【摘 要】卓越工程師教育培養(yǎng)計劃中提出基礎(chǔ)課程要與專業(yè)相結(jié)合的辦法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和邏輯思維能力，同時應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)改革的重點之一是改革教學(xué)理念，優(yōu)化、調(diào)整教學(xué)體系和內(nèi)容.因此我們應(yīng)敢于建立創(chuàng)新的教育觀念，科學(xué)合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，同時注重與學(xué)生專業(yè)相結(jié)合培養(yǎng)出高質(zhì)量的工程技術(shù)創(chuàng)新型人才。

【關(guān)鍵詞】卓越工程師計劃；大學(xué)物理；應(yīng)力；教學(xué)改革

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，其重要特點之一是強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。而作為當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與源泉的物理學(xué)不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)科技知識的基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要渠道[1]。我校積極響應(yīng)國家號召開展“卓越工程師計劃”，提出在為同學(xué)們講解相關(guān)物理知識時要與學(xué)生專業(yè)有機結(jié)合的策略。我們緊跟時代步伐和適應(yīng)形勢發(fā)展的要求，提出在保證學(xué)生們學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識的同時，打破現(xiàn)有物理學(xué)科傳統(tǒng)課程教學(xué)體系，引入新內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)專業(yè)，給學(xué)生們未來的發(fā)展和創(chuàng)新打下堅實的相關(guān)基礎(chǔ)的實施方案[2]。

近年來，隨著材料科學(xué)，生命科學(xué)，微電子技術(shù)等新興學(xué)科的迅速發(fā)展，不少高校的大學(xué)物理課程教學(xué)緊跟時代的步伐，在內(nèi)容和模式上進行了大量的改革和探索。大家力求在有限的學(xué)時內(nèi)減少經(jīng)典，增加現(xiàn)代物理的相關(guān)知識，使學(xué)生們掌握的物理知識能夠與時代的發(fā)展同步，如同濟大學(xué)、鄭州大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等大學(xué)在這方面已經(jīng)做出了很多工作。

我們結(jié)合本校實際情況，在講解大學(xué)物理內(nèi)容如作用力與反作用力，彈性力和波的形成時引入了應(yīng)力方面的內(nèi)容，目的是使學(xué)生體會到本課程與專業(yè)之間的依托關(guān)系，從而能夠找到物理課程在其專業(yè)領(lǐng)域中的位置，這樣的特色教學(xué)不僅可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，起到事半功倍的效果，還能使學(xué)生們的思維更加開闊，在未來的學(xué)習(xí)和工作中創(chuàng)新性地解決涉及應(yīng)力的各類問題提供知識儲備和基礎(chǔ)。

物理學(xué)是整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科，物理教育在高等教育中具有極其重要的地位，特別是在工科專業(yè)教學(xué)中尤其重要。然而現(xiàn)階段大多數(shù)高校針對不同的專業(yè)采用統(tǒng)一的教材、統(tǒng)一的學(xué)時、統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容，其中部分內(nèi)容涉及應(yīng)力問題，但都是一筆帶過，并未做深入的探討。事實上，應(yīng)力普遍存在于普遍存在于光學(xué)薄膜與器件，半導(dǎo)體器件，新型材料，化工工藝，機械制造，土木建筑，地質(zhì)等多個領(lǐng)域，是多個學(xué)科的重要內(nèi)容之一，但我們以前未給予相應(yīng)的重視[3，4]。隨著大學(xué)物理被列入我校“卓越工程師計劃”的重要基礎(chǔ)課程，我們必須更多地關(guān)注應(yīng)力在“卓越工程師計劃”專業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展前沿，以此來拓寬學(xué)生們的知識面，為學(xué)生們在工程實踐中創(chuàng)新性解決應(yīng)力的相關(guān)問題提供條件。

