課堂教學(xué)中物理工程教育素材的開發(fā)與融入

李海寶 任常愚 金永君 丁宏偉 郭鐵梁

(黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

課堂教學(xué)中物理工程教育素材的開發(fā)與融入

李海寶 任常愚 金永君 丁宏偉 郭鐵梁

(黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

分析了工科物理課堂教學(xué)中,在“大工程”教育理念下,融入工程教育素材的必要性,介紹了工程教育素材開發(fā)的若干種途徑,探討了融入工程教育素材的方式方法.

大工程;大學(xué)物理;工程教育素材;課堂教學(xué)

1 引言

2010年7月我國正式頒布了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》,“提升高等教育質(zhì)量”為該教育規(guī)劃綱要設(shè)計(jì)的10個(gè)重大項(xiàng)目之一[1].“高等教育質(zhì)量的提升”對我國高等工科教育而言,意味著工程科技人才質(zhì)量的提升.作為一所以工為主的普通高校,2005年我校就正式提出了“大工程”教育理念.5年來,基于這一理念,我校的理工類主要課程進(jìn)行了相應(yīng)的頂層設(shè)計(jì)和教學(xué)改革.作為理工科重要的基礎(chǔ)課,大學(xué)物理也通過積極的教學(xué)改革,努力促使教學(xué)質(zhì)量滿足工程科技人才質(zhì)量提升的需要.

2 “大工程”理念下物理課堂教學(xué)中開發(fā)和融入工程教育素材的必要性

援引我校校長趙國剛同志在《中國高等教育》發(fā)表的《樹立“三大”教育理念改善應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)》一文中的論述,所謂“大工程”教育理念,是以工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo),以實(shí)踐為背景,以工程為主線,著力于學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),將工程教育、自然科學(xué)教育、人文社會科學(xué)教育相融合的現(xiàn)代工程教育觀[2].我們知道,在每名工程科技人才的知識和能力結(jié)構(gòu)中,大學(xué)物理知識都占據(jù)重要位置.因此在物理課堂教學(xué)中,深入實(shí)踐“大工程”理念責(zé)無旁貸.作為實(shí)踐的第一步,開發(fā)和融入工程教育素材是必要的.

2.1 開發(fā)和融入工程教育素材是彰顯物理課程性質(zhì)的需要

物理工程應(yīng)該理解為物理科學(xué)和數(shù)學(xué)在工程上的某種應(yīng)用.通過這一應(yīng)用,使自然界的物質(zhì)和能源的特性,通過各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、系統(tǒng)和過程,以最優(yōu)的方式成為對人類有用的東西.物理課程自身具有濃厚的工程色彩,絕大部分物理學(xué)定理定律來源于人們的工程實(shí)踐,并反復(fù)經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)而不斷完善.

由于物理知識是自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ),滲透于生活、生產(chǎn)、人類科技文明和社會進(jìn)步的方方面面,能夠從現(xiàn)實(shí)生活中搜集到的、未經(jīng)整理加工的、感性的、分散的原始材料,諸如圖文、影像、實(shí)物、模型、案例等十分豐富.這些原始材料,經(jīng)過集中、提煉、加工和改造,融入到課堂教學(xué)中,就成為物理工程教育素材.在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,融入工程教育素材、結(jié)合實(shí)踐講授理論知識,一方面是遵循教育原則中理論聯(lián)系實(shí)際的需要;另一方面也使理論知識血肉充實(shí)、相得益彰.

2.2 開發(fā)和融入工程教育素材是培養(yǎng)與國際接軌的工程師的需要

據(jù)麥肯錫咨詢公司(Mc Kinsey Global Institute)的研究報(bào)告統(tǒng)計(jì),我國的工科畢業(yè)生只有不到10%適合在跨國公司工作[3],其中的原因?yàn)椤爸袊逃到y(tǒng)偏于理論,中國學(xué)生幾乎沒有受到project和團(tuán)隊(duì)工作的實(shí)際訓(xùn)練,相比之下歐洲和北美學(xué)生以團(tuán)隊(duì)方式解決實(shí)際問題”.

