陳興媚 李雙成

摘要：為了積極響應(yīng)國(guó)家大力培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的政策，傳統(tǒng)的教學(xué)方式、方法已不能勝任新的人才培養(yǎng)要求。尋求在課上既能夠?qū)W到理論知識(shí)，又能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用和改革創(chuàng)新的好的教學(xué)方法顯得尤為重要。筆者通過大膽嘗試，將“學(xué)”與“用”有機(jī)結(jié)合的教學(xué)方法引入課堂，打破書本知識(shí)滿堂灌的傳統(tǒng)教學(xué)模式，取而代之的是將理論知識(shí)在工程實(shí)踐中的具體應(yīng)用、分析及在理論知識(shí)引導(dǎo)下親自動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)裝置，觀察、總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 結(jié)果表明：此法不僅提升了學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的熱情和興趣，同時(shí)也契合了用型本科院校人才的培養(yǎng)要求。

Abstract： In order to actively respond to the national policy of vigorously cultivating applied undergraduate talents， the traditional teaching methods can not meet the new requirements of personnel training. It is particularly important to seek a good teaching method that can not only learn theoretical knowledge in class， but also transform it into practical application and reform and innovation. Through a bold attempt， the author introduced the organic combination of "learning" and "using" into the classroom， breaking the traditional teaching mode of full-house infusion of book knowledge， and replacing it with the concrete application， analysis and production of experimental devices by hand under the guidance of theoretical knowledge in engineering practice， observation and summary. The experimental results are obtained from the experimental phenomena. The results show that this method not only enhances students'enthusiasm and interest in curriculum learning， but also meets the training requirements of talents in practical undergraduate colleges.

關(guān)鍵詞：“學(xué)”與“用”教學(xué)改革;大學(xué)物理;法拉第電磁感應(yīng)定律;地下金屬管線探測(cè);汽車驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)

Key words： "learning" and "using" teaching reform;college physics;Faraday's law of electromagnetic induction;underground metal pipeline detection;automobile driving and braking

0? 引言

21世紀(jì)以來隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)對(duì)不同類型人才的需求量逐年加大，為滿足社會(huì)發(fā)展的需要，國(guó)家對(duì)高校人才培養(yǎng)模式做出了重大調(diào)整。2014年3月中國(guó)教育部改革方向已經(jīng)明確：全國(guó)普通本科高等院校1200所學(xué)校中，將有600多所逐步向應(yīng)用技術(shù)型本科院校轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)型的大學(xué)本科院校正好占高?？倲?shù)的50%。作為轉(zhuǎn)型中的各大高校教師如何積極響應(yīng)國(guó)家政策，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式、方法，將“學(xué)”與“用”有機(jī)結(jié)合，是擺在各大應(yīng)用型本科院校教師面前亟待解決的問題。

1? 大學(xué)物理課程教學(xué)綜述

大學(xué)物理作為一門理論與實(shí)踐性均很強(qiáng)的基礎(chǔ)教學(xué)課程，涉及質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、流體學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、氣動(dòng)理論、相對(duì)論、熱學(xué)、量子力學(xué)等十幾個(gè)章節(jié);而每一章節(jié)又均可成為獨(dú)立的專業(yè)領(lǐng)域，可以說理論物理是橫跨諸多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，而這種跨域性較大的課程給同學(xué)們學(xué)習(xí)帶來了一定的難度。但學(xué)好該課程不僅可以輔助幫助其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，更重要的是能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)腦探索未知科學(xué)的積極性。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是：教師在課上講理論，課后布置點(diǎn)相關(guān)知識(shí)的作業(yè)，一學(xué)期做有限的幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行理論測(cè)驗(yàn)評(píng)定出成績(jī)。這種教學(xué)模式固然沒有錯(cuò)，但對(duì)于提升學(xué)生吸收知識(shí)，消化知識(shí)，將知識(shí)轉(zhuǎn)化于實(shí)踐效果不佳，甚至?xí)l(fā)學(xué)生的厭學(xué)情緒。因此作為教師要能夠及時(shí)察覺到問題之所在，積極改變教學(xué)方法，將“學(xué)”與“用”有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生的思維跟著指導(dǎo)教師的步伐走，這樣才能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2? “學(xué)”與“用”教學(xué)方法的應(yīng)用

2.1 地下管線探測(cè)