一、應(yīng)力在不同專業(yè)中的應(yīng)用

應(yīng)力簡介：應(yīng)力的定義為材料受外力后，單位面積上所承受的附加力。實際上該定義在不同領(lǐng)域有著不同的用途和形式。例如薄膜應(yīng)力按照應(yīng)力在作用方向上有張應(yīng)力和壓應(yīng)力之分。薄膜中的應(yīng)力按形成機理的不同，可以分為熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。薄膜中的總應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力與熱應(yīng)力之和。若薄膜與基片的熱膨脹系數(shù)不同，成膜時基片的溫度又不同于應(yīng)力測量時的溫度，就會山此產(chǎn)生熱應(yīng)變，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。另外成膜過程中，由于基片溫度的不均勻分布會導(dǎo)致熱應(yīng)力[5，6]。

食品科學(xué)與工程領(lǐng)域：隨著生活水平的口益提高和消費傾向的變化，人們對食品及原料品質(zhì)的關(guān)注不再僅僅是營養(yǎng)成分和衛(wèi)生狀況，對其物理性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特征也提出了更高的要求。食品的結(jié)構(gòu)破壞是它的內(nèi)部相鄰部分之間連接結(jié)構(gòu)的破裂，其破壞是宏觀可見的，破壞程度取決于食品的組織構(gòu)造和外力特點，食品工作者應(yīng)該了解食品材料的應(yīng)力、應(yīng)變、變形、斷型機理等性質(zhì)，這不僅對制備食物有很大幫助還能有助于我們將食物做得更可口宜人。在小變形實驗（應(yīng)力松弛）中是在不破壞食品樣品的情況下，使食物瞬時加載應(yīng)力造成非破壞性變形，通過這一變形的恢復(fù)過程來把握其內(nèi)部應(yīng)力變化的歷程，其解析結(jié)果在食品原料質(zhì)構(gòu)分析中起到非常重要的作用。我們可以測定部分食物的的應(yīng)力松弛曲線，并分析食物的主要化學(xué)成分，研究米飯的應(yīng)力松弛參數(shù)與化學(xué)成分的關(guān)系，為食物蒸煮工藝的優(yōu)化和新型炊具的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7，8]。

機械加工領(lǐng)域：機械加工中工作由于經(jīng)常受到切削力和切削熱的作用，其表面層力學(xué)性能將產(chǎn)生很大的變化，對基體材料性能的造成了很大差異，這些差異主要表現(xiàn)表在層的金相組織和硬度的變化及表面層出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。而結(jié)構(gòu)件的焊接殘留應(yīng)力、塑性加工所形成的殘留應(yīng)力、材料熱處理所產(chǎn)生相變態(tài)殘留應(yīng)力、多重批覆層材料接口牽引的應(yīng)力場均有殘余應(yīng)力的存在。殘余應(yīng)力的存在對于工程材料的運用性有很大的影響，對于材料的使用壽命、安全設(shè)計上的考慮、以及機械與物理性質(zhì)的變化，時常扮演關(guān)鍵性的角色[9]。

建筑工程領(lǐng)域：混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，是研究鋼筋混凝土強度、裂縫和變形理論的重要依據(jù)之一。一些復(fù)雜的重大鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如反應(yīng)堆壓力容器、水壩、海洋工程等結(jié)構(gòu)中，混凝土處于明顯的應(yīng)力狀態(tài)。其承受的應(yīng)力可能是壓或拉應(yīng)力的不同組合。研究混凝土在應(yīng)下的強度變化規(guī)律和準則，對于建筑結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計、安全運行和節(jié)省建筑材料有著重大意義[10]。

電子科學(xué)與技術(shù)，電子信息工程，集成電路和半導(dǎo)體器件領(lǐng)域：為了使集成電路技術(shù)能延續(xù)摩爾定律所揭示的發(fā)展速度，通過工藝、材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，研究半導(dǎo)體納米器件中應(yīng)力、應(yīng)變的控制有重要的科學(xué)意義和實用價值，例如，通過在溝道中引入適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力和張應(yīng)力能分別提高PMOS的空穴遷移率和NMOS的電子遷移率。典型的PMOS應(yīng)變硅器件可通過外延SiGe源漏引入溝道壓應(yīng)力，利用源漏和溝道的晶格常數(shù)失配控制應(yīng)變大小，進而改善空穴遷移率；而對于NMOS應(yīng)變硅器件則可通過淀積SiN薄膜引入溝道張應(yīng)力，利用SiN薄膜的高本征應(yīng)力控制應(yīng)變大小，進而改善電子遷移率[11]。

