汪 艦

（河南理工大學(xué) 河南·焦作 454003）

《中華人民共和國(guó)高等教育法》第十六條規(guī)定：“本科教育應(yīng)當(dāng)使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握本學(xué)科、專業(yè)必需的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)，掌握本專業(yè)必要的基本技能、方法和相關(guān)知識(shí)，具有從事本專業(yè)實(shí)際工作和研究工作的初步能力”。然而，對(duì)于理工科學(xué)生來說，學(xué)生要想系統(tǒng)地掌握本學(xué)科、專業(yè)必需的基礎(chǔ)理論，就必須要學(xué)好大學(xué)物理，離開大學(xué)物理這個(gè)理論基石，學(xué)生很難深層次理解專業(yè)知識(shí)。[1-2]

大學(xué)物理是研究自然界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最普遍最基本規(guī)律的科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。它注重對(duì)普遍而基本的物質(zhì)規(guī)律的探究，能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力。大學(xué)物理教學(xué)是基礎(chǔ)教學(xué)，也正因?yàn)槠浠A(chǔ)性，基本上采用所有理工學(xué)生無差別教學(xué)的方式，沒有專業(yè)特點(diǎn)。大學(xué)物理的授課時(shí)間是學(xué)生入學(xué)后的第二、三學(xué)期，此時(shí)，學(xué)生掌握的專業(yè)知識(shí)很少，有些學(xué)生因此感性地認(rèn)為：大學(xué)物理所學(xué)知識(shí)與他們未來要學(xué)的專業(yè)知識(shí)關(guān)系較小，因而輕視大學(xué)物理課程。而且，如果不能在教學(xué)過程中將大學(xué)物理與專業(yè)課程相連接，學(xué)生在后續(xù)課程中很難做到融會(huì)貫通，無法從基礎(chǔ)理論上升到專業(yè)高度。本文結(jié)合安全類學(xué)生的專業(yè)背景，提出了安全類大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的改革方法，為從事安全類大學(xué)物理教學(xué)的教師提供相應(yīng)的理論和知識(shí)參考。[3-4]大學(xué)物理內(nèi)容涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、波動(dòng)、光學(xué)、電磁學(xué)、相對(duì)論和量子理論等內(nèi)容。其中，電學(xué)、磁學(xué)以及光學(xué)部分與礦業(yè)類專業(yè)課程“機(jī)械電氣安全技術(shù)”“工業(yè)通風(fēng)及除塵”“安全原理”等課程密切相關(guān)。[1]具體研究如下：