偉大的哲學(xué)家培根先生曾經(jīng)說過，知識(shí)就是力量，其實(shí)后面還有一句更重要話就是運(yùn)用知識(shí)的技能。在物理學(xué)習(xí)中幾乎每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都與實(shí)際問題有著密不可分的關(guān)系。如在講完法拉第電磁感應(yīng)定律這部分內(nèi)容后，可以把法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)際應(yīng)用做個(gè)適當(dāng)?shù)闹v解來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如在城市建設(shè)、化工、石油等部門的生產(chǎn)施工中往往需要確定地下金屬管線的位置、走向和埋藏深度。金屬管線被埋于地下并與土壤接觸，而土壤的電阻率？籽t遠(yuǎn)大于金屬的電阻率？籽j（即？籽t>>？籽j），在一定的管線長(zhǎng)度范圍內(nèi)，可將土壤與金屬管線所組成的系統(tǒng)近似看作是一條閉合回路，當(dāng)把金屬管線通以交變電流i時(shí)，由于？籽t>>？籽j，因此土壤的電流密度遠(yuǎn)小于金屬管線上的電流密度，金屬管線上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度亦遠(yuǎn)大于管線附近土壤中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。（注：地下金屬管線上的交變電流的產(chǎn)生一般采用兩種方法：一個(gè)是感應(yīng)法，原理如圖1所示：將交變電源接到感應(yīng)線圈上，感應(yīng)線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)對(duì)金屬管線激發(fā)生交變電流感應(yīng)電流。二是直接法，原理如圖2所示：將裸露于外的金屬管件一頭直接接上交變電源，另一端接到一根接地棒上。）現(xiàn)將金屬管線近似看做載流為i的無限長(zhǎng)直導(dǎo)線，根據(jù)安培環(huán)路定理，在金屬管線附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為：B=;（注：？滋=？滋0？滋r），這里的r為金屬管線到所考察點(diǎn)的距離。磁力線分布為一組無頭無尾的封閉同心圓，而磁場(chǎng)的方向沿同心圓切線方向。參見圖3所示。若將金屬管線正上方地表c作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，則距點(diǎn)c均為x的對(duì)稱兩點(diǎn)a、b磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba和Bb可分解為水平和垂直兩個(gè)分量即：、，由圖3得：

式中x為a、b兩點(diǎn)到c點(diǎn)的距離，h為金屬管線埋深。由于金屬管線上通的是交變電流，因此產(chǎn)生的磁場(chǎng)亦為交變磁場(chǎng)?，F(xiàn)將一個(gè)匝數(shù)為N、橫截面積為的直螺線管放在地面上讓螺線管的軸線與地面垂直（即：將螺線管立于地面上），螺線管的橫截面積S要足夠小，這樣螺線管內(nèi)的磁場(chǎng)可近似看做是均勻磁場(chǎng)。當(dāng)螺線管處于地面不同位置時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，在螺線管中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：;式中為電流的變化率，在金屬管線正上方c處，磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量為零即=0（即：=Bcos9°=0），由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算可知：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦為零即？著c=0。除點(diǎn)外其它各點(diǎn)由于≠0，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不為零，在螺線管兩端就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在，通過理論計(jì)算與實(shí)測(cè)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在地面上分布大致如圖4所示。在？著=0點(diǎn)處的正下方就是金屬管線埋設(shè)的確切位置。如果使螺線管的軸線與地面成45°角，如圖5所示，由上面的討論可知點(diǎn)a的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？著a=0，其余各點(diǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均不為零，這時(shí)螺線管的軸線通過金屬管線的中心O點(diǎn)，在地表管線正上方c距a的距離ac等于金屬管線的埋藏深度h（注：？駐aco為等腰三角形）。因此，在地表上測(cè)出ac的距離就能確定金屬管線的埋覆深度。