單純從物理課堂教學(xué)的作用來看,的確很難給學(xué)生“project”方面的實(shí)際訓(xùn)練,但卻可以幫助學(xué)生樹立“project”意識.在課堂教學(xué)中通過融入反映物理原理應(yīng)用的工程實(shí)例、工程背景、科技成果等工程教育素材,可以幫助學(xué)生樹立將來從事工程科技工作,從物理的角度尋找所遇到問題解決方案的意識,這是學(xué)生成為與國際接軌工程師的必備能力.

2.3 開發(fā)和融入工程教育素材是激發(fā)學(xué)習(xí)大學(xué)物理動機(jī)的需要

興趣是最好的老師.雖然大學(xué)物理課程的地位和作用是十分重要的,但是很多學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)所表現(xiàn)出來的興趣卻不如學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)和英語.當(dāng)然這里有一定的功利性因素,更有過多強(qiáng)調(diào)知識體系的理論性而輕視工程實(shí)踐方面的因素.融入工程教育素材的課堂,由于課堂上所講授的內(nèi)容因其豐富并帶有工程實(shí)踐的色彩,將增強(qiáng)課堂的吸引力,有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.實(shí)際上,這樣做比較接近美國著名哲學(xué)家、教育家杜威的“做中學(xué)”教育理論.從做中學(xué)是比單純地從聽中學(xué)更好的學(xué)習(xí)方法[4].

3 可融入課堂教學(xué)的工程教育素材的挖掘途徑

3.1 在日常生活中尋找工程教育素材

從日常生活中尋找工程教育素材,所獲得的素材最容易受到學(xué)生的認(rèn)可.如在講解電磁感應(yīng)定律時(shí),生活中電磁爐、日光燈、電源變壓器等的工作原理和實(shí)物(圖文),即是非常理想的工程教育素材;又如講解熱力學(xué)定律時(shí),將電冰箱、冰柜、空調(diào)等工作原理和實(shí)物(圖文),也是非常理想的工程教育素材.

歸結(jié)起來,來自生活中可能為物理課堂教學(xué)提供工程教育素材的領(lǐng)域包括:家用電器、交通工具、音樂體育,以及電子通信等諸多方面.事實(shí)上,只要我們仔細(xì)觀察生活,注意生活中的物品與物理原理的某種聯(lián)系,就可能獲得豐富的工程教育素材.

3.2 在復(fù)雜工程系統(tǒng)中尋找反映物理原理應(yīng)用的素材

我們知道運(yùn)載火箭是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其工作原理涉及機(jī)械、自動控制、計(jì)算機(jī)、物理、力學(xué)、化學(xué)等學(xué)科.單就其所涉及的物理原理而言,也包括動量定理、相對運(yùn)動、熱力學(xué)定律,以及各種傳感器工作的物理原理,等等.在課堂教學(xué)中,無論是在力學(xué)部分的變質(zhì)量牛頓力學(xué)內(nèi)容中,還是在熱力學(xué)定律內(nèi)容中,均可以將火箭作為工程應(yīng)用的例子,只是側(cè)重的方面不同.類似的例子還有汽車工程、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)等.

值得一提的是,將復(fù)雜系統(tǒng)中體現(xiàn)某一方面物理的素材融入到課堂教學(xué)中,一方面可以切實(shí)提高學(xué)習(xí)效果;另一方面也使學(xué)生對復(fù)雜系統(tǒng)工程形成一個(gè)這樣的認(rèn)識,即復(fù)雜系統(tǒng)工程是由若干個(gè)簡單系統(tǒng),以及這些簡單系統(tǒng)的緊密聯(lián)系所組成.這對學(xué)生工程意識的培養(yǎng)很有幫助.

