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摘要：物理學(xué)是天文學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)等眾多學(xué)科的基礎(chǔ)。物理學(xué)的美妙之處在于，用簡單的物理理論，以及少量的基本概念、方程和假設(shè)，就可以解釋和探索萬千世界中的各種現(xiàn)象，并能直達(dá)事物的本質(zhì)。大學(xué)物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的理工科本科生必修課程，在教學(xué)中適當(dāng)選擇物理案例可以讓學(xué)生了解物理學(xué)在生活中的應(yīng)用和體現(xiàn)，明白物理源于生活、用于生活，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的美妙之處。該文根據(jù)學(xué)生的專業(yè)情況、物理基礎(chǔ)和興趣愛好等，淺析物理教學(xué)案例內(nèi)容的選擇。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；大學(xué)物理；教學(xué)案例

幾個世紀(jì)以來，為了節(jié)省時間、提高效率，人們一直在努力尋找更為高效的方法來完成任務(wù)，這也是科技發(fā)展的原動力之一。時至今日，人類在科技領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步?？萍冀o了我們更快捷的溝通交流方式，也要求人們具備更高水準(zhǔn)的知識和技能，不斷學(xué)習(xí)新的理論知識、技術(shù)和工作技能等。大學(xué)物理這門課程內(nèi)容體系龐雜，是國內(nèi)外理工科本科生的公共基礎(chǔ)課。但課程教學(xué)時間又十分有限，如何高效利用課堂教學(xué)時間是一個極其現(xiàn)實的問題。大學(xué)物理包括力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)、相對論等內(nèi)容。力學(xué)關(guān)注物體的運動；熱力學(xué)處理具有大量粒子的系統(tǒng)的熱、功、溫度和統(tǒng)計行為；電磁學(xué)涉及與電、磁和電磁有關(guān)的領(lǐng)域；光學(xué)研究光的行為及其與材料的相互作用；相對論主要描述物體高速運動下的相關(guān)理論；量子力學(xué)主要研究微觀粒子行為的理論。在大學(xué)物理課堂教學(xué)過程中，如何訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神和獨立解決問題的能力，一直是一個值得探究的問題。這一系列目標(biāo)的實現(xiàn)，都要以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為基礎(chǔ)。課堂教學(xué)和實驗演示能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)對課堂教學(xué)時間的高效利用。物理實驗是幫助學(xué)生理解物理概念和定理定律、解釋物理現(xiàn)象本質(zhì)的有效途徑，許多學(xué)生對物理實驗非常感興趣，但由于實驗儀器數(shù)量有限，而學(xué)生需求量大，大多數(shù)高校都無法同步進(jìn)行大學(xué)物理的理論課程教學(xué)與實驗教學(xué)，只能讓學(xué)生交替進(jìn)行實驗。在大學(xué)物理課堂教學(xué)過程中，教師可以采用演示實驗的方式填補實驗的空缺，幫助學(xué)生理解物理概念、定理定律等內(nèi)容。如果演示實驗條件受限，也可以借助適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)案例，對大學(xué)物理實驗及演示實驗進(jìn)行補充，這有助于加強(qiáng)學(xué)生對物理現(xiàn)象、物理原理的認(rèn)識和理解。以下針對教學(xué)案例內(nèi)容的選擇問題，談?wù)劰P者在實際教學(xué)過程中的體會。不同專業(yè)學(xué)生未來的就業(yè)方向可能存在較大差異，平日里他們的關(guān)注點往往也大不相同。例如，機(jī)電學(xué)院的學(xué)生對汽車的驅(qū)動與制動、極限加速度和極限速度等機(jī)械類問題非常感興趣；光電專業(yè)的學(xué)生熱衷于討論全息成像、激光干涉等與光學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實驗現(xiàn)象；化工及材料學(xué)院的學(xué)生注重觀察事物的物理化學(xué)變化過程。不同專業(yè)學(xué)生的關(guān)注點不同，其學(xué)習(xí)的側(cè)重點也有所差異。華僑大學(xué)結(jié)合各個專業(yè)的學(xué)科特點和各個學(xué)院的實際需求，對大學(xué)物理課程內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分類。將一些章節(jié)設(shè)為所有專業(yè)學(xué)生必修內(nèi)容，例如質(zhì)點運動學(xué)、質(zhì)點動力學(xué)、靜電場、穩(wěn)恒磁場、機(jī)械振動、波動及光學(xué)等；部分章節(jié)允許學(xué)生選修，例如化學(xué)與制藥工程、生物工程與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生可以選修剛體力學(xué)、交變電場、電磁感應(yīng)等章節(jié)的內(nèi)容，人工智能、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生可以選修熱力學(xué)章節(jié)內(nèi)容。要明確學(xué)生的興趣和優(yōu)勢，根據(jù)學(xué)生不同的專業(yè)、物理基礎(chǔ)和興趣愛好，在大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的講授上有所區(qū)分。

