大學(xué)物理教學(xué)中的學(xué)科滲透與融合

張 健 胥 馨 劉紅梅

(空軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部 吉林 長(zhǎng)春 130022)(收稿日期：2016-05-24)

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大學(xué)物理教學(xué)中的學(xué)科滲透與融合

張 健 胥 馨 劉紅梅

(空軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部 吉林 長(zhǎng)春 130022)(收稿日期：2016-05-24)

學(xué)科融合，是現(xiàn)代化教育的關(guān)鍵，是科學(xué)技術(shù)與學(xué)科雙贏的一種新型的教學(xué)模式．飛行人才培養(yǎng)需要學(xué)科交融——培養(yǎng)綜合性、復(fù)合型人才，必然需要走多學(xué)科融合的教育模式．故針對(duì)飛行特色大學(xué)物理教學(xué)學(xué)科融合的方式方法以及對(duì)提高飛行員綜合素質(zhì)的作用做一些探討，進(jìn)而開(kāi)展跨學(xué)科教學(xué)．

學(xué)科融合 飛行特色 物理教學(xué)

隨著高等教育課程改革的深入開(kāi)展，分立的學(xué)科課程體系成為當(dāng)前基礎(chǔ)教育改革的主要問(wèn)題．必須通過(guò)課程體系與結(jié)構(gòu)的整體變革來(lái)應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)教育改革的挑戰(zhàn)．學(xué)科融合，是現(xiàn)代化教育的關(guān)鍵，是科學(xué)技術(shù)與學(xué)科雙贏的一種新型教學(xué)模式．其意義在于有利于促進(jìn)科技的發(fā)展：當(dāng)今科技的發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)于多學(xué)科之間的交叉融合，比如生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展不能僅僅依賴(lài)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)，還必須依賴(lài)數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、信息、環(huán)境、心理學(xué)和工程等不同學(xué)科的協(xié)作．

飛行人才培養(yǎng)需要學(xué)科交融——培養(yǎng)綜合性、復(fù)合型人才，必然需要走多學(xué)科融合的教育模式．實(shí)踐證明，復(fù)合型人才往往產(chǎn)生于學(xué)科的綜合部或交叉點(diǎn)上，如不進(jìn)行學(xué)科融合，就必然影響到高層次復(fù)合型人才的脫穎而出．

物理學(xué)作為一門(mén)最基本的自然學(xué)科，是學(xué)員學(xué)習(xí)后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)．蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法，從文化角度看，物理文化是科學(xué)精神體現(xiàn)的典范，以客觀事實(shí)為依據(jù)、理性的懷疑、求真、求實(shí)作為基本要素．筆者根據(jù)“大學(xué)物理”的教學(xué)實(shí)踐和課程內(nèi)容特點(diǎn)從以下幾個(gè)方面闡述大學(xué)物理教學(xué)中的學(xué)科滲透與融合．

1 教學(xué)內(nèi)容向航理延伸突出飛行特色

對(duì)于飛行特色的大學(xué)物理教學(xué)而言，如何適應(yīng)飛行員綜合素質(zhì)及能力培養(yǎng)，符合空軍貼近實(shí)戰(zhàn)的戰(zhàn)略思想，有針對(duì)性的學(xué)科融合需求成為飛行特色大學(xué)物理教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急．

1.1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與物理相融合

現(xiàn)代的軍用戰(zhàn)斗機(jī)要求越來(lái)越高的機(jī)動(dòng)性能，較高的推重比能賦予戰(zhàn)斗機(jī)很高的垂直機(jī)動(dòng)能力和優(yōu)異的水平加速性能．更高的推重比是每一個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員所夢(mèng)寐以求的．但戰(zhàn)斗機(jī)的推重比在很大程度上受發(fā)動(dòng)機(jī)所限．

我們?cè)跓崃W(xué)部分加入了與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)效率有關(guān)的內(nèi)容．目前應(yīng)用最為廣泛的是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．