1 基于電磁學(xué)的專業(yè)融合

靜電場(chǎng)是大學(xué)物理的重要章節(jié)。大學(xué)物理涉及靜電場(chǎng)的內(nèi)容中，介紹了靜電場(chǎng)的來源、性質(zhì)、靜電力及其做功。在授課時(shí)，該內(nèi)容主要集中于不同結(jié)構(gòu)帶電體的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算和電荷在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)靜電力所做的功。將理論加以延伸，將靜電場(chǎng)理論向安全專業(yè)知識(shí)過渡。當(dāng)兩個(gè)物體形成的正負(fù)帶電區(qū)域之間的場(chǎng)強(qiáng)足夠高時(shí)，就會(huì)擊穿空氣而產(chǎn)生閃光和爆裂聲的氣體放電現(xiàn)象，即我們看到的電火花放電現(xiàn)象。雖然普通的靜電火花能量不大，但是極易引起油氣場(chǎng)所、煤礦和粉塵場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)或爆炸。例如：在安全專業(yè)里，煤礦井下的安全至關(guān)重要，是安全專業(yè)學(xué)生的必修內(nèi)容。在瓦斯抽放管路中的瓦斯氣體流動(dòng)時(shí)，會(huì)與管路內(nèi)壁摩擦可以產(chǎn)生靜電，這一作用有可能會(huì)產(chǎn)生火花而引燃管路。為了防止靜電火花的發(fā)生，不僅對(duì)抽放管路的管內(nèi)外壁的電阻有一定的要求，還要進(jìn)行接地處理，將產(chǎn)生的電荷導(dǎo)走。將靜電場(chǎng)與安全專業(yè)背景相結(jié)合，闡述靜電造成安全事故的原因。從理論上分析靜電產(chǎn)生的原因以及如何避免靜電事故的發(fā)生，為后續(xù)專業(yè)課程奠定理論基礎(chǔ)。在大學(xué)物理的電磁學(xué)中，互感描述了載流線圈與另一個(gè)線圈之間的相互作用，即當(dāng)一線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在臨近的另一線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，叫做互感現(xiàn)象。該內(nèi)容是漏電保護(hù)器和機(jī)場(chǎng)、火車站常用的金屬探測(cè)器的理論基礎(chǔ)。以金屬探測(cè)器為例，它利用本身線圈所連接的振蕩器來產(chǎn)生高頻可變磁場(chǎng)，在外界無金屬時(shí)，兩側(cè)接收線圈的感應(yīng)電壓在磁場(chǎng)未受干擾前相互抵消而達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)有金屬進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，因?yàn)榛ジ凶饔?，將在金屬中產(chǎn)生電流和二次磁場(chǎng)，兩側(cè)接收線圈的平衡將被打破，進(jìn)而影響接收線圈接收的磁場(chǎng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。通過深入講解分析，使學(xué)生一方面加深電磁學(xué)的理解，另一方面也產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時(shí)為后續(xù)專業(yè)課程進(jìn)行了理論鋪墊。

2 基于光學(xué)的專業(yè)融合

煤礦瓦斯中的主要成分為甲烷（CH4），當(dāng)空氣中甲烷達(dá)到25%-30%時(shí)，可引起頭痛、頭暈、乏力、呼吸和心跳加速，甚至造成窒息死亡。當(dāng)甲烷含量在5%～15.4%的體積范圍內(nèi)時(shí)，遇火花將發(fā)生爆炸。煤礦中常用的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)試備主要有熱催化型、光干涉型和光吸收型幾種。光干涉型檢測(cè)儀是基于大學(xué)物理課中光的干涉原理設(shè)計(jì)的。儀器運(yùn)行時(shí)，光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室的兩個(gè)通道后進(jìn)行干涉，人們將看到彩色條紋，當(dāng)有瓦斯進(jìn)入其中一個(gè)通道后，因?yàn)橥咚沟恼凵渎逝c空氣不同，盡管折射率變化很小，但足以造成光在瓦斯中行走的光程發(fā)生變化，因此兩個(gè)通道光程差發(fā)生改變。進(jìn)而發(fā)生干涉條紋的移動(dòng)。條紋移動(dòng)的程度取決于甲烷的濃度。這種儀器的原理和大學(xué)物理講述的邁克爾遜干涉的原理基本相同。因此，在講述邁克爾遜干涉的原理后直接延伸到干涉型甲烷檢測(cè)儀，使學(xué)生明白了大學(xué)物理知識(shí)在專業(yè)課中的應(yīng)用。除此以外，在大學(xué)物理光學(xué)部分課程中講授光譜范圍時(shí)，可見光的范圍是380 nm到760 nm，比760 nm 稍長(zhǎng)的是紅外光。在可見光中，甲烷是沒有吸收的，也就是說，在正常情況下，我們用肉眼是無法觀察到甲烷的?？墒?，甲烷在紅外波段存在著強(qiáng)烈的吸收光譜，人們就是利用甲烷在紅外光的吸收光譜，利用紅外LD或LED作為光源，利用紅外檢測(cè)器作為檢測(cè)單元，對(duì)其吸收光譜的強(qiáng)度變化進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得瓦斯的濃度。至此，我們將甲烷安全問題與光譜學(xué)緊密結(jié)合到一起。

