大学物理教学与工程应用的结合

赵朝军

摘 要：应用型本科大学物理教学的重点是构建应用型物理教学体系，本文提出了传统的单一理论物理教学存在的缺陷，并针对相关问题提出教学过程中要面向学生专业、面向生产实践，面向工程应用，以此改善教学方法，科学、合理地选择教学内容，教学中结合大量的工程应用实例，潜移默化提高学生工程实践能力，实现培养应用型本科人才的需要。

关键词：大学物理教学;教学方法;工程应用

中图分类号：O4-1  文献标识码：A

物理学[1]研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的自然界的运动规律，它是一切自然科学和工程技术的基础。人类科技发展史上的历次工业革命与物理学有着非常密切的关系。第一次工业革命发生在17～18世纪，实现了工业的机械化，其基础是牛顿力学和热力学的发展，标志是蒸汽机的出现和使用。19世纪爆发了第二次工业革命，促进了工业的电气化，以发电机、电动机、电讯设备的大量出现为标志，这些技术的基础是电磁理论的不断发展与创新，20世纪爆发了第三次工业革命，加快了工业的自动化与核能的应用，其物理学基础为相对论和量子力学，标志着以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。由此可见，物理学在推动整个人类社会发展过程中起着举足轻重的作用，它是人类社会未来科学技术发展的源泉和动力。

大学物理作为高校理工科学生的基础课程，不仅为学生学习其他专业课奠定基础，而且提供了研究科学最基本的方法，对于提高学生的科学素质，培养学生的科学思维方式有着至关重要的作用。大学物理教学过程中既能做到使学生获得大量物理知识，又能全面提高学生在实践中应用物理知识解决实际问题的能力，这是大学物理教育急待解决的问题，也是构建应用型本科大学[2]的必然要求和发展趋势。

1 大学物理教学中纯理论授课存在的问题

传统的物理教学[3]通过理论知识的讲解和剖析向學生传授物理知识，不断重复加强学生对知识的记忆和理解，难免出现重理论轻应用、重接受轻探索、重训练轻方法等现象，学生学习过程中只是掌握了较多的解题方法，对于物理知识在工程中的实际应用关注较少，造成学生解决实际问题的能力较弱。由于大学物理与高等数学结合紧密，对于数学基础薄弱的学生，学习物理显得更加困难和枯燥，造成学生学习兴趣的减弱。

在信息化爆炸的今天，社会对人才的要求越来越苛刻，企业招聘过程中，不仅注重学生的文化课成绩，而且更注重对学生实践能力的考察，如果学生能够掌握一种熟练的工程技术，那么对于求职成功将锦上添花。所以，对于应用型本科而言，培养人才的方式急需转变，所培养的人才应该正确判断和解决工程实际问题，能够设计和开发技术系统，可以胜任跨学科的技术合作。当然，构建应用型本科物理教学体系[4]也是迫在眉睫。

为应对新一轮科技革命的来临，国家教育部正在积极加强“新工科”建设，相对于传统的工科人才，未来新兴产业迫切需要实践能力强、创新能力强的复合型“新工科”人才。由此可见，新工科[5]精神要求高校培养的学生需要具有一定的实践能力和创新能力。

2 大学物理教学与工程应用的结合

2.1 结合学生专业特点精选教学

根据学生所学专业对物理课程教学的详尽程度进行合理取舍。

对于电子工程专业的同学，介绍静电场和稳恒磁场时，不仅为学生介绍静电场和磁场的特点以及在静电场、磁场中的重要定理，而且要结合学生专业特点介绍电路板布线中存在的电磁干扰问题，可以讲解电路板布线原则，重要信号线处理，通过多种方法减少电磁干扰问题，同时介绍电阻、电容、电感常用元件的电学特性，加深学生对这些元件的认识，这样学生既掌握了大学物理中电磁场的基本知识，强化了对电磁场本质的认识，而且学生在一定程度上掌握了硬件工程师在电路设计中的基本素养，为将来走向对应工作岗位奠定了一定基础。

对计算机科学与技术专业的学生，在介绍重要物理模型时，可以穿插重要模型的后台编译程序，让学生认识到物理学中重要的模型原来可以通过一个个小程序呈现出来，同时将源代码提供给学生，让学生看懂程序，学习程序，并鼓励学生独立编写程序展示物理模型，这样既强化了学生的专业技能，同时加深学生对物理模型[6]的理解。

对土木工程专业的学生，由于学生专业课中需学习大量的力学原理[7]，故在介绍大学物理中的牛顿运动定律、刚体转动这些章节时需作为重点讲解，对常见物理的受力分析及对刚体模型的理解作为课堂教学核心内容，同时也可以引入建筑工程中常见机器的力学原理进行讲解，使学生能够身临其境观察、思考、探索。

对机械设计制造及自动化专业的学生，由于学生主要解决工件的设计和构型，所以要注重强化学生的空间想象能力，对于复杂的物理模型，提示学生从不同角度去观察，即让学生想象模型的正视图，侧视图，剖面图等。例如载流线圈在磁场中的运动，当从不同方向观察线圈中的电流时，呈现的图像有一定区别，让学生从不同观察角度去总结看到的图形的差异化，并且动手能够画出正视图，侧视图，剖面图，进一步增强学生的空间思维能力与作图能力。

对光电信息科学与工程专业的学生，将波动光学[8]这一章内容作为重点章节讲授，不仅要穿插几何光学，而且在介绍光的干涉、衍射等现象时，引入大量工程实例，强化理论知识在实践中的运用。

如图1利用等厚干涉可以测量细金属丝的直径。如果已知入射光垂直水平面入射，波长为λ，测得金属丝到棱外的距离为L，相邻明条纹的间距为Δx，由于劈尖夹角θ很小，故有sinθ≈tanθ=DL，而劈尖夹角θ，相邻明条纹的间距Δx以及入射光波长λ之间关系为sinθ=λ2Δx，可得D=LΔx·λ2。

如图2，通过干涉条纹检测工件表面的平整度，如果工件表面平整，干涉条纹是一组平行于棱边的直线，如果工件表面不平整，则干涉条纹就要弯曲，并且根据条纹的弯曲形状可以判断工件表面是凹陷还是凸出的。