1依據(jù)學(xué)生專業(yè)選擇教學(xué)案例

1.1功能材料專業(yè)

功能材料專業(yè)的學(xué)生在材料制備實驗室經(jīng)常見到球磨機(jī)，球磨機(jī)可將塊體樣品快速制成粉末狀樣品，方便進(jìn)一步表征樣品性質(zhì)。球磨機(jī)的核心組件是一個圓筒及里面的數(shù)個鋼球，當(dāng)圓筒被電動機(jī)驅(qū)動而繞軸高速旋轉(zhuǎn)時，鋼球會被拋至一定高度，隨后脫離圓筒壁落下與塊體樣品碰撞，從而將樣品擊碎。經(jīng)過多次反復(fù)碰撞，塊狀樣品可以成為顆粒均勻的粉末狀樣品。球磨機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速是球磨機(jī)運行過程中的一個重要參數(shù)，利用圓周運動相關(guān)知識可以計算出這一參數(shù)的理論值。對圓周運動理論知識的學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對球磨機(jī)工作原理的理解，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試和操控球磨機(jī)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

1.2電子信息工程專業(yè)

電磁學(xué)是電子信息工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，大學(xué)物理課程中電磁場這一章節(jié)對于該專業(yè)學(xué)生而言也格外重要。在授課過程中，教師可以將目前科學(xué)界對地球磁場形成的觀點作為案例引入課堂。雖然地球的磁場模式與地球深處的條形磁鐵產(chǎn)生的磁場模式相似，但地球磁場不是來源于大量的永久磁化材料。地球上確實有大量的鐵礦床，但地核的高溫使鐵磁無法保持永久磁化的性質(zhì)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，地球磁場的真正來源更有可能是地核中的對流。在液體內(nèi)部循環(huán)的帶電離子或電子可以產(chǎn)生磁場，就像電流回路一樣。行星磁場的大小與行星的自轉(zhuǎn)速度有關(guān)。木星的自轉(zhuǎn)速度比地球快，太空探測器發(fā)現(xiàn)，木星的磁場比地球的強(qiáng)；金星的自轉(zhuǎn)速度比地球慢，它的磁場也更弱。玄武巖是一種含鐵的巖石，由海底火山活動噴出的物質(zhì)形成。隨著熔巖冷卻，它會凝固并保留與地球磁場方向相關(guān)的信息圖樣。玄武巖提供的一些證據(jù)證實，在過去一百萬年里，磁場的方向已經(jīng)反轉(zhuǎn)了幾次。通過其他科學(xué)方法確定這些巖石產(chǎn)生的年代，就可以發(fā)現(xiàn)這些磁場周期性反轉(zhuǎn)的時間?；魻栃?yīng)這一重要的實驗現(xiàn)象也可以進(jìn)行演示。當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場中時，會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電位差。這一現(xiàn)象由EdwinHall（1855—1938）在1879年首次觀察到，因此被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是由于電荷載流子受到磁力而偏轉(zhuǎn)到導(dǎo)體的一側(cè)而產(chǎn)生的?；魻栃?yīng)可以提供有關(guān)電荷載流子符號及其密度的信息，還可用于測量磁場的大小。

1.3光電專業(yè)

中學(xué)階段學(xué)生接觸的主要是與幾何光學(xué)相關(guān)的光學(xué)知識。而在大學(xué)物理課程中，光學(xué)部分涉及光的干涉、衍射、偏振等波動光學(xué)內(nèi)容。光電專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)比較熟悉一些常見的光學(xué)現(xiàn)象，因此，對光學(xué)原理的應(yīng)用比較關(guān)注。光學(xué)測量可以達(dá)到非接觸、高精度測量的目的，解決了接觸式測量誤差大、易形變的難題，在小型化、微型化產(chǎn)品的尺寸測量領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。例如，激光衍射可以精準(zhǔn)測量細(xì)絲直徑，干涉膨脹儀可以測量材料的膨脹系數(shù)，劈尖干涉儀可以用于檢查光學(xué)元件平整度等。激光單縫衍射照射在不同寬度的狹縫時，在接收屏上可以觀察到不同的衍射圖樣，單縫越窄，衍射現(xiàn)象越顯著。沿著單縫的方向，激光束的傳播受到限制，衍射條紋在接收屏上沿這一方向進(jìn)行擴(kuò)展。接收屏上衍射條紋對應(yīng)的衍射角與單縫寬度之間存在反比關(guān)系，這一反比關(guān)系可以作為一種光學(xué)變換。單縫寬度的變化可以反映出物體之間間隔、位移、剖面等物理量的變化。陽光照射疊合在一起的兩塊紗布，透過其交錯的經(jīng)緯線可以產(chǎn)生彩色的花紋圖樣。兩塊紗布之間產(chǎn)生相對位移時，彩色花紋圖樣也會隨之變化。這一圖樣稱為莫爾條紋，也稱作波紋條紋。利用重疊交叉的籬笆、蘆葦、絲襪、蚊帳等材料，也可以產(chǎn)生莫爾條紋。采用單色平行光照射兩個成一定角度放置、光柵常數(shù)不等的光柵，使一個光柵位置保持不動，移動另一個光柵時，可以通過莫爾條紋的位移求得光柵的位移。常見的光柵秤和數(shù)字萬能顯微鏡都采用了光柵式測量技術(shù)，這一技術(shù)在物理長度、角度、位移、重量等物理量的測量中應(yīng)用廣泛[1-2]。