圖1 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)的一種，從熱力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)是布雷頓循環(huán)．在高壓下輸入能量，低壓下釋放能量．氣流進(jìn)入燃燒室后，由供油嘴噴射出燃料，在燃料室內(nèi)與氣流混合并燃燒．燃燒后產(chǎn)生的高熱廢氣，接著會(huì)推動(dòng)渦輪機(jī)使其旋轉(zhuǎn)，然后帶著剩余的能量，經(jīng)由噴嘴或排氣管排出．通過(guò)學(xué)習(xí)學(xué)員對(duì)熱機(jī)的工作原理以及效率的提升都有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)后期掌握飛機(jī)構(gòu)造和性能有重要意義．

1.2 飛機(jī)操控與物理融合

飛機(jī)的飛行控制與作用于飛機(jī)上的力矩密切相關(guān)．從物理學(xué)研究物體所受力矩的角度進(jìn)行分析，教學(xué)由分析抽象的桿、滑輪等模型所受力矩的問(wèn)題，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯空鎸?shí)的飛機(jī)受力矩問(wèn)題．討論飛機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)力矩，分析飛機(jī)飛行姿態(tài)和操縱的穩(wěn)定性問(wèn)題，以及產(chǎn)生各種力矩原因和影響力矩變化的因素．幫助學(xué)員后期在飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)中，能夠從物理學(xué)的角度去分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，在大學(xué)物理的教學(xué)中融合飛機(jī)操控與力學(xué)知識(shí)是非常必要的，圖2是飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的三維圖．

圖2 飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

1.3 大氣與物理融合

飛機(jī)的飛行性能在很大程度上取決于飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性．而飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性又與大氣狀況有密切關(guān)系．因此，了解大氣的物理特性和從物理意義上研究空氣和飛機(jī)之間的壓力即空氣動(dòng)力特性很有必要．該部分主要在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)中運(yùn)動(dòng)描述與飛行速度、飛行高度和質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中流體力學(xué)與飛機(jī)的氣動(dòng)特性方面開(kāi)展研究．在物理教學(xué)中引入了飛機(jī)升力、升力公式、影響機(jī)翼升力大小的因素和與升、阻力相關(guān)的飛行案例和計(jì)算應(yīng)用，使學(xué)員認(rèn)識(shí)到物理學(xué)習(xí)與其將來(lái)飛行職業(yè)發(fā)展的密切關(guān)系．同時(shí)，加強(qiáng)了物理與空氣動(dòng)力學(xué)等后續(xù)課程的銜接與過(guò)渡，為學(xué)員進(jìn)一步學(xué)好后續(xù)課程打好物理知識(shí)基礎(chǔ)．

1.4 飛機(jī)動(dòng)力學(xué)與物理融合

研究飛機(jī)性能、飛行軌跡特性時(shí)，常將飛機(jī)視為可控質(zhì)心處理，研究?jī)?nèi)容主要包括飛機(jī)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，平飛、上升、下滑、起落性能，飛機(jī)鉛垂平面內(nèi)、水平平面內(nèi)及空間機(jī)動(dòng)飛行性能． “質(zhì)心、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理”內(nèi)容，飛機(jī)是個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，無(wú)論系統(tǒng)內(nèi)各部分的運(yùn)動(dòng)如何復(fù)雜，但質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)可能相當(dāng)簡(jiǎn)單，只由作用在系統(tǒng)上所有外力的矢量和決定．將這些內(nèi)容與大學(xué)物理課程的“質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)”內(nèi)容相融合，教學(xué)內(nèi)容中融入了航空位置，描述飛行器運(yùn)動(dòng)的常用坐標(biāo)系，飛機(jī)常見(jiàn)機(jī)動(dòng)動(dòng)作，鉛垂平面內(nèi)飛機(jī)各類(lèi)運(yùn)動(dòng)學(xué)例題解析，飛機(jī)質(zhì)心在鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，飛機(jī)定常運(yùn)動(dòng)中直線平飛、直線下滑、直線上升的動(dòng)力學(xué)方程及性能分析，飛機(jī)水平面內(nèi)穩(wěn)定盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程及性能分析等內(nèi)容，圖3是飛機(jī)定常直線下滑受力分析．

