应用物理专业力学课程教学探讨

刘敏，方莉俐

(中原工学院理学院，河南郑州 450007)

应用物理专业力学课程教学探讨

刘敏，方莉俐

(中原工学院理学院，河南郑州 450007)

针对“卓越工程师教育培养计划”的实施，提出了对力学实践教学内容及模式的改革与深化措施，培养学生的创新能力、交流能力和合作精神，为把学生培养成具有良好工程素质、“宽口径”的高素质人才打下良好基础.

应用物理专业;力学;实践教学;创新能力

0 引言

力学是应用物理专业学生进入大学后马上就接触到的专业基础课［1］.大学中的力学要用到许多微积分知识及矢量运算方面的知识，这对于没有学过高等数学的新生来说是一个挑战.一方面，力学课程使学生学到诸如能量守恒、动量守恒、角动量守恒等自然界各领域都适用的一些最基本的规律，以及质点和刚体模型所遵从的运动学和动力学规律，学习用定理、定律分析实际问题，比如火箭的发射原理、采用粒子对撞有什么好处等.另一方面，力学中所讲到的一些模型、概念、分析方法等，在后续专业课程中都具有良好的可转移性，比如力学中的“质点系”模型及弹性碰撞概念，在热力学与统计物理中就会用到;力学中波的相长干涉与相消干涉条件，以及多普勒效应，在光学中讲光的干涉及“红移”现象要用到;力学中讲的简谐振动概念及其矢量表示法，在电磁学中讲简谐交流电时仍适用……所以，力学又是整个物理学的基础，对整个物理课程的学习非常重要，力学教学中既要注重基本知识的掌握，又要注意为后续课程打下良好的基础.因此，力学课程的教学理念、教学方法、教学效果对应用物理专业的学生学习专业知识具有非常重要的意义.

1 SI单位与我国的法定计量单位有必要系统介绍

物理是定量的科学，建立在计量基础之上，计量涉及单位和量纲，虽然单位制和量纲在力学绪论部分有所讲述，学生在中学也有所了解，但都不系统.由于教学大纲对这部分内容未明确要求，所以一般都不在课堂上系统讲述，而是让学生自己看书.但是这部分内容对学生学习物理学乃至今后的工作都具有重要意义，有必要系统学习.

大多数的教科书只是笼统地介绍7个基本的物理量及力学中涉及的基本单位，对国际单位制(SI)的构成、SI导出单位及其倍数单位的构成规则和符号规定以及可与国际单位制并用的我国法定计量单位，都没有介绍.而这些内容不仅在学生的学习过程中，而且在今后的科研工作中都要用到.在教学和指导毕业论文的过程中，常遇到学生不按规则书写物理量及单位名称符号的情况，其实我国目前使用的量和单位是按照国家技术监督局1993年发布的中华人民共和国国家标准GB3100～3102的规定执行的，其中《GB3100－93国际单位制及其应用》和《GB3101－93有关量、单位和符号的一般原则》对上述问题有详细说明［2－3］.当学生对此有所了解时，对导出量的单位会按量纲很容易推导出来，而且在书写时也会按照国际规范书写，另外也使学生了解到很多领域中都有相应的国际标准和国家标准，为今后的科研工作打下良好基础.

2 强调用微积分方法处理物理问题，物理和数学相互促进

学生在学习力学时，由于刚开始学习高等数学，所以还不会用微积分方法解决力学问题，另外学生还保持了中学的思维习惯，遇到问题习惯于套公式.比如，求速度时直接写v=v0+at，求冲量时直接写I=Ft，而忽略了加速度、速度、力、冲量等的矢量性，以及当加速度、力为变量时，必须用积分的方法求解，这些问题即使对于学过高等数学的工科学生在学习大学物理时同样会遇到.所以为了让学生真正理解数学是研究物理学的工具，在刚进入力学课程讲运动学时，要适当回顾高中所学的“微元法”，然后拓展到用位移对时间求导的方法求变速直线运动中的瞬时速度，最后推广到空间运动.由于学生在中学学习的都是一维运动，用的都是标量表达式，对矢量表达式很不习惯，这一点可以用运动的叠加原理，使学生理解空间运动若在直角坐标中描述，则分解为三个方向的分运动.另外，需要强调中学所说的“路程”，实际指的是“位移的大小”，而在一维运动中，路程和位移的大小刚好是一样的.反之，在求变速直线运动的位移时，也要适当回顾高等数学中引入定积分时的曲边梯形引例，使学生理解在一维运动中，求位移以及后边讲到的变力做功、冲量等问题，最终归结为“和的极限”问题，使学生逐步改变观念，采用微积分方法处理问题.使学生自觉地形成一种理念，就是数学和物理是密不可分、相互促进的，数学是物理学的强大的后盾，为物理学提供了各种可以选择的数学规律，而物理又为数学提供了广阔的天地，使数学有应用开拓发展的空间，二者相辅相成，相得益彰.