2依據(jù)學(xué)生物理基礎(chǔ)選擇教學(xué)案例

每學(xué)期開課前，教師要對學(xué)生的物理基礎(chǔ)進(jìn)行摸底，根據(jù)摸底結(jié)果補充或調(diào)整物理教學(xué)案例。如果學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，教師可以基于生活中常見的現(xiàn)象選擇物理案例，易于學(xué)生理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)。將一些生活常識作為教學(xué)案例引入，有助于加強(qiáng)學(xué)生對物理知識的理解和運用。當(dāng)電源插座的火線直接接地時，電路完成但會出現(xiàn)短路現(xiàn)象；處于不同電位的兩點之間存在幾乎為零的電阻時，會導(dǎo)致非常大的電流，發(fā)生短路。當(dāng)這種情況意外發(fā)生時，正常運行的斷路器會打開，保證電路不被損壞；但接觸地面的人可能會因接觸磨損的電線或其他裸露導(dǎo)體的火線而被電傷。電擊會造成致命損傷，或?qū)е轮匾鞴伲ㄈ缧呐K）的肌肉出現(xiàn)故障，對身體的損害程度取決于電流的大小、作用時間的長短、被火線接觸到的身體部位以及存在電流的身體部位。5mA或更低的電流會引起電擊感，但通常不會造成損害或損害很??；如果電流大于10mA，會導(dǎo)致肌肉收縮，人可能無法主動釋放火線；如果是100mA左右的電流，即使僅通過人體幾秒鐘，也會使呼吸系統(tǒng)麻痹，結(jié)果可能是致命的。牛頓力學(xué)解決了運動速度遠(yuǎn)低于光速的物體的運動問題，但未能正確描述速度接近光速的物體的運動。牛頓理論預(yù)測可以通過大的電勢差來加速電子或其他帶電粒子運動。例如，可以通過使用幾百萬伏的電位差將電子加速到0.99c（c是光速）的速度。根據(jù)牛頓力學(xué)，如果提高電位差，則電子的動能也會隨之增加，其速度可以提高至原來的數(shù)倍，達(dá)到光速的幾倍。然而，實驗表明，無論加速電壓的大小如何，電子的速度以及宇宙中任何其他物體的速度總是小于光速的。牛頓力學(xué)與現(xiàn)代實驗的結(jié)果相反，這反映了牛頓力學(xué)的局限性。孿生悖論是一個有趣的時間膨脹實驗：Speedo和Goslo是一對雙胞胎兄弟，他們20歲時，具有冒險精神的Speedo開始了一段史詩般的旅程，前往一個距離地球很遙遠(yuǎn)的行星。承載Speedo的航天器相對于雙胞胎兄弟回家的慣性系能夠達(dá)到0.9999c的速度。Speedo出發(fā)半年后開始想家，立即以相同的速度返回地球。令人震驚的是，Speedo認(rèn)為他只離開了地球1年，只有21歲。但他回來后發(fā)現(xiàn)，Go?slo已經(jīng)成了90多歲的老人了。狹義相對論不僅在理論物理學(xué)中具有重要作用，在實際生活中也具有重要應(yīng)用，例如核電站和現(xiàn)代全球定位系統(tǒng)GPS裝置的設(shè)計。GPS定位是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，GPS接收裝置采用高軌道與精密定位的觀察方式，通過測量無線電信號的傳輸時間測得距離，進(jìn)而判斷衛(wèi)星在太空中的位置[2-4]。

