張 健 胥 馨 劉紅梅

(空軍航空大學基礎部 吉林 長春 130022)(收稿日期：2016-05-24)

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大學物理教學中的學科滲透與融合

張 健 胥 馨 劉紅梅

(空軍航空大學基礎部 吉林 長春 130022)(收稿日期：2016-05-24)

學科融合，是現(xiàn)代化教育的關鍵，是科學技術與學科雙贏的一種新型的教學模式．飛行人才培養(yǎng)需要學科交融——培養(yǎng)綜合性、復合型人才，必然需要走多學科融合的教育模式．故針對飛行特色大學物理教學學科融合的方式方法以及對提高飛行員綜合素質(zhì)的作用做一些探討，進而開展跨學科教學．

學科融合 飛行特色 物理教學

隨著高等教育課程改革的深入開展，分立的學科課程體系成為當前基礎教育改革的主要問題．必須通過課程體系與結(jié)構(gòu)的整體變革來應對基礎教育改革的挑戰(zhàn)．學科融合，是現(xiàn)代化教育的關鍵，是科學技術與學科雙贏的一種新型教學模式．其意義在于有利于促進科技的發(fā)展：當今科技的發(fā)展越來越依賴于多學科之間的交叉融合，比如生物醫(yī)學的發(fā)展不能僅僅依賴生物學和醫(yī)學，還必須依賴數(shù)學、物理學、化學、信息、環(huán)境、心理學和工程等不同學科的協(xié)作．

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

物理學作為一門最基本的自然學科，是學員學習后續(xù)課程的理論基礎．蘊含著豐富的科學方法，從文化角度看，物理文化是科學精神體現(xiàn)的典范，以客觀事實為依據(jù)、理性的懷疑、求真、求實作為基本要素．筆者根據(jù)“大學物理”的教學實踐和課程內(nèi)容特點從以下幾個方面闡述大學物理教學中的學科滲透與融合．

1 教學內(nèi)容向航理延伸突出飛行特色

對于飛行特色的大學物理教學而言，如何適應飛行員綜合素質(zhì)及能力培養(yǎng)，符合空軍貼近實戰(zhàn)的戰(zhàn)略思想，有針對性的學科融合需求成為飛行特色大學物理教學的當務之急．

1.1 飛機發(fā)動機系統(tǒng)與物理相融合

現(xiàn)代的軍用戰(zhàn)斗機要求越來越高的機動性能，較高的推重比能賦予戰(zhàn)斗機很高的垂直機動能力和優(yōu)異的水平加速性能．更高的推重比是每一個戰(zhàn)斗機飛行員所夢寐以求的．但戰(zhàn)斗機的推重比在很大程度上受發(fā)動機所限．

我們在熱力學部分加入了與渦噴發(fā)動機效率有關的內(nèi)容．目前應用最為廣泛的是噴氣式發(fā)動機，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．

圖1 渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖

渦噴發(fā)動機屬于熱機的一種，從熱力學原理來說，渦輪噴氣發(fā)動機的熱力循環(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，接著會推動渦輪機使其旋轉(zhuǎn)，然后帶著剩余的能量，經(jīng)由噴嘴或排氣管排出．通過學習學員對熱機的工作原理以及效率的提升都有了一定的認識，對后期掌握飛機構(gòu)造和性能有重要意義．

1.2 飛機操控與物理融合

飛機的飛行控制與作用于飛機上的力矩密切相關．從物理學研究物體所受力矩的角度進行分析，教學由分析抽象的桿、滑輪等模型所受力矩的問題，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯空鎸嵉娘w機受力矩問題．討論飛機的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)力矩，分析飛機飛行姿態(tài)和操縱的穩(wěn)定性問題，以及產(chǎn)生各種力矩原因和影響力矩變化的因素．幫助學員后期在飛機飛行動力學等專業(yè)課學習中，能夠從物理學的角度去分析問題，解決問題，在大學物理的教學中融合飛機操控與力學知識是非常必要的，圖2是飛機轉(zhuǎn)動的三維圖．

圖2 飛機的轉(zhuǎn)動

1.3 大氣與物理融合

飛機的飛行性能在很大程度上取決于飛機的空氣動力特性．而飛機的空氣動力特性又與大氣狀況有密切關系．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之間的壓力即空氣動力特性很有必要．該部分主要在質(zhì)點運動學中運動描述與飛行速度、飛行高度和質(zhì)點力學中流體力學與飛機的氣動特性方面開展研究．在物理教學中引入了飛機升力、升力公式、影響機翼升力大小的因素和與升、阻力相關的飛行案例和計算應用，使學員認識到物理學習與其將來飛行職業(yè)發(fā)展的密切關系．同時，加強了物理與空氣動力學等后續(xù)課程的銜接與過渡，為學員進一步學好后續(xù)課程打好物理知識基礎．