二、物理中深入講解應(yīng)力與專業(yè)結(jié)合的必要性

1.由應(yīng)力本身的重要性決定

應(yīng)力的研究有強烈的社會需求背景和廣闊的發(fā)展?jié)摿?，?yīng)力在薄膜光學(xué)，金屬制造，食品加工，工程機械，建筑力學(xué)，電子科學(xué)與技術(shù)，電子信息工程，集成電路和半導(dǎo)體器件，新材料，醫(yī)學(xué)和地質(zhì)學(xué)中均有不同程度的運用[12-17]。例如在在光學(xué)薄膜的制備過程中由于品格失配、熱膨脹系數(shù)失配、薄膜在沉積過程中分子之間的相互作用以及薄膜內(nèi)部存在著各種宏觀缺陷，從而使薄膜基板系統(tǒng)中存在著應(yīng)力，研究光學(xué)薄膜的應(yīng)力行為，控制薄膜應(yīng)力對提高光學(xué)薄膜的性能就具有有重要意義。在一定條件下控制應(yīng)力使機械零件殘余應(yīng)力合理分布，可以提高零件的機械性能和使用壽命，將其變害為利。研究機械工程領(lǐng)域鋼在熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律，使之合理分布對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有深遠的實際意義。

2.有助于掌握物理知識和領(lǐng)會物理精髓

應(yīng)力研究涉及物理、機械、地質(zhì)、電子、化學(xué)、材料、地質(zhì)和計算機模擬等多個等領(lǐng)域，綜合性較強。而且目前包括我國在內(nèi)的各領(lǐng)域均已取得一定的成果。

了解和學(xué)習(xí)應(yīng)力研究成果、不僅有助于學(xué)生聯(lián)系基礎(chǔ)和專業(yè)知識，還有助于豐富學(xué)生知識面、培養(yǎng)學(xué)習(xí)和科研的熱情。如通過介紹應(yīng)力研究涉及到的科學(xué)儀器如牛頓環(huán)測試裝置，XRD衍射儀，拉曼衍射儀，CCD測試與計算，超聲波測試儀，原子磁性共振儀等儀器[18]，這樣可以讓學(xué)生了解當(dāng)前的一些先進儀器的原理和使用方法，更能讓學(xué)生知道曾學(xué)習(xí)過的光學(xué)顯微鏡等儀器的適用范圍和缺點，還能讓學(xué)生知道科學(xué)研究是一個探討的、不斷發(fā)展的過程，任何知識都有自己的適用范圍，都需要不斷改進和升華。

3.有助于培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

大學(xué)生學(xué)習(xí)動力來源較多，如適應(yīng)社會發(fā)展的需要、對知識的渴求、對未知科技領(lǐng)域好奇等。目前大學(xué)物理教材雖然已經(jīng)改版上百次，取得一些成果，但是其內(nèi)容并未得到根本的、有效的改革。陳舊、重復(fù)知識較多，復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，無助于學(xué)生今后發(fā)展的知識較多。相反，用、新、趣的知識（如：應(yīng)力研究）內(nèi)容較少而使學(xué)生失去興趣和動力。事實上，應(yīng)力的研究雖然在近50年發(fā)展的極為迅速，并已取得極為豐富的成果，但仍處于研究的初始階段，還有許多領(lǐng)域未曾研究透徹，如多層膜、合金膜、顆粒膜等等，關(guān)于應(yīng)力研究的實用化和理論認識還沒有取得最終突破，還有很多工作需要開展。因此對應(yīng)力的學(xué)習(xí)和對其研究動態(tài)的了解不僅有助于學(xué)生對面前的科研任務(wù)艱巨性的認識，也有助于學(xué)生積極探索、開放思路、自我形成創(chuàng)造性思維。