3依據(jù)學(xué)生興趣選擇教學(xué)案例

很多男同學(xué)對軍事尤為感興趣。第二次世界大戰(zhàn)期間，紅外線技術(shù)被首次應(yīng)用于軍事當(dāng)中。二戰(zhàn)后，美國、英國、法國等國家先后對紅外技術(shù)展開了軍事應(yīng)用方面的研究。美國最先研制出機(jī)載紅外前視系統(tǒng)，隨后，英國、法國也將紅外前視系統(tǒng)應(yīng)用在陸海空三軍領(lǐng)域。紅外技術(shù)以紅外線的物理特性為基礎(chǔ)，物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的能量發(fā)生變化而產(chǎn)生的一種電磁波處于可見光譜中紅光的頻率之外，其波長介于可見光與無線電波之間，紅外線光子的能量低于可見光，對一些活潑金屬可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，這是紅外技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。利用這一效應(yīng)可以把紅外光轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換成可見光，經(jīng)放大處理，使人眼可以看見紅外線照射的物體。目前，紅外技術(shù)在火控、雷達(dá)、通信、隱形夜視、制導(dǎo)、偵察等軍事領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。[2,5]

4依據(jù)物理原理的相關(guān)性選擇教學(xué)案例

根據(jù)日常經(jīng)驗，每個人對力的概念都有一個基本理解。當(dāng)我們把桌子移開時，我們會對它施加一個力；當(dāng)我們擲球或踢球時，對球也會施加作用力。在這些物體運動的過程中，力將肌肉運動和物體速度關(guān)聯(lián)起來。然而，力并不總會引起物理運動。例如，當(dāng)我們坐著讀書時，地球引力作用于我們的身體，但我們?nèi)匀槐３朱o止。另一類力稱為場力，不涉及兩個物體之間的物理接觸，而是通過空間作用實現(xiàn)的，例如兩個物體之間的引力。引力使物體與地球保持聯(lián)系，使行星圍繞太陽運行。一個電荷對另一個電荷施加的電場力是比較容易理解的場力，這些電荷可能是形成原子的電子和質(zhì)子的電荷。磁鐵對一塊鐵施加的磁場力也是場力。在大學(xué)物理課程的實際教學(xué)過程中，可以采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)案例對容易混淆的物理原理進(jìn)行區(qū)分。在波動光學(xué)這一章，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生先后學(xué)習(xí)了干涉、衍射及光柵圖像產(chǎn)生的物理原因。然而，當(dāng)本章內(nèi)容全部教學(xué)完成后，一些學(xué)生卻將以上三種光學(xué)圖像產(chǎn)生的物理原理及相應(yīng)的物理方程混淆在一起。造成這一結(jié)果的原因在于，學(xué)生沒有真正理解和掌握以上三種光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的物理原理。因此，教師在波動光學(xué)每一小節(jié)內(nèi)容的講解過程中，可以進(jìn)行相應(yīng)的演示實驗，也可以將干涉、衍射、光柵三種光學(xué)原理在實際中的應(yīng)用作為教學(xué)案例進(jìn)行分析講解。例如，利用薄膜干涉原理解釋多彩的孔雀羽毛、五顏六色的肥皂泡等現(xiàn)象產(chǎn)生的物理原因；利用圓孔衍射原理解釋天文望遠(yuǎn)鏡、電子顯微鏡分辨率的問題。只有了解光的干涉及衍射原理，學(xué)生才能理解光柵圖像產(chǎn)生的物理原因。在光的偏振特性講授過程中，教師也可以將偏光顯微鏡作為教學(xué)案例進(jìn)行講解，利用偏光顯微鏡對鐵電、鐵磁等材料的疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場觀察和演示。以上針對大學(xué)物理課程教學(xué)中案例的選擇問題進(jìn)行了分析和討論。此外，教師還可以靈活使用頭腦風(fēng)暴、合作學(xué)習(xí)小組、點擊式問題、同行實踐和辯論等教學(xué)方式，讓學(xué)生參與到教學(xué)案例的分析過程中，及時獲取學(xué)生的反饋。依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果等反饋信息，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)案例，這樣有助于提高教學(xué)效率。在課堂教學(xué)過程中，如果學(xué)生沒有真正獲得知識，那么快速授課就是沒有意義的；如果大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)理解和掌握了授課內(nèi)容，那么放慢授課速度也沒有必要。只有密切關(guān)注學(xué)生的近期發(fā)展區(qū)域，才有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)知發(fā)展。綜上所述，在大學(xué)物理實際教學(xué)過程中，可以依據(jù)學(xué)生專業(yè)、興趣、物理基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)效果、反饋信息等方面進(jìn)行教學(xué)案例的設(shè)計和調(diào)整，這樣既有助于學(xué)生對物理概念、定理定律的理解和運用，也能讓學(xué)生深刻體會到大學(xué)物理并非空洞的理論，而是在實際生活中無處不在的。教師要用學(xué)生身邊的物理現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的興趣，最終為學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程奠定堅實的基礎(chǔ)。

作者:項陽 單位:華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院