在卓越工程师计划中大学物理应力如何与专业相结合的研究

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在卓越工程师计划中大学物理应力如何与专业相结合的研究 【摘 要】卓越工程师教育培养计划中提出基础课程要与专业相结合的办法培养学生创新能力和逻辑思维能力，同时应用型本科大学物理教学改革的重点之一是改革教学理念，优化、调整教学体系和内容.因此我们应敢于建立创新的教育观念，科学合理地选择教学内容，同时注重与学生专业相结合培养出高质量的工程技术创新型人才。
【关键词】卓越工程师计划；大学物理；应力；教学改革
“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，其重要特点之一是强化培养学生的工程能力和创新能力。而作为当代高新技术发展的基础与源泉的物理学不仅是学生学习科技知识的基础课，也是培养学生科学素质和创新能力的重要渠道[1]。我校积极响应国家号召开展“卓越工程师计划”，提出在为同学们讲解相关物理知识时要与学生专业有机结合的策略。我们紧跟时代步伐和适应形势发展的要求，提出在保证学生们学习基础理论知识的同时，打破现有物理学科传统课程教学体系，引入新内容，结合相关专业，给学生们未来的发展和创新打下坚实的相关基础的实施方案[2]。
近年来，随着材料科学，生命科学，微电子技术等新兴学科的迅速发展，不少高校的大学物理课程教学紧跟时代的步伐，，在内容和模式上进行了大量的改革和探索。大家力求在有限的学时内减少经典，增加现代物理的相关知识，使学生们掌握的物理知识能够与时代的发展同步，如同济大学、郑州大学、清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学、浙江工业大学等大学在这方面已经做出了很多工作。
我们结合本校实际情况，在讲解大学物理内容如作用力与反作用力，弹性力和波的形成时引入了应力方面的内容，目的是使学生体会到本课程与专业之间的依托关系，从而能够找到物理课程在其专业领域中的位置，这样的特色教学不仅可以大大提高学生的学习积极性，起到事半功倍的效果，还能使学生们的思维更加开阔，在未来的学习和工作中创新性地解决涉及应力的各类问题提供知识储备和基础。
物理学是整个科学技术领域中的带头学科，物理教育在高等教育中具有极其重要的地位，特别是在工科专业教学中尤其重要。然而现阶段大多数高校针对不同的专业采用统一的教材、统一的学时、统一的教学内容，其中部分内容涉及应力问题，但都是一笔带过，并未做深入的探讨。事实上，应力普遍存在于普遍存在于光学薄膜与器件，半导体器件，新型材料，化工工艺，机械制造，土木建筑，地质等多个领域，是多个学科的重要内容之一，但我们以前未给予相应的重视[3，4]。随着大学物理被列入我校“卓越工程师计划”的重要基础课程，我们必须更多地关注应力在“卓越工程师计划”专业中的应用与发展前沿，以此来拓宽学生们的知识面，为学生们在工程实践中创新性解决应力的相关问题提供条件。
一、应力在不同专业中的应用
应力简介：应力的定义为材料受外力后，单位面积上所承受的附加力。实际上该定义在不同领域有着不同的用途和形式。例如薄膜应力按照应力在作用方向上有张应力和压应力之分。薄膜中的应力按形成机理的不同，可以分为热应力和内应力。薄膜中的总应力是内应力与热应力之和。若薄膜与基片的热膨胀系数不同，成膜时基片的温度又不同于应力测量时的温度，就会山此产生热应变，从而导致热应力的产生。另外成膜过程中，由于基片温度的不均匀分布会导致热应力[5，6]。