三、開展大學(xué)物理應(yīng)力及其專業(yè)相結(jié)合的對策

1.提高教師科研素質(zhì)

應(yīng)力涉及領(lǐng)域具有全、新、深的特點。教師只有具備較高科研素質(zhì)和濃厚興趣，才能了解和熟悉應(yīng)力及其研究動態(tài)，從而對其進行深人探討，才能將應(yīng)力和現(xiàn)有大學(xué)物理教材有機結(jié)合，形成統(tǒng)一體系。然而由于各種原因，物理教師專業(yè)和興趣參差不齊，因此只有提高教師的科研素質(zhì)，才能應(yīng)對教育和科技發(fā)展的新形式。

2.將大綱和學(xué)生的實際情況有機結(jié)合

目前工科大學(xué)物理教材經(jīng)過多年的改革已取得了不少成就，不僅具有體系完整、層次分明、概念清晰、邏輯性強等優(yōu)點，還補充了一些當(dāng)前物理學(xué)發(fā)展的新成就。如趙近芳等編的《大學(xué)物理學(xué)》（北京郵電大學(xué)出版社，2003）大量壓縮了原有大學(xué)物理內(nèi)容，對之進行了調(diào)整，并在最后一章補充了新技術(shù)的物理基礎(chǔ)。但遺憾的是，當(dāng)前教材對新技術(shù)，尤其是應(yīng)力的補充太少，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容仍有舊、難等感覺，難以從物理學(xué)角度激發(fā)學(xué)生的現(xiàn)代意識和創(chuàng)造熱情，難以培養(yǎng)適應(yīng)科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的科技人才。因此，應(yīng)將現(xiàn)有大學(xué)物理教材的優(yōu)點與新技術(shù)，尤其是應(yīng)力等有機結(jié)合。

另外，物理教師還應(yīng)與專業(yè)教師進行深入、廣泛交流，將物理基礎(chǔ)與具體專業(yè)有機地結(jié)合，才能制定適合學(xué)生實際的教學(xué)目標，使學(xué)生學(xué)習(xí)成為邏輯的、連續(xù)的有連續(xù)的有機過程，才能培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、知識面寬、科技學(xué)習(xí)興趣濃的適應(yīng)21世紀的大學(xué)生。

3.組織必要的小專題會議

由于近年來，各工科院校不同層次地壓縮大學(xué)物理學(xué)時，尤其是個別專業(yè)已被壓縮到不足60學(xué)時，導(dǎo)致在有限的課堂學(xué)時內(nèi)既要完成基礎(chǔ)內(nèi)容和方法的介紹，又要補充對學(xué)生有用、有趣的新技術(shù)知識，其難度非同一般。因此可根據(jù)學(xué)生實際情況，選擇合適課題組織一些專題專門小會議以拓寬學(xué)生在某領(lǐng)域的必要知識。通過專題介紹，既可讓學(xué)生及時了解國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域動態(tài)，豐富學(xué)生知識面，認識到學(xué)習(xí)的必要性，又可激發(fā)學(xué)生探索新科技的積極性和探索未知領(lǐng)域的熱情。

4.吸引學(xué)生參加應(yīng)力前沿小課題

單純的知識介紹雖可以讓學(xué)生更快掌握知識，但學(xué)生是在被動學(xué)習(xí)。只有讓學(xué)生親身體驗，才能培養(yǎng)主觀能動性。由于目前條件限制，少有學(xué)生直接使用應(yīng)力方面的研究實驗和設(shè)備，因此讓學(xué)生參與老師的課題或讓學(xué)生設(shè)計一些簡單的應(yīng)力方面的小課題，有助于學(xué)生了解科學(xué)研究并非學(xué)習(xí)那樣一帆風(fēng)順，目前還存在很多需要探索的領(lǐng)域。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