3.3 從學(xué)生的后續(xù)課程中尋找工程教育素材

大學(xué)物理是工科學(xué)生后續(xù)課程的基礎(chǔ)課,在內(nèi)容上存在一定的交叉性和延續(xù)性.在電類專業(yè)中,有一門傳感器方面的課程.仔細(xì)研究我們可以發(fā)現(xiàn),相當(dāng)多的傳感器其工作原理與物理基礎(chǔ)理論直接相關(guān).顯然,講解某一物理原理時(shí),合理地使用運(yùn)用這一原理工作的傳感器方面的工程教育素材,一方面可以加深學(xué)生對所學(xué)知識理論的理解;另一方面由于理論與工程應(yīng)用的直接結(jié)合,能夠幫助學(xué)生樹立工程意識,達(dá)到學(xué)以致用的目的.此外,將后續(xù)課程中的某些知識作為工程素材,還促進(jìn)了知識的銜接和緊密聯(lián)系。

4 課堂教學(xué)中物理工程教育素材的融入

4.1 利用工程教育素材構(gòu)造物理知識的誕生背景和展示應(yīng)用前景

物理學(xué)中的每個(gè)知識點(diǎn)的誕生一般有其時(shí)代背景和技術(shù)背景.利用工程教育素材并借助現(xiàn)代多媒體技術(shù),可以再現(xiàn)相應(yīng)知識點(diǎn)的誕生的背景,而通過背景的再現(xiàn),新知識的引入便順理成章.電容和電容器有關(guān)內(nèi)容是電場理論中的重要組成部分,電容器的誕生就有其背景.18世紀(jì)科學(xué)家們?yōu)榱搜芯侩姮F(xiàn)象的本質(zhì),在技術(shù)上需要將大量電荷暫時(shí)儲存起來,于是萊頓瓶誕生了,這就是最早的電容器.它的誕生,是一種技術(shù)需要,它凝結(jié)了荷蘭物理學(xué)家馬森布魯克、法國電學(xué)家諾萊特、美國物理學(xué)家富蘭克林等的努力.如果我們對這些相關(guān)素材加以歸集和整理,有多媒體技術(shù)的配合,融入到課堂教學(xué)當(dāng)中,無疑會提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

與構(gòu)建背景知識的工程教育素材相比較,展示物理新知識和理論的應(yīng)用的素材則更加豐富.恰當(dāng)融入基于該知識點(diǎn)的工程應(yīng)用實(shí)例,則向?qū)W生傳遞了物理原理是工程技術(shù)基礎(chǔ)這一信息.仍以電容器內(nèi)容為例,電容器有關(guān)理論在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用則更加豐富多彩:一方面電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一,廣泛應(yīng)用于耦合、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、傳感等方面;另一方面,超級電容器正在成為電容器制造一個(gè)發(fā)展方向,而超級電容器是今天大力發(fā)展的新能源汽車的重要部件.通過這些素材的融入,使學(xué)生及時(shí)了解了物理原理在工程技術(shù)中的應(yīng)用的動態(tài)和發(fā)展前景.

4.2 在設(shè)計(jì)和講授例題過程中融入物理工程教育素材

在清華大學(xué)等六院校制作的工科物理題庫中有一道有關(guān)子彈射入沙土的問題,原題內(nèi)容如下[5]:

質(zhì)量為m的子彈以速度v0水平射入沙土中,設(shè)子彈所受阻力與速度反向,大小與速度成正比,比例系數(shù)為 K,忽略子彈的重力,求子彈射入沙土后,速度隨時(shí)間變化的函數(shù)式,以及子彈進(jìn)入沙土的最大深度.

筆者將這一題目作為例題講授給學(xué)生,并深入挖掘該問題背后所蘊(yùn)涵的工程應(yīng)用背景.那么子彈射入沙土問題背后能夠融入工程教育素材的有哪些呢?首先,我們會想到子彈速度的測量問題.剛出槍膛的子彈由于飛行快而速度大小難以測量,但若能巧妙運(yùn)用我們已學(xué)的知識則可解決這一難題.子彈射入沙土問題可以為我們提供一種測量子彈速度的思路.由 xmax=m v0/K(例題中子彈進(jìn)入沙土的最大深度的計(jì)算結(jié)果)可知,設(shè) v0為子彈初速度,即為要測量的對象,則可以先測量xmax,而子彈的質(zhì)量視為已知自然條件,比例系數(shù)K為與射入目標(biāo)(沙土)材料性質(zhì)有關(guān)的一個(gè)自然常數(shù),這樣就在理論上實(shí)現(xiàn)了子彈速度的測量.其次,我們能夠從子彈射入沙土的最大深度問題遷移到跳水池水深的設(shè)計(jì)問題.