食品科学与工程领域：随着生活水平的口益提高和消费倾向的变化，人们对食品及原料品质的关注不再仅仅是营养成分和卫生状况，对其物理性质、质构特征也提出了更高的要求。食品的结构破坏是它的内部相邻部分之间连接结构的破裂，其破坏是宏观可见的，破坏程度取决于食品的组织构造和外力特点，食品工作者应该了解食品材料的应力、应变、变形、断型机理等性质，这不仅对制备食物有很大帮助还能有助于我们将食物做得更可口宜人。在小变形实验（应力松弛）中是在不破坏食品样品的情况下，使食物瞬时加载应力造成非破坏性变形，通过这一变形的恢复过程来把握其内部应力变化的历程，其解析结果在食品原料质构分析中起到非常重要的作用。我们可以测定部分食物的的应力松弛曲线，并分析食物的主要化学成分，研究米饭的应力松弛参数与化学成分的关系，为食物蒸煮工艺的优化和新型炊具的开发提供基础数据[7，8]。
机械加工领域：机械加工中工作由于经常受到切削力和切削热的作用，其表面层力学性能将产生很大的变化，对基体材料性能的造成了很大差异，这些差异主要表现表在层的金相组织和硬度的变化及表面层出现的残余应力。而结构件的焊接残留应力、塑性加工所形成的残留应力、材料热处理所产生相变态残留应力、多重批覆层材料接口牵引的应力场均有残余应力的存在。残余应力的存在对于工程材料的运用性有很大的影响，对于材料的使用寿命、安全设计上的考虑、以及机械与物理性质的变化，时常扮演关键性的角色[9]。
建筑工程领域：混凝土的应力应变关系，是研究钢筋混凝土强度、裂缝和变形理论的重要依据之一。一些复杂的重大钢筋混凝土结构，如反应堆压力容器、水坝、海洋工程等结构中，混凝土处于明显的应力状态。其承受的应力可能是压或拉应力的不同组合。研究混凝土在应下的强度变化规律和准则，对于建筑结构的合理设计、安全运行和节省建筑材料有着重大意义[10]。
电子科学与技术，电子信息工程，集成电路和半导体器件领域：为了使集成电路技术能延续摩尔定律所揭示的发展速度，通过工艺、材料、结构参数的优化设计，研究半导体纳米器件中应力、应变的控制有重要的科学意义和实用价值，例如，通过在沟道中引入适当的压应力和张应力能分别提高PMOS的空穴迁移率和NMOS的电子迁移率。典型的PMOS应变硅器件可通过外延SiGe源漏引入沟道压应力，利用源漏和沟道的晶格常数失配控制应变大小，进而改善空穴迁移率；而对于NMOS应变硅器件则可通过淀积SiN薄膜引入沟道张应力，利用SiN薄膜的高本征应力控制应变大小，进而改善电子迁移率[11]。二、物理中深入讲解应力与专业结合的必要性
1.由应力本身的重要性决定
应力的研究有强烈的社会需求背景和广阔的发展潜力，应力在薄膜光学，金属制造，食品加工，工程机械，建筑力学，电子科学与技术，电子信息工程，集成电路和半导体器件，新材料，医学和地质学中均有不同程度的运用[12-17]。例如在在光学薄膜的制备过程中由于品格失配、热膨胀系数失配、薄膜在沉积过程中分子之间的相互作用以及薄膜内部存在着各种宏观缺陷，从而使薄膜基板系统中存在着应力，研究光学薄膜的应力行为，控制薄膜应力对提高光学薄膜的性能就具有有重要意义。在一定条件下控制应力使机械零件残余应力合理分布，可以提高零件的机械性能和使用寿命，将其变害为利。研究机械工程领域钢在热处理过程中应力的分布和变化规律，使之合理分布对提高产品质量具有深远的实际意义。
2.有助于掌握物理知识和领会物理精髓
应力研究涉及物理、机械、地质、电子、化学、材料、地质和计算机模拟等多个等领域，综合性较强。而且目前包括我国在内的各领域均已取得一定的成果。
了解和学习应力研究成果、不仅有助于学生联系基础和专业知识，还有助于丰富学生知识面、培养学习和科研的热情。如通过介绍应力研究涉及到的科学仪器如牛顿环测试装置，XRD衍射仪，拉曼衍射仪，CCD测试与计算，超声波测试仪，原子磁性共振仪等仪器[18]，这样可以让学生了解当前的一些先进仪器的原理和使用方法，更能让学生知道曾学习过的光学显微镜等仪器的适用范围和缺点，还能让学生知道科学研究是一个探讨的、不断发展的过程，任何知识都有自己的适用范围，都需要不断改进和升华。
3.有助于培养创造性思维
