大学物理教学中工程教育的融入

一、卓越计划下的大学物理课改简介

“理为工之本，工为理之用”[2]，物理学是工程技术的基础，对提升学生科学素养有重要的作用。以培养大学生的工程创新能力为目标，提高大学物理教学质量是“卓越计划”对当前大学物理教学改革提出的新要求。在大学物理教学中融入“工程教育”是适应这一要求的重要基础。在大学教学中加强工程教育，激发学生的兴趣、培养学生的工程意识，以期在工程技术人员理解新原理，掌握新技术方面发挥重要的作用。

二、工程实例与物理教学的融合

作为高等院校工科各专业的必修基础课，传统的大学物理学较为重视知识体系的完整性、严密性和原理的逻辑推理，这对培养学生的逻辑思维能力有很大帮助，但这种偏重理论化推理的物理教学，启发有余而创新不足，忽略了工科专业学生对物理原理在实际工程技术中的应用这一求知需求。为了实现大学物理教学的工程教育目的，在教学过程中适当地引入工程实例是一种有效途径。工程实例的引入可以在大学物理教学中无所不在，比如物理原理的讲解，例题演示，以及课后习题等。工程实例的引入一方面要与物理知识点紧密相关，另一方面也要具有真实性，能激发学生的兴趣。当前国内物理教材中往往只列举几个典型的工程应用例子，难以激发学生的兴趣，甚至对物理原理在其中的具体应用过程也是一语带过，不提取模型也不解释原理，学生难以理解理论原理到工程技术的应用。相比国内教材，国外大学物理教材中物理知识与生活、体育、工程技术的工程实例联系就紧密得多。比如《哈里德大学物理学》中一道习题：“一架喷气式战机重达231kN，需要达到85m/s的空速才能起飞。战机发动机最大可提供107kN的推力，但并不足以让战机在短短90m的航母甲板跑道上达到起飞速率。”一个简单的力学物理题，穿上一件漂亮的工程“外衣”，未给教学添加负担，反而趣味倍增。工程实例的引入要注意全面，不能以偏概全。生活和工程中的物理构成有些对人类有利，有些对人类不利，但背后都有物理规律的支配。比如振动学中，许多教材都列举了共振引起桥梁坍塌的事故，让学生认识振动的威力。如果教学进程到此为止，学生对共振的的理解可能会产生误会，认为振动现象在建筑中只有“弊”而无“利”。实际上，许多现代桥梁和建筑物的防振减振工程项目都是“以其人之道，还治其人之身”，比如安装于台北101大厦的全球最大的“调谐质块阻尼器”，利用共振来消除大厦的振动以保障安全。只有客观而周到地对工程实例进行讨论，才能让学生对物理原理的理解及其应用有更全面的认识。由于没有现成的工程实例，需要教师收集和撰写相关的材料。工程实例的收集可从文献、国内外优秀教材中，甚至是时事新闻中筛选、汲取适当的题目。比如让国人振奋和骄傲的我国第一艘航母“辽宁号”及其成功起降的歼15舰载机，其中就有物理中力热光电各方面基本原理的大量应用。积少成多，集腋成裘，当前的通讯信息十分发达，可以多渠道、多途径地获取工程实例。

三、专业课程与大学物理的对接

大学物理学作为理工各专业的基础课，在夯实学生的基础知识，培养学生的逻辑思维和创新意识上有共同的作用，但不同专业对具体物理知识的学习也有不同的要求。目前大学物理的内容体系主要包括牛顿力学、热力学、电磁学、波动光学，以及相对论和量子力学等，内容较多，且物理学也在不断取得新进展。但在实际教学中，大学物理的学时却在不断缩减。针对这样的局面，如何实现大学物理的工程教育？首先要根据专业特点对物理教学内容有所侧重。大学物理教学可根据工科各专业的特点，对知识体系进行调整和优化，在制定教学计划时，集合相关专业的特点和后期专业课学习的延续性，在保持物理内容体系完整的情况下，对相关内容进行调整，并进一步拓展优化。比如，对机械类专业侧重于力学、热力学、电磁学等；对电类专业侧重于电磁学、光学和近代物理等。机械类专业都有理论力学和材料力学等专业基础课，如何在牛顿力学的教学中对相应概念和规律进行拓展，为相关课程做好铺垫，是物理课堂上一个值得探讨和尝试的课题。当前许多高校大学物理授课根据专业分班，也为这一设想提供了有利条件。

四、综合物理课程的开设设想

随着时代的发展与技术的进步，社会对复合型人才的需求越加明显。当前的大学物理课，教学内容往往局限于经典物理部分，为了弥补物理教学的不足，同时提升工科学生对高等教育工程技术中物理知识的认识，可对高年级学生开设一门物理相关的专业选修课，暂且命名为“综合物理”。综合物理课程的教学内容应侧重于专业课程的补充和现代科技的普及两方面内容。物理学不仅是各工程学科的基础，也是新技术新理论的基础，广泛地应用在不同专业领域。在综合物理中，可结合专业课程的设置，对相关专业的许多领域进行介绍。如当前大学物理中的振动学主要服务于后续的机械波及波动光学的教学；而在综合物理中，我们可为此基础设置和机械加工相关的防振、消振的工程应用内容；对于后续的波动光学，可设置和机械加工相关的工程光学内容。专业的交叉和融合方面，比如可在综合物理中讲授物理学的新进展、工程上的新应用及技术的展望，等等。综合物理课程在国内各高校中目前尚无样本示范，学校可通过开设公共选修课，逐渐将其纳入专业选修课的体系当中。综合物理课程的开设一举多得，既可解决大学物理课时减少带来的教学不足，又可改变学生对物理学的认识，激发学生的兴趣，加深学生对物理知识在工程技术中的应用理解能力，提高学生的综合工程素质。目前，大学物理在教学手法上有很多成熟的改进措施。笔者认为，改革的根本在于内容的改革，应以提高学生的素质为基础，突破传统模式，采取更为大胆的形式来推进大学物理教育。同时加强学生工程素质的教育，并采取新的课程设置，会对物理教学改革有着积极的推动和发展作用。

作者：杨俊涛 黄海铭 张传坤 单位：湖北汽车工业学院理学院