需要指出的是,子彈速度的測量有很多簡單而巧妙的方法.子彈射入沙土問題提供的測量子彈速度的方法并非最先進(jìn)和工程上選用的測量方法,這里結(jié)合問題營造的工程教育背景,主要還是為了激發(fā)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的興趣,進(jìn)而突出變力作用下,牛頓運(yùn)動定律的應(yīng)用問題.

4.3 結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)融入物理工程教育素材

演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中,在提高教學(xué)效果方面的地位和作用是不言而喻的.“現(xiàn)象”是物理學(xué)的根源,“探索”是演示的靈魂[6].恰當(dāng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)可以有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和工程意識.相當(dāng)多的演示實(shí)驗(yàn)就是復(fù)雜工程技術(shù)的一個(gè)簡化模型.如果教師在運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)講解定理定律時(shí),能夠加以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo),學(xué)生將通過其所看到演示實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)象,了解相應(yīng)物理原理在工程技術(shù)中的應(yīng)用.

在光纖通信演示儀器中,利用特制的、彎曲的玻璃柱來充當(dāng)模擬光纖,使用時(shí),使激光筆發(fā)光從模擬光纖的一端入射,調(diào)整角度,使光從光纖的另一端出射,這時(shí)可以清楚地看到入射時(shí)的光斑.通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生就會知道可見光信號由光纖傳遞的過程,加深學(xué)生對光纖傳輸?shù)睦斫?在工程技術(shù)上,能限定和引導(dǎo)電磁波在長度方向上傳播的管道,被定義為波導(dǎo),而用于傳輸光信號的波導(dǎo)稱為光波導(dǎo)[7].顯然,光纖是一種常見的光波導(dǎo).結(jié)合該演示實(shí)驗(yàn)可以適當(dāng)融入光波導(dǎo)的有關(guān)工程教育素材,可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)物理理論與工程技術(shù)的對接.如果學(xué)生將來從事光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)工作,這些課堂教學(xué)中融入的工程教育素材,就為他積累了一定的理論基礎(chǔ)和感性認(rèn)識.

5 結(jié)論

2010年,我校在工科教學(xué)中,已經(jīng)開始實(shí)行“3+1”教學(xué)模式.這種創(chuàng)新教育模式是和近年來國際高等工科教育的發(fā)展理論接軌的,是獨(dú)具我校特色的“CDIO”.“3+1”教學(xué)模式下 ,學(xué)生在“做中學(xué)”的時(shí)間累計(jì)將超過1個(gè)學(xué)年,以突出“大工程”、“大實(shí)踐”教育理念.在強(qiáng)化學(xué)生工程和實(shí)踐能力的背景下,大學(xué)物理課堂教學(xué)中,深入開發(fā)和加大融入工程教育素材,是改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、幫助學(xué)生樹立工程和實(shí)踐意識的必要舉措.實(shí)踐證明,積極開發(fā)與物理知識相對應(yīng)的工程教育素材,并將它們合理地融入到課堂教學(xué)中,學(xué)生普遍歡迎,學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識更加扎實(shí),工程和實(shí)踐意識得到強(qiáng)化,最終對提升工程科技人才的質(zhì)量提升起到積極作用.

[1] 新華網(wǎng).國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].北京:新華社,2010.07.29

[2] 趙國剛.樹立“三大”教育理念改善應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)[J].中國高等教育,2006,(23):29～30

[3] 顧佩華,沈民奮,李升平等.從 CDIO到 EIP-CDIO——汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究,2008,(1):12～19

[4] 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008,(3):1～9

[5] 教育部高等教育司組.工科大學(xué)物理課程試題庫(第二版)[DB/CD].北京:清華大學(xué)出版社,2003.11

[6] 陸汝杰,宋志懷,吳於人.充分利用物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生探究未知的能力[J].物理與工程,2010,20(5):10～12

[7] 丁么明,宋立新,余華清等.光波導(dǎo)與光纖通信基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2005

2011-02-23)

黑龍江科技學(xué)院青年才俊計(jì)劃資助項(xiàng)目;黑龍江科技學(xué)院教學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目.

李海寶(1978年出生),男,黑龍江肇源人,碩士,副教授,黑龍江科技學(xué)院首屆當(dāng)選青年才俊.