3 精讲基本内容，注重为后续课程打基础

力学是物理学的基础，所以基本内容一定要精讲多练，这一点教学大纲已有要求，这里想强调的是，虽然经典力学是研究速度远小于真空中光速的宏观物体的运动规律，但所涉及的守恒定律，如能量守恒、动量守恒、角动量守恒等却是自然界普遍成立的最基本的规律.在原子和原子核范围内，牛顿定律并不成立，但这些守恒定律依然成立，所以守恒定律比牛顿定律更为基本，这一点应让学生充分理解.在讲角动量守恒定律时，应进一步阐明如果是在原子物理和原子核物理中对基本粒子应用这个定律时，必须考虑它们的“自旋角动量”，这样学生在学习原子物理时，对基本粒子的总角动量中应包含“自旋角动量”就能很自然地理解，并正确运用角动量守恒定律.此外，告诉学生基本粒子的基本性质之一是，它们的角动量在数值上仅具有一定离散性，这叫做角动量的“量子化”，这样把“量子”概念提前输入学生脑子里，为以后学习埋下“伏笔”.

力学中还有很多地方可以和后续课程衔接，下面再举几个例子.比如，电磁振动、机电振动所满足的数学方程与机械振动是相同的，电容和电感组成的LC振荡电路所产生的自由振荡为简谐振荡，其中电容器极板上的电量q和极板间的电势差以及电路中的电流均为同频简谐振动，只是相位不同.再比如，一个做自由机械振动的实际系统，通常都是受到阻尼的，实际的LC振荡回路中，电阻R≠0，因此，该电路做自由阻尼振荡;在RLC电路中接入电动势随时间变化的电源，则得到受迫电磁振荡，其微分方程与受迫机械振动类似.同样，受迫电磁振荡在一定条件下也会产生“共振”，调节收音机中的调谐器可使接收机电路的固有频率改变，当这个固有频率与某广播电台的频率重合时，发生“共振”能量吸收最大，这个电台就是我们唯一能听到的.

在力学中和后续课程有衔接的部分非常多，以上只是举几个例子.课程之间的衔接部分虽然不是太复杂的内容，但是对学生很重要，衔接得好，对学生学习新课程很有帮助.当然，力学课程课时有限，并不一定能做好所有的衔接工作，相关的后续课程可考虑如何与前边的课程联系.

4 探索新的实践教学内容及模式，全面提高学生能力

随着国家“卓越工程师教育培养计划”的实施，强化工程能力与创新能力为重点的人才培养模式势在必行［4］.为培养物理专业学生的创新能力，对力学课程中一些与实际应用结合比较紧密的实验项目进行深化，既有实际意义，又能激发学生的学习兴趣.比如，材料密度的测定在生产及科研中都有很重要的意义，但实际当中很少用规则物体进行测量，所以，把力学实验中规则物体密度的测定深化为不规则物体密度的测定及颗粒状材料密度的测定非常有意义.虽然所使用的基本原理相同，但在实验的设计上，学生要应用许多以前学过的知识，同时实验中要用到一些生产和科研中常用的仪器设备.通过实验学生可以了解实际检测中测量不确定度的大小，并学习分析实际检测中产生测量不确定度的因素及减小测量不确定度的方法，充分体现活学活用、理论联系实际的意义，对学生是一次全方位的训练.

实际的测量过程，也让学生在理论与实际相结合方面受益匪浅，在测量颗粒状材料密度的整个过程中，不允许用手触摸样品，这一点对于刚接触实验的学生来说很不习惯.教师应让学生明白，手会污染样品，对于一个精密测量来说，会影响测量结果;另外，如果样品本身有毒，触摸会伤害到身体.学生操作过程遇到的诸多步骤，如搅拌、抽气、静置等，通过教师对这些操作步骤目的的讲解，使学生了解到要设计一个合理的测试方法，采用正确的操作方式，并非像理论上讲得那么简单，要在实际中实现某些量的精密测量，需要想办法尽量排除影响测量结果的各种因素，这需要发挥人的智慧.这些工作对于学生思考能力及实验技能的提升有重要意义.