1.4 飛機動力學與物理融合

研究飛機性能、飛行軌跡特性時，常將飛機視為可控質(zhì)心處理，研究內(nèi)容主要包括飛機質(zhì)心運動學方程，平飛、上升、下滑、起落性能，飛機鉛垂平面內(nèi)、水平平面內(nèi)及空間機動飛行性能． “質(zhì)心、質(zhì)心運動定理”內(nèi)容，飛機是個復雜的機械系統(tǒng)，無論系統(tǒng)內(nèi)各部分的運動如何復雜，但質(zhì)心的運動可能相當簡單，只由作用在系統(tǒng)上所有外力的矢量和決定．將這些內(nèi)容與大學物理課程的“質(zhì)點運動學、牛頓運動力學”內(nèi)容相融合，教學內(nèi)容中融入了航空位置，描述飛行器運動的常用坐標系，飛機常見機動動作，鉛垂平面內(nèi)飛機各類運動學例題解析，飛機質(zhì)心在鉛垂平面內(nèi)運動的動力學方程，飛機定常運動中直線平飛、直線下滑、直線上升的動力學方程及性能分析，飛機水平面內(nèi)穩(wěn)定盤旋運動的動力學方程及性能分析等內(nèi)容，圖3是飛機定常直線下滑受力分析．

圖3 定常直線下滑

2 引入人文思想樹立科學世界觀

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

2.1 正確的世界觀、人生觀

物理學對物質(zhì)的運動形態(tài)、相互轉(zhuǎn)化和對物質(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“對立統(tǒng)一”的物理事實；“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．這些豐富的素材對培養(yǎng)學生科學世界觀的作用不容置疑．物理學的發(fā)展過程和物理學家們的創(chuàng)造經(jīng)歷中，包含了豐富的辯證唯物主義內(nèi)容．通過教學培養(yǎng)學員正確的世界觀是物理教學所具有的優(yōu)勢．

2.2 優(yōu)秀的意志品質(zhì)

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

2.3 創(chuàng)新精神

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，其關鍵在人才．在教學中，以線索貫穿物理知識，使學員感受科學家的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法，不僅可以豐富教學內(nèi)容，而且還將科學探索者的觀測、困惑、沉思、試探、創(chuàng)新的智慧之光展現(xiàn)給學員，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．愛因斯坦曾說過：“發(fā)現(xiàn)一個問題遠遠比解決一個問題更重要，因為解決一個問題只需要一個技巧，而發(fā)現(xiàn)一個問題則需要更高的智慧和意識．”這就是思想創(chuàng)新．引導愛因斯坦成功的最大動機就是科學的好奇心和創(chuàng)新性思維．正是這種科學的好奇心和創(chuàng)新思想引導愛因斯坦進入物理學的殿堂，創(chuàng)立了狹義相對論，成為近代物理的奠基人．愛因斯坦建立相對論時是這樣，李政道和楊振寧提出宇稱不守恒時也是這樣．

2.4 科學的審美

雖然物理學本身并不是美學，但物理學中蘊含了豐富的美學思想．探討物理學中的美學內(nèi)容，同時也是一種發(fā)現(xiàn)美、接近美、探索美的過程．由歷代物理學家所精心建造的物理學大廈，它集形式美與內(nèi)容美于一體．具體來說，包括對稱有序之美，如靜電力平方反比定律與萬有引力定律的形式對稱；簡潔和諧之美，如質(zhì)點運動方程基礎上的牛頓三大定律；統(tǒng)一守恒之美，如動量、能量守恒對空間和時間變化的守恒．此外，還有物理現(xiàn)象的奇特美，如蒼穹彩虹、海市蜃樓、長河落日等現(xiàn)象．正如“驚人的簡單”、“神秘的對稱”、“美妙的和諧”等美學特征在物理學中有大量的例證，是物理教學中滲透人文意識教育的重要素材．

3 結(jié)束語

大學物理教學既要引導學生追求科學精神，又要讓人文思想滲透于科學學習中，理順科學、自然、社會和人類的關系，堅定地捍衛(wèi)人的感情、欲望和生命的尊嚴．如何趨利避害，使科學研究向著有利于社會和人類長遠利益的方向發(fā)展是一個值得當代大學生深思的問題．

創(chuàng)新文化是大學的崇高使命,大學對本民族文化資源的開發(fā)、對外來文化的引進并不是簡單的繼承與模仿,而是必須結(jié)合新的實踐和時代的要求,結(jié)合人民群眾精神文化生活的需要,積極進行文化創(chuàng)新．學科融合通過對多個學科原有知識的結(jié)合,產(chǎn)生出不同于原有知識的新知識,而且所產(chǎn)生的知識一般是社會所需求的,促進著科技和社會的發(fā)展．

在我國現(xiàn)有的經(jīng)濟和社會條件下,要建設一流大學,通過常規(guī)發(fā)展很難實現(xiàn)．因為你在發(fā)展的同時別人也同樣在發(fā)展,當你達到一個新的水平時,別人就達到了一個更高的層次．因此通過學科融合,產(chǎn)生一加一大于二的結(jié)果,使得某一個或幾個學科跨入世界一流,然后以點帶面,最終實現(xiàn)大學的跨越式發(fā)展,使我國若干所大學進入世界一流大學之列．

綜上所述，教學內(nèi)容和教學方法的改革一直是近年來大學物理教學改革的核心，教學是先導、方法是條件，然而，無論如何改革，大學物理教學必須從實際出發(fā)、從學員的現(xiàn)狀出發(fā)，將教學內(nèi)容進行縱向有機融合，同時采取靈活多樣的教學方法，使學員最大限度地產(chǎn)生長久的興趣，不斷推進大學物理教育轉(zhuǎn)型．

張健(1977- )，女，副教授，主要從事大學物理教學及研究.