面向“新工科”机械工程专业的大学物理教学改革探索

王 晶,白炳莲

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130000)

当前，制造业基础技术研究能力薄弱已经成为当前制约我国制造业发展的主要瓶颈。培养高素质新型工程复合型人才，是增强制造基础能力方面的科技创新的根本途径。2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。机械工程专业是理论与实践结合较强的应用学科，承担着我国新型工程人才的重要使命，被列入教育部“新工科”专业改革首批专业。

大学物理是高等院校机械工程专业学生的一门重要基础课，其作用是帮助学生进一步构建科学思维，为学生后继专业课程的学习以及学生毕业后在工作和学习中进一步学习新理论、新知识、新技术奠定必要的物理基础[1]。如何根据“新工科”背景下机械工程专业人才培养的要求，调整大学物理理论与实验的内容与教学方式方法，是高校一线教师的重要任务。

1 传统大学物理教学内容特点分析

1.1 理论内容

在综合性高校，大学物理作为公共基础课题由学校统一安排授课，教学内容强调理论体系的完整性，根据教学大纲的要求，按照力学、热学、光学、电学和磁学分类的，每部分教师讲清楚基础知识和典型习题，课后布置习题作业即可。教学内容和教学设计忽略了大学物理与各学科专业的相关性，导致很多专业的大学生认为大学物理的学习对其专业帮助不大，从而对大学物理的学习失去兴趣，课堂气氛和教学效果不理想。机械工程专业学生是支撑我国未来制造业的主力军，是支撑我国制造业创新发展的中坚力量，围绕专业的培养目标形成合适的物理教学体系极为重要。

未来制造科学研究的对象与一般机电产品的设计与制造，其典型特征是多学科交叉，兼具系统性和高度集成性，融入应用多种高新技术[2]，光、机、电及智能技术整合于同一机械装备。在此背景下，作为基础课的大学物理为机械专业学生未来的创新创造能力奠定了理论基础，如何根据机械类专业的特点调整教学内容是“新工科”大学物理教学内容改革的重要课题。

1.2 实验内容

大学物理实验是高校理工科专业本科生必修的公共基础课，是大学物理课程不可分割的重要部分，在培养学生严谨的科学态度、活跃的创新意识及综合应用多学科知识解决问题的能力方面具有其它实践课程不可替代的作用[3,4]。但传统的大学物理实验课程往往忽略了与专业的结合，不能满足在“新工科”背景下根据专业培养学生的要求。以J大学为例，其实验课程分为误差与数据处理、基础性实验(20个)、综合性实验(20个)、设计性实验(7个)、创新性实验(5个)五个部分，由于课程学时安排有限，只能选做部分实验，在选择时未充分考虑专业间的差异[5]。此外，在同一个实验，未根据专业差异做出区别性的引导,学生也无法按照自己的想法进行研究和探索,限制了学生主观能动性，不利于学生综合能力的培养[6]。

对于机械专业而言，需考虑“新工科”对机械类人才创新能力、实践能力培养的要求，与机械类专业教师研讨，确定机械专业在本科阶段未曾涉及、但会在未来工作中用到的相关实验内容，并进一步优化实验教学方法。

2 基于机械类专业课特点优化教学内容与教学方法

2.1 大学物理理论与机械专业课程有序衔接

根据大学物理与机械类专业课程关联度分析可以看出，机械类专业对刚体力学、机械振动、电磁学、热力学等内容需求较多，对于应用面比较广泛的物理知识点，在教学中，结合工程中的实际应用问题，引入专业具体情境，引导学生思考，运用动画和视频辅助演示。在授课过程中，如在讲解刚体转动时，引入飞机的螺旋桨、陀螺仪等，运用物理学的角动量守恒定律详细讲解和分析其原理；在讲解热学部分时引入内燃机、制冷机等，由理论推导其工作效率表达式，讲解如何提高热机效率和调节制冷系数；讲解电磁学时引入各类型传感器和霍尔元件，研究其特性；讲解静电屏蔽的原理，启发学生思考与机械装备相关的应用等。由于大学物理课程通常在低年级设置，但机械专业相关专业课程在大三才涉及。为了解决大学物理与机械专业的课程脱节的问题，在备课时征询机械领域科研水平突出的专家的意见，增加物理与机械专业相关内容的联系。

2.2 强化物理课程与机械类专业课程的紧密联系，调整教学方法

在很多学生的认知里，参与物理课程的学习仅是为了完成学分，这使得学生对大学物理学习兴趣处于被压制状态，学习主动性不够，学习效果欠佳。实际上，工业领域重大装备的制造，大多涉及机械、力学、数学、物理学、材料学、计算科学、信息科学等多个学科的交叉与融合。其中，大学物理作为机械专业基础课程，是学生获得力、热、光、电、磁五大理论知识的系统课程，对其职业生涯中从事科研或工业产品设计制造非常重要。在学习过程中穿插相关问题及解决方案，会快速激发学生的学习兴趣。