3 基于熱力學(xué)的專業(yè)融合

在煤礦等安全領(lǐng)域，甲烷可能引發(fā)爆炸；在氣候安全領(lǐng)域，甲烷濃度的增加會(huì)帶來地球環(huán)境的破壞，也就是“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致全球氣候變暖。而且，甲烷的暖化能力比二氧化碳高二十一倍，因此，甲烷濃度的增加會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。但對(duì)于煤礦而言，為了礦井的安全，只能依靠通風(fēng)設(shè)備將礦井中多余的甲烷氣體釋放到大氣中，這就更加劇了溫室效應(yīng)。在大學(xué)物理課程中講授熱力學(xué)課程時(shí)，提出了“熱力學(xué)系統(tǒng)”和“外界”這兩個(gè)概念。所謂熱力學(xué)系統(tǒng)，即所研究的宏觀物體，如氣體、液體等。所謂外界：即與熱力學(xué)系統(tǒng)相互作用的環(huán)境。將此概念與地球相聯(lián)系，地球與大氣層可以看作一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，而太陽等就是外界。天亮之后，外界的太陽光照射到地球上，被地球表面的物質(zhì)吸收，當(dāng)這些物體以紅外光的形式向外輻射能量時(shí)，卻被甲烷和二氧化碳等溫室氣體吸收。也就是說，當(dāng)太陽光以可見光的形式進(jìn)入地球時(shí)，這些光可以穿過大氣層被地球表面吸收，可是當(dāng)?shù)乇肀患訜岷螅约t外光向外輻射能量時(shí)，因?yàn)榧淄楹投趸紝?duì)紅外光有很強(qiáng)的吸收，這些能量被大氣層嚴(yán)重吸收，地球與大氣層組成的熱力學(xué)系統(tǒng)吸收了熱量，卻極少地向外界傳遞熱量，因此升溫。其功能類似于溫室的作用，因此稱為“溫室效應(yīng)”。將大學(xué)物理的熱力學(xué)與安全專業(yè)學(xué)生特別關(guān)注的瓦斯安全、氣候安全相結(jié)合，能夠很好地增加學(xué)生對(duì)大學(xué)物理和后續(xù)專業(yè)知識(shí)的理解，也讓學(xué)生明白了“溫室效應(yīng)”的由來及熱力學(xué)系統(tǒng)等概念。

大學(xué)物理知識(shí)與專業(yè)知識(shí)相結(jié)合還有很長(zhǎng)的路要走，對(duì)于任課老師也是一個(gè)挑戰(zhàn)，雖然講授大學(xué)物理課程的老師基本都來自于物理學(xué)專業(yè)的碩士和博士，但對(duì)于其它專業(yè)的了解還亟待深入。大學(xué)物理教師須與安全專業(yè)課教師交流，深入學(xué)習(xí)安全專業(yè)知識(shí)的，并長(zhǎng)期從事安全專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理教學(xué)，最后做到融會(huì)貫通。有了連貫的知識(shí)體系，才能將物理擴(kuò)展到專業(yè)，再由專業(yè)基礎(chǔ)上升到科學(xué)前沿。學(xué)生在整個(gè)過程中學(xué)到很多普通物理課上無法學(xué)到的知識(shí)，也增加了學(xué)生的知識(shí)面。大學(xué)物理與安全專業(yè)知識(shí)的結(jié)合能夠讓學(xué)生初步了解自己所學(xué)專業(yè)涉及哪些物理知識(shí)，以及安全專業(yè)知識(shí)如何在大學(xué)物理知識(shí)的基礎(chǔ)上衍生和發(fā)展的，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理和專業(yè)知識(shí)的興趣，使學(xué)生樹立起牢固的物理思想，促進(jìn)學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域有較大的發(fā)展和進(jìn)步。[5]在當(dāng)今學(xué)科交叉日益突出的形勢(shì)下，我們應(yīng)該努力實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)教育與專業(yè)教育相互融合、相互滲透、相互交叉、相互轉(zhuǎn)化和共同發(fā)展。