2.2 汽車的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)受力分析

在舉例之前先來了解一下汽車驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)方式;汽車驅(qū)動(dòng)方式按照驅(qū)動(dòng)輪的數(shù)量，可分為兩輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)兩大類。一般的車輛都有前、后兩排輪子，其中直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)（或拉動(dòng)）汽車前進(jìn)的輪子就是驅(qū)動(dòng)輪。對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)又可分為：前輪驅(qū)動(dòng)和后輪驅(qū)動(dòng)兩種方式，四輪驅(qū)動(dòng)又可分為：全時(shí)四驅(qū)、分時(shí)四驅(qū)、適時(shí)四驅(qū)、適時(shí)混合驅(qū)動(dòng)等。這里限于篇幅，僅對(duì)日常使用量較大的前輪兩驅(qū)系統(tǒng)做討論，其他不做論述。汽車制動(dòng)系統(tǒng)是指對(duì)汽車某些部分（主要是車輪）施加一定的力，從而對(duì)其進(jìn)行一定程度的強(qiáng)制制動(dòng)的一系列專門裝置。制動(dòng)系統(tǒng)作用是：使行駛中的汽車按照駕駛員的要求進(jìn)行強(qiáng)制減速甚至停車;使已停駛的汽車在各種道路條件下（包括在坡道上）穩(wěn)定駐車;使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定。隨著科技的發(fā)展汽車制動(dòng)方式也越來越多，性能也越來越強(qiáng)，常用的有鼓式制動(dòng)、盤式制動(dòng)機(jī)電空單元等。在設(shè)計(jì)汽車的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)之前要對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力進(jìn)行受力分析。而這部分內(nèi)容又是物理學(xué)中力學(xué)部分的內(nèi)容。學(xué)完力學(xué)的知識(shí)后可以舉例汽車驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)力的受力分析案例來對(duì)力學(xué)部分內(nèi)容加深認(rèn)識(shí)和鞏固;如：圖6所示為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)變速箱內(nèi)部的齒輪帶動(dòng)外部傳動(dòng)軸和軸上連接的輪子運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)變速箱內(nèi)部齒輪嚙合齒比來控制汽車的運(yùn)行速度。該裝置對(duì)后輪的驅(qū)動(dòng)力矩為M，力矩M使后輪做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使輪子與地面接觸點(diǎn)有向后滑動(dòng)的趨勢(shì)，即地面對(duì)后輪的的摩擦力為Ff1，方向如圖所示;該力為后輪驅(qū)動(dòng)汽車啟動(dòng)的外力，也是地面給后輪的摩擦力;前輪為被動(dòng)輪，其與地面接觸點(diǎn)有向前滑動(dòng)的趨勢(shì)，即地面給前輪一個(gè)向后的摩擦力Ff2，方向如圖所示;Ff2為阻礙汽車前進(jìn)的外力。因此只有當(dāng)Ff1>Ff2，汽車才能獲得向前的加速度而啟動(dòng)，否則汽車就會(huì)出現(xiàn)打滑而不能前進(jìn)。從能量角度看，在輪子不打滑的情況下，地面與車輪之間為靜摩擦力，并不做功，汽車的驅(qū)動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)力做功使汽車獲得動(dòng)能，而摩擦力僅是實(shí)現(xiàn)內(nèi)力做功的條件，而非摩擦力做功使汽車獲得動(dòng)能。為使問題簡(jiǎn)單起見，忽略前輪摩擦力，現(xiàn)在來討論后輪與地面間的摩擦系數(shù)？滋至少為多少才能避免打滑。如圖7所示，設(shè)汽車質(zhì)量為m，前后輪相距為2l，質(zhì)心C距地面高度為h，且距前后輪等距，地面給前后輪的支持力分別為：fN1和fN2，方向如圖所示;汽車向前的加速度為a，則由牛頓運(yùn)動(dòng)定律及質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律得：

