以速度v0水平射入沙土中,设子弹所受阻力与速度反向,大小与速度成正比,比例系数为 K,忽略子弹的重力,求子弹射入沙土后,速度随时间变化的函数式,以及子弹进入沙土的最大深度.

笔者将这一题目作为例题讲授给学生,并深入挖掘该问题背后所蕴涵的工程应用背景.那么子弹射入沙土问题背后能够融入工程教育素材的有哪些呢?首先,我们会想到子弹速度的测量问题.刚出枪膛的子弹由于飞行快而速度大小难以测量,但若能巧妙运用我们已学的知识则可解决这一难题.子弹射入沙土问题可以为我们提供一种测量子弹速度的思路.由 xmax=m v0/K(例题中子弹进入沙土的最大深度的计算结果)可知,设 v0为子弹初速度,即为要测量的对象,则可以先测量xmax,而子弹的质量视为已知自然条件,比例系数K为与射入目标(沙土)材料性质有关的一个自然常数,这样就在理论上实现了子弹速度的测量.其次,我们能够从子弹射入沙土的最大深度问题迁移到跳水池水深的设计问题.

需要指出的是,子弹速度的测量有很多简单而巧妙的方法.子弹射入沙土问题提供的测量子弹速度的方法并非最先进和工程上选用的测量方法,这里结合问题营造的工程教育背景,主要还是为了激发学生对所学内容的兴趣,进而突出变力作用下,牛顿运动定律的应用问题.

4.3 结合演示实验融入物理工程教育素材

演示实验在大学物理教学中,在提高教学效果方面的地位和作用是不言而喻的.“现象”是物理学的根源,“探索”是演示的灵魂[6].恰当设计和运用演示实验可以有效激发学生的创新和工程意识.相当多的演示实验就是复杂工程技术的一个简化模型.如果教师在运用演示实验讲解定理定律时,能够加以适当地引导,学生将通过其所看到演示实验装置和现象,了解相应物理原理在工程技术中的应用.

在光纤通信演示仪器中,利用特制的、弯曲的玻璃柱来充当模拟光纤,使用时,使激光笔发光从模拟光纤的一端入射,调整角度,使光从光纤的另一端出射,这时可以清楚地看到入射时的光斑.通过该实验学生就会知道可见光信号由光纤传递的过程,加深学生对光纤传输的理解.在工程技术上,能限定和引导电磁波在长度方向上传播的管道,被定义为波导,而用于传输光信号的波导称为光波导[7].显然,光纤是一种常见的光波导.结合该演示实验可以适当融入光波导的有关工程教育素材,可以实现基础物理理论与工程技术的对接.如果学生将来从事光学领域的技术工作,这些课堂教学中融入的工程教育素材,就为他积累了一定的理论基础和感性认识.

5 结论

2010年,我校在工科教学中,已经开始实行“3+1”教学模式.这种创新教育模式是和近年来国际高等工科教育的发展理论接轨的,是独具我校特色的“CDIO”.“3+1”教学模式下 ,学生在“做中学”的时间累计将超过1个学年,以突出“大工程”、“大实践”教育理念.在强化学生工程和实践能力的背景下,大学物理课堂教学中,深入开发和加大融入工程教育素材,是改进教学内容、帮助学生树立工程和实践意识的必要举措.实践证明,积极开发与物理知识相对应的工程教育素材,并将它们合理地融入到课堂教学中,学生普遍欢迎,学生学习的基础理论知识更加扎实,工程和实践意识得到强化,最终对提升工程科技人才的质量提升起到积极作用.

[1] 新华网.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)[EB/OL].北京:新华社,2010.07.29

[2] 赵国刚.树立“三大”教育理念改善应用型工科人才培养[J].中国高等教育,2006,(23):29～30

[3] 顾佩华,沈民奋,李升平等.从 CDIO到 EIP-CDIO——汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12～19

[4] 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008,(3):1～9

[5] 教育部高等教育司组.工科大学物理课程试题库(第二版)[DB/CD].北京:清华大学出版社,2003.11

[6] 陆汝杰,宋志怀,吴於人.充分利用物理演示实验培养学生探究未知的能力[J].物理与工程,2010,20(5):10～12

[7] 丁么明,宋立新,余华清等.光波导与光纤通信基础[M].北京:高等教育出版社,2005

2011-02-23)

黑龙江科技学院青年才俊计划资助项目;黑龙江科技学院教学研究重点资助项目.

李海宝(1978年出生),男,黑龙江肇源人,硕士,副教授,黑龙江科技学院首届当选青年才俊.