以机械振动一章的讲解为例。在教学过程中穿插“虎门大桥异常抖动”实际案例：我国的桥梁制造技术世界第一，在排名世界前十的高桥里，中国曾经占有8座，而在世界上排名前100的高桥中，加上名次并列的部分桥梁曾共有113座桥梁，中国独占了94座。而且在剩下的19座中，还有2座是中国与其他国家合作建造的。但是，2020年5月5日广东虎门大桥发生异常抖动，悬索桥桥面晃动明显。其原因并非桥梁的设计刚度不够或是制造环节的问题，而是由于桥梁两边放置的临时防撞挡墙改变了大桥的气动外形，引起的涡激振动。结合该实际案例引出涡激振动的产生原因，即细长构件在地面风的作用下，其后方会产生周期性的旋涡脱落，构件上会产生横向的周期性脉动力，以及流向的随机脉动力，从而激起结构振动，结构振动又会改变尾流，造成流体与结构相互作用，形成涡激振动。当周期性力的频率和构件固有频率接近或相等时，构件出现大幅共振，并产生锁定现象，即构件的自振频率控制了涡脱落的频率，产生涡激共振，这时对构件的连接部位产生很强的破坏作用。在此基础上，讲解涡激振动的控制措施，即机械措施和流动控制两种。这种将实际工程问题穿插于大学物理教学的方式，使学生认识到物理学习的重要性，又能激发学生的求知欲望。

2.2 物理实验内容针对机械专业靶向设置

大学物理实验是机械、材料、农机、通讯、电子等理工科专业的基础课程，很多高校在开设大学物理实验课程时，项目往往统一安排，未考虑专业差异。新工科“机械类”专业更加重视培养学生的创新能力、跨界整合能力。根据机械类专业的特点，调整实验教学内容，可有效消除学生认为大学物理实验与其专业不相关的消极心理，有利于激发学习兴趣，奠定物理学习对专业学习的基础。具体通过如下方式实现：

基础性实验总数不变，根据机械类专业特点精选并压缩必做实验内容，增加选做内容。由物理教研室确定力学基本仪器与训练、电学基本仪器与训练、光学基本仪器与训练、电子基本仪器与训练、电桥测电阻、数字示波器的原理与使用等涉及一些设备仪器的必做实验，此外，通过与机械专业教师通过教研会的形式确定部分必做实验。最后预留足够学时数，利用现有的仪器进行创新设计性实验，实验教师评价其创新性。这种方式不仅提高了学生学习主动性，增强了创新能力，有效避免了抄写原理和操作步骤、处理实验数据等程式的实验模式，显著增强学生学习参与性，提高了创新和动手能力，部分学生还获批了大创项目。

以风力发电实验为例。该实验在大学物理实验教材中是设计类实验，实验的意义与目的是：掌握风力发电的原理及风能转化为电能的原理与方法，了解风力机叶片翼型对风能的影响，实验室配备可变桨距三叶螺旋桨、风帆型三叶螺旋桨及平板型四叶螺旋桨。实验内容与要求是：设计实验方法、步骤，测量风速、螺旋桨转速和发电机感应电动势之间的关系；测量扭曲型可变桨距三叶螺旋桨的功率系数Cp与叶尖速比λ之间的关系；测量在控制叶尖速比调节和固定转速调节两种功率调节方式下，切入风速到额定风速区间的输出功率随风速的变化关系；测量变桨距调节下输出功率随风速的变化关系[4]。为了提高学生的创新和动手实践能力，在此基础增加创新设计的内容，即设计新型的桨叶，同等风速下输出功率须高于实验模型。增加该内容后，实验效果超出预期。由于机械专业大二的学生均已学过CATIA等三维造型软件，学生均能够设计外形各异的风力机桨叶，部分同学还通过查阅文章将仿生技术用于叶片的设计，如叶片前缘设计成座头鲸鳍状肢前缘波浪结构，后缘设计模仿鸮类降噪的后缘锯齿结构，均通过3D打印完成了样件制作。尽管不是所有学生设计制造的桨叶均有提高风能捕获效率的作用，但学生的学习效果显著提高，同时还提高了创新能力。

3 优化考核方式，促进大学物理与机械工程专业融入

理论课程方面，在传统以期末成绩为主，以出勤率及课后作业完成情况为辅的评价模式的基础上，适当增加对针对机械工程专业的课堂讨论、学习通发布思考题和讨论题，并撰写物理知识在机械专业中的应用的小论文，培养学生科研的基础能力。在文章的撰写过程中不仅可以加深学生对物理理论知识的理解，还能使学生对于物理与本专业的关系有更深层面的认识，改变他们对物理学习的态度及茫然，为以后的研究生学习及工作学习方法的探索打好基础。

实验课程方面，过去实验课评价方式较为单一，根据实验报告给定成绩，对试验过程和实验效果很难给出有效评价。通过实验内容的改革，增加创新设计实验，教师可根据最终的设计效果通过实验教师团队评分的形式给出评价，避免了物理实验流于形式的问题。

4 结 语

我国制造业正处于从“中国制造”向“中国创造”迈进的关键阶段，需要大量高层次复合型创新人才。机械工程是作为制造业人才培养的核心专业，承担重要任务。大学物理是与机械工程专业的联系最为紧密的基础课程，结合机械工程专业的特点，有针对性的改革教学内容与教学方法极为紧迫。文章从理论教学、实验教学开展的教改尝试对大学物理与机械专业相融合起到了较为显著的促进作用，值得以此为方向探索更为有效的教改方法。