再根據(jù)繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定律得：

連立式（1）～（3）解得：

所以后輪不打滑的條件為：

在遇到路上結(jié)冰或者下雨天時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)大大減小，即式（6）不能滿足，因此會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。再者從式（4）和（5）可以看出，隨著加速度a的增加，F(xiàn)N1增大、FN2減小，這表明地面對(duì)后輪的支撐力增加，對(duì)前輪的支撐力減小。而支撐力是被動(dòng)力，支撐力變化的原因是輪胎對(duì)面的壓力變化引起的。也就是說，隨著加速度a的增加，后輪對(duì)地面的壓力增加，前輪對(duì)地面的壓力減小，這意味著車尾下沉，車頭上抬;反之，汽車在減速時(shí)，加速度a變?yōu)樨?fù)值，這時(shí)后輪對(duì)地面的壓力減輕，前輪對(duì)地面的壓力增加，結(jié)果車頭下沉，車尾上抬。如果汽車剎車過猛，以致則FN1<0，這意味著后輪離地而騰起，這時(shí)汽車剎車引起的慣性力Fi=ma，對(duì)前輪與地面的接觸點(diǎn)Q的力矩已大于重力對(duì)Q點(diǎn)的力矩，即因而整個(gè)汽車會(huì)繞Q點(diǎn)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)造成重大翻車事故。當(dāng)然類似的案例還有很多，如在講解完拋體運(yùn)動(dòng)這部分內(nèi)容后，可以引用美國(guó)很有聲望的zacchini家庭馬戲團(tuán)表演作為案例（如圖8所示），該馬戲團(tuán)在1939～1940年將演員Emanuel Zacchini作為人體炮彈，從炮膛射出越過三大摩天輪（注：摩天輪高度為18米，水平跨度達(dá)69米），最后落入網(wǎng)中。他是如何判定網(wǎng)應(yīng)放置的位置的，他又如何能確定自己一定能夠飛過摩天輪？再如：在講完力與運(yùn)動(dòng)這部分內(nèi)容時(shí)，可以引用日常生活中一只貓?jiān)诖芭_(tái)上睡覺，如果它不小心從七、八樓或更高樓層掉落（如圖9所示），而它的受傷程度（如骨折或死亡的可能性）是隨著樓層的高度的增加而減小的。那么，危險(xiǎn)為何會(huì)隨著樓層的增加而減少呢？在講解到波動(dòng)光學(xué)這部分內(nèi)容時(shí)，引導(dǎo)大家在日常生活中就如何能夠得到相干波和相干光這個(gè)問題，自己利用身邊的現(xiàn)有材料親自動(dòng)手組裝實(shí)驗(yàn)裝置得出結(jié)果并總結(jié)其特性等等。對(duì)于這些案例的具體實(shí)施本文限于篇幅不再做詳細(xì)贅述。通過這些實(shí)例的詳細(xì)剖析，同學(xué)們不僅對(duì)物理知識(shí)有了深入的理解，更重要的是它激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的積極性。這主要要?dú)w功于學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的看法和感知有了實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變。通過調(diào)查了解：以前同學(xué)們腦海里始終有一個(gè)不好的印象就是物理學(xué)不僅古老（注：有些內(nèi)容已達(dá)幾百年）、難學(xué)，而且這些知識(shí)似乎離我們?nèi)粘Ｉ詈苓h(yuǎn)很遠(yuǎn)，學(xué)完后感覺也沒什么用。而現(xiàn)在講完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)就將其引用到工程實(shí)踐或身邊的日常生活實(shí)例中去，亦或可以親自動(dòng)手將其用之于實(shí)踐，這在無形當(dāng)中拉近了學(xué)生與該學(xué)科之間的關(guān)系，同時(shí)也體現(xiàn)出“學(xué)”與“用”在教學(xué)過程中的巨大魅力。

3? “學(xué)”與“用”教學(xué)方法的意義

人類至誕生那天起就沒有離開過“學(xué)”與“用”這兩個(gè)字。它是推動(dòng)人類思想和社會(huì)進(jìn)步的階梯?！皩W(xué)”與“用”從更深層次去理解為：“用”是外因，“學(xué)”是內(nèi)果。外因與內(nèi)果是相輔相成不可分割的整體，教師傳道、授業(yè)就是這樣一個(gè)整體。在教學(xué)活動(dòng)中，教師將自己的所學(xué)、所知應(yīng)用于傳授知識(shí)中去，這本身就是“學(xué)”與“用”的良好體現(xiàn)。教師如何將所傳授的知識(shí)讓學(xué)生轉(zhuǎn)化于實(shí)踐（要會(huì)用），這就是“學(xué)”與“用”的進(jìn)一步升華，也是“學(xué)”與“用”教學(xué)方法的真正意義之所在。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在教學(xué)過程中將“學(xué)”與“用”有機(jī)結(jié)合不僅能促進(jìn)教師教學(xué)水的平進(jìn)一步提升，改善學(xué)生對(duì)較難課程的認(rèn)知，更是扭轉(zhuǎn)了同學(xué)們對(duì)較難課程的怕學(xué)、厭學(xué)、逃學(xué)的不良心理，鍛煉和提升了同學(xué)們學(xué)以致用的綜合能力。同時(shí)“學(xué)”與“用”教學(xué)過程的具體實(shí)施也彰顯出應(yīng)用型本科院校教學(xué)特色。

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