圖3 定常直線下滑

2 引入人文思想樹(shù)立科學(xué)世界觀

作為一名合格的飛行學(xué)員，不僅要具備過(guò)硬的軍事、科學(xué)素質(zhì)．同時(shí)還要具有正確的人文情懷．

2.1 正確的世界觀、人生觀

物理學(xué)對(duì)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、相互轉(zhuǎn)化和對(duì)物質(zhì)層次、結(jié)構(gòu)的研究，所揭示出的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律等，都充分體現(xiàn)了世界的物質(zhì)性和物質(zhì)世界的統(tǒng)一性．“作用與反作用”、“分子引力與斥力”、“波粒二象性”、“輻射與吸收”等都是辯證唯物主義“對(duì)立統(tǒng)一”的物理事實(shí)；“物質(zhì)的三態(tài)”“全反射中的臨界角”體現(xiàn)了事物在相互作用與轉(zhuǎn)化中的“量變引起質(zhì)變”等．這些豐富的素材對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)世界觀的作用不容置疑．物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程和物理學(xué)家們的創(chuàng)造經(jīng)歷中，包含了豐富的辯證唯物主義內(nèi)容．通過(guò)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)員正確的世界觀是物理教學(xué)所具有的優(yōu)勢(shì)．

2.2 優(yōu)秀的意志品質(zhì)

引入物理學(xué)發(fā)展史，介紹物理學(xué)發(fā)展蘊(yùn)涵著科學(xué)家的理想與信念以及他們?cè)诳茖W(xué)研究與發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的苦樂(lè)悲歡．在教學(xué)中可以通過(guò)介紹科學(xué)偉人的生平、理想、情操、貢獻(xiàn)，引述他們的名言、警句，分析他們執(zhí)著追求、不畏艱險(xiǎn)、不慕名利等高尚的品格，影響和熏陶學(xué)生的人格發(fā)展．科學(xué)家對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)與執(zhí)著往往與某種信念連在一起．他們之所以能不畏險(xiǎn)阻、頑強(qiáng)探索，往往是建立在他們對(duì)大自然存在著和諧、秩序和規(guī)律的堅(jiān)定信念上，例如支持奧斯特和法拉第作出關(guān)于電磁聯(lián)系思想的，就是他們對(duì)自然力的統(tǒng)一性的信仰與追求．愛(ài)因斯坦也常說(shuō)自己有很深的“宇宙的宗教感情”，這種感情“是對(duì)自然規(guī)律的和諧所感到的狂喜和驚奇”．

2.3 創(chuàng)新精神

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，其關(guān)鍵在人才．在教學(xué)中，以線索貫穿物理知識(shí)，使學(xué)員感受科學(xué)家的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，而且還將科學(xué)探索者的觀測(cè)、困惑、沉思、試探、創(chuàng)新的智慧之光展現(xiàn)給學(xué)員，使他們有思想，有靈魂，有智慧，有教養(yǎng)，有信仰，有理想，成為全面、和諧發(fā)展的創(chuàng)新人才．愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題只需要一個(gè)技巧，而發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題則需要更高的智慧和意識(shí)．”這就是思想創(chuàng)新．引導(dǎo)愛(ài)因斯坦成功的最大動(dòng)機(jī)就是科學(xué)的好奇心和創(chuàng)新性思維．正是這種科學(xué)的好奇心和創(chuàng)新思想引導(dǎo)愛(ài)因斯坦進(jìn)入物理學(xué)的殿堂，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，成為近代物理的奠基人．愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論時(shí)是這樣，李政道和楊振寧提出宇稱(chēng)不守恒時(shí)也是這樣．