此外，在实践教学模式上也可以做些改革，让学生分成小组并在小组中互换角色完成实验，从而锻炼学生的合作精神.另外，在相同测试条件下，不同测试人员测得的结果往往是不同的，有时甚至相差还比较大，实际的测量，使学生能深刻认识到这一点，从而避免在实际工作中盲目自信，学会多角度分析问题，同时学会相互间的交流、探讨，这在今后工作中非常重要.

人们常说“先入为主”，力学是学生进入大学接触的第一门专业课，所以让学生从力学课程就开始学习了解一些实际工作中用到的知识和方法，对全面提高学生素质很有帮助.同时，掌握扎实的理论知识和较好的实验技能，为进一步的学习、培养“宽口径”人才打下良好基础［5－6］.

5 发挥学生主观能动性，教学相长

当今许多领域科学技术的发展，的确得益于物理学所奠定的基础.这使得许多学生误以为，学习物理就是要“上知天文，下知地理”.其实，物理学只是一门基础学科，要想使物理学中所发现的规律能为人所用，需要人类利用所学的知识，加上人类的智慧和不断探索，发明一些实用的技术才行.比如，爱因斯坦的质能方程E=mc2告诉我们，质量和能量是可以互换的，可是使质量转变成能量的途径，爱因斯坦却没有告诉我们，这需要后人去探讨.当我们发现多个使质量变成能量的方法，能源危机便可以解决了.很多时候，学生对基础知识的学习往往不感兴趣，却非常想知道某一项具体的技术到底是怎么回事.比如，利用超导现象的磁悬浮列车是怎么造的，激光制导导弹的原理等.这些具体的技术问题可以让学生来回答，既促进学生查阅资料的能力，也使学生在查阅过程中发现自己有很多基础知识还没掌握，促进学习基础知识的积极性.同时，学生的探讨也促使教师对一些基础知识有哪些实际的应用做深入的研究，使得教学更加深入和丰富，师生得到共同提高.

6 结束语

随着时代的发展，中外文化交流不断加深，计算机技术应用日益广泛，学生在中小学时期所学习的知识非常丰富，学生接受的教育理念已经和几十年前的“学好数理化，走遍天下都不怕”的教育理念有很大差异，在物理专业就读的学生之间差异也很大，既有基础好、专业兴趣浓、学习刻苦认真的学生，也有部分学生基础不算好，兴趣不算高，这就要求教师在教力学这门最基础的课程时，要格外认真，通过不断强调用高等数学方法解决物理问题、与后续课程的巧妙联系、理论联系实际的实验以及师生的共同探讨，逐步让学生领略物理学的博大精深，理解物理学是其他学科的基础，调动学生学习积极性.同时，也让学生体会到物理学原理在生产科研中的具体应用，努力把学生培养成科学素养高、有创新能力、理论基础牢固、转型能力强的有用之材.

［1］教育部高等院校物理学与天文学教学指导委员会物理学类专业教育指导分委员会.高等学校物理学本科指导性专业规范，高等学校应用物理学本科指导性专业规范［M］.2010版.北京:高等教育出版社，2011.

［2］国家质量技术监督局.GB3100－93国际单位制及其应用［S］.北京:中国计量出版社，1996.

［3］国家质量技术监督局.GB3101－93有关量、单位和符号的一般原则［S］.北京:中国计量出版社，1996.

［4］教育部高等院校物理学与天文学教学指导委员会物理学类专业教育指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求，理工科类大学物理实验课程教学基本要求［M］.2010版.北京:高等教育出版社，2011.

［5］大学物理课程报告论坛组委会.大学物理课程报告论坛集2008［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［6］大学物理课程报告论坛组委会.大学物理课程报告论坛集2009［M］.北京:高等教育出版社，2010.

Discussion on the Teaching of Mechanics Course for Applied Physics Specialty

LIU Min，FANG Li-li

(College of Science，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China)

According to the implementing of“training plan about splendid engineers”，the reform of teaching content and model and advanced measures for practice teaching of mechanics course were put forward.To construct a good foundation for cultivation of talent with excellent engineering quality and adaptive capacity，the ability of creative and communication，and cooperation spirit needed to be trained.

applied physics specialty;mechanics course;practice teaching;creative ability

G642.0

A

1007－0834(2012)03－0061－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2012.03.019

2012－06－06

刘敏(1964—)，女，辽宁大连人，中原工学院理学院副教授，主要研究方向:材料物理性能检测方法及其测量不确定度.