工科大學(xué)物理在素質(zhì)教育中的地位和作用決定了大學(xué)物理改革的必要性。盡管多年來，物理改革從減學(xué)時到變內(nèi)容，從教研室與實驗室的獨立到物理應(yīng)用研究室的成立等作了較多的嘗試和改革，然而離真正意義上的素質(zhì)教育還有很大距離。怎樣找到大學(xué)物理教學(xué)在卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的準確定位，又能與學(xué)生們的專業(yè)相結(jié)合（如在不同專業(yè)的教學(xué)中引入應(yīng)力內(nèi)容），還能夠大量舍去陳舊、無效、累贅、重復(fù)、僵化的知識而補充能開闊學(xué)生視野、豐富知識面、有助于創(chuàng)新性培養(yǎng)的教學(xué)體系是一項艱巨的任務(wù)，需要教育同行的不懈努力。

參考文獻：

[1]教育部啟動實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[OL].中華人民共和國教育部門戶網(wǎng)站，2010.

[2]張偉強，劉揚正，卓越工程師教育培養(yǎng)計劃下的應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)改革[J].中國電力教育，2011（26）：96-97.

[3]徐崇，史韡朝.基于卓越工程師培養(yǎng)計劃的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革[J].大學(xué)物理實驗，2012，25（1）：95-97.

[4]趙近芳.大學(xué)物理學(xué)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003.

[5]蔣釗，陳學(xué)康.薄膜的應(yīng)力控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，28：17-21.

[6]Fan Yang.Jun Shen，Qi Sun，Bin Zhou，Guangming Wu，Jacques Mugnier.Effect of UV-irradiation on Sol-Gel Optical Films[J].Proc.SPIE，2006（10）：1-8.

[7]韓芳，高昕，許加超，付曉婷，李輝.非線性曲線擬合法在食品應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)解析中的應(yīng)用[J].食品科學(xué)，2012，33（03）：92-96.

[8]許永亮，熊善柏，趙思明.蒸煮工藝和化學(xué)成分對米飯應(yīng)力松弛特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（10）：235-240.

[9]李俊.淺談機械加工中表層力學(xué)性能的變化與影響[J].中國科技博覽，2011，5：220.

[10]趙瑞華.箍筋銹蝕對約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響研究[J].西安建筑科技大學(xué)，2010.

[11]胥傳金，顧曉峰，于宗光.應(yīng)變硅pMOS晶體管溝道應(yīng)變的有限元研究[J].微電子學(xué)，2007，32（6）：40-43.

[12]陳為蘭，顧培夫，王穎，章岳光，劉旭.紅外薄膜中熱應(yīng)力的研究[J].物理學(xué)報，2008，57（7）：4316-4321.

[13]Qiling Xiao，Shuying Shao，Jianda Shao，Zhengxiu Fan，Influences of Y2O3 dopant content on residual stress，structure，and optical properties of ZrO2 thin films[J].CHINESE OPTICS LETTERS，

2009，7（2）：162-164.

[14]羅亮，左榘，孟凡玲.k-卡拉膠凝膠的力學(xué)行為研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2005，4：212-215.

[15]劉剛，易本清.胸腰椎骨質(zhì)疏松應(yīng)力分布及臨床意義[J].吉林醫(yī)學(xué)，2010，31（19）：3126-312.

[16]劉俊，陳希明，周平.在工科大學(xué)物理教學(xué)中引入納米科技[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2004（S1）：49-50.

[17]盛書中，萬永革.地震視應(yīng)力及其物理意義的探討[J].地震地磁觀測與研究，2008，29（1）：36-43.

[18]王生釗，張丹.薄膜應(yīng)力測試方法進展[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報，2012，07（4）：67-72.

本文系2012年南陽理工學(xué)院教學(xué)改革研究項目：基于卓越工程師培養(yǎng)計劃下的大學(xué)物理教學(xué)改革與創(chuàng)新研究（基金編號：087122）。

作者簡介：王生釗（1980—），男，河南南陽人，博士，現(xiàn)供職于南陽理工學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，研究方向：光電薄膜及其應(yīng)力研究。