2.4 科學(xué)的審美

雖然物理學(xué)本身并不是美學(xué)，但物理學(xué)中蘊(yùn)含了豐富的美學(xué)思想．探討物理學(xué)中的美學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也是一種發(fā)現(xiàn)美、接近美、探索美的過(guò)程．由歷代物理學(xué)家所精心建造的物理學(xué)大廈，它集形式美與內(nèi)容美于一體．具體來(lái)說(shuō)，包括對(duì)稱(chēng)有序之美，如靜電力平方反比定律與萬(wàn)有引力定律的形式對(duì)稱(chēng)；簡(jiǎn)潔和諧之美，如質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程基礎(chǔ)上的牛頓三大定律；統(tǒng)一守恒之美，如動(dòng)量、能量守恒對(duì)空間和時(shí)間變化的守恒．此外，還有物理現(xiàn)象的奇特美，如蒼穹彩虹、海市蜃樓、長(zhǎng)河落日等現(xiàn)象．正如“驚人的簡(jiǎn)單”、“神秘的對(duì)稱(chēng)”、“美妙的和諧”等美學(xué)特征在物理學(xué)中有大量的例證，是物理教學(xué)中滲透人文意識(shí)教育的重要素材．

3 結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)物理教學(xué)既要引導(dǎo)學(xué)生追求科學(xué)精神，又要讓人文思想滲透于科學(xué)學(xué)習(xí)中，理順科學(xué)、自然、社會(huì)和人類(lèi)的關(guān)系，堅(jiān)定地捍衛(wèi)人的感情、欲望和生命的尊嚴(yán)．如何趨利避害，使科學(xué)研究向著有利于社會(huì)和人類(lèi)長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的方向發(fā)展是一個(gè)值得當(dāng)代大學(xué)生深思的問(wèn)題．

創(chuàng)新文化是大學(xué)的崇高使命,大學(xué)對(duì)本民族文化資源的開(kāi)發(fā)、對(duì)外來(lái)文化的引進(jìn)并不是簡(jiǎn)單的繼承與模仿,而是必須結(jié)合新的實(shí)踐和時(shí)代的要求,結(jié)合人民群眾精神文化生活的需要,積極進(jìn)行文化創(chuàng)新．學(xué)科融合通過(guò)對(duì)多個(gè)學(xué)科原有知識(shí)的結(jié)合,產(chǎn)生出不同于原有知識(shí)的新知識(shí),而且所產(chǎn)生的知識(shí)一般是社會(huì)所需求的,促進(jìn)著科技和社會(huì)的發(fā)展．

在我國(guó)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件下,要建設(shè)一流大學(xué),通過(guò)常規(guī)發(fā)展很難實(shí)現(xiàn)．因?yàn)槟阍诎l(fā)展的同時(shí)別人也同樣在發(fā)展,當(dāng)你達(dá)到一個(gè)新的水平時(shí),別人就達(dá)到了一個(gè)更高的層次．因此通過(guò)學(xué)科融合,產(chǎn)生一加一大于二的結(jié)果,使得某一個(gè)或幾個(gè)學(xué)科跨入世界一流,然后以點(diǎn)帶面,最終實(shí)現(xiàn)大學(xué)的跨越式發(fā)展,使我國(guó)若干所大學(xué)進(jìn)入世界一流大學(xué)之列．

綜上所述，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革一直是近年來(lái)大學(xué)物理教學(xué)改革的核心，教學(xué)是先導(dǎo)、方法是條件，然而，無(wú)論如何改革，大學(xué)物理教學(xué)必須從實(shí)際出發(fā)、從學(xué)員的現(xiàn)狀出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行縱向有機(jī)融合，同時(shí)采取靈活多樣的教學(xué)方法，使學(xué)員最大限度地產(chǎn)生長(zhǎng)久的興趣，不斷推進(jìn)大學(xué)物理教育轉(zhuǎn)型．

張健(1977- )，女，副教授，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及研究.