大学生学习动力来源较多，如适应社会发展的需要、对知识的渴求、对未知科技领域好奇等。目前大学物理教材虽然已经改版上百次，取得一些成果，但是其内容并未得到根本的、有效的改革。陈旧、重复知识较多，复杂数学推导较多，无助于学生今后发展的知识较多。相反，用、新、趣的知识（如：应力研究）内容较少而使学生失去兴趣和动力。事实上，应力的研究虽然在近50年发展的极为迅速，并已取得极为丰富的成果，但仍处于研究的初始阶段，还有许多领域未曾研究透彻，如多层膜、合金膜、颗粒膜等等，关于应力研究的实用化和理论认识还没有取得最终突破，还有很多工作需要开展。因此对应力的学习和对其研究动态的了解不仅有助于学生对面前的科研任务艰巨性的认识，也有助于学生积极探索、开放思路、自我形成创造性思维。
三、开展大学物理应力及其专业相结合的对策
1.提高教师科研素质
应力涉及领域具有全、新、深的特点。教师只有具备较高科研素质和浓厚兴趣，才能了解和熟悉应力及其研究动态，从而对其进行深人探讨，才能将应力和现有大学物理教材有机结合，形成统一体系。然而由于各种原因，物理教师专业和兴趣参差不齐，因此只有提高教师的科研素质，才能应对教育和科技发展的新形式。
2.将大纲和学生的实际情况有机结合
目前工科大学物理教材经过多年的改革已取得了不少成就，不仅具有体系完整、层次分明、概念清晰、逻辑性强等优点，还补充了一些当前物理学发展的新成就。如赵近芳等编的《大学物理学》（北京邮电大学出版社，2003）大量压缩了原有大学物理内容，对之进行了调整，并在最后一章补充了新技术的物理基础。但遗憾的是，当前教材对新技术，尤其是应力的补充太少，导致了教学内容仍有旧、难等感觉，难以从物理学角度激发学生的现代意识和创造热情，难以培养适应科学技术迅速发展的科技人才。因此，应将现有大学物理教材的优点与新技术，尤其是应力等有机结合。
另外，物理教师还应与专业教师进行深入、广泛交流，将物理基础与具体专业有机地结合，才能制定适合学生实际的教学目标，使学生学习成为逻辑的、连续的有连续的有机过程，才能培养出基础扎实、知识面宽、科技学习兴趣浓的适应21世纪的大学生。
3.组织必要的小专题会议
由于近年来，各工科院校不同层次地压缩大学物理学时，尤其是个别专业已被压缩到不足60学时，导致在有限的课堂学时内既要完成基础内容和方法的介绍，又要补充对学生有用、有趣的新技术知识，其难度非同一般。因此可根据学生实际情况，选择合适课题组织一些专题专门小会议以拓宽学生在某领域的必要知识。通过专题介绍，既可让学生及时了解国内外相关领域动态，丰富学生知识面，认识到学习的必要性，又可激发学生探索新科技的积极性和探索未知领域的热情。
4.吸引学生参加应力前沿小课题
单纯的知识介绍虽可以让学生更快掌握知识，但学生是在被动学习。只有让学生亲身体验，才能培养主观能动性。由于目前条件限制，少有学生直接使用应力方面的研究实验和设备，因此让学生参与老师的课题或让学生设计一些简单的应力方面的小课题，有助于学生了解科学研究并非学习那样一帆风顺，目前还存在很多需要探索的领域。这有助于培养学生的动手能力和创新能力。
四、结束语
工科大学物理在素质教育中的地位和作用决定了大学物理改革的必要性。尽管多年来，物理改革从减学时到变内容，从教研室与实验室的独立到物理应用研究室的成立等作了较多的尝试和改革，然而离真正意义上的素质教育还有很大距离。怎样找到大学物理教学在卓越工程师教育培养计划的准确定位，又能与学生们的专业相结合（如在不同专业的教学中引入应力内容），还能够大量舍去陈旧、无效、累赘、重复、僵化的知识而补充能开阔学生视野、丰富知识面、有助于创新性培养的教学体系是一项艰巨的任务，需要教育同行的不懈努力。
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本文系2012年南阳理工学院教学改革研究项目：基于卓越工程师培养计划下的大学物理教学改革与创新研究（基金编号：087122）。
作者简介：王生钊（1980—），男，河南南阳人，博士，现供职于南阳理工学电子与电气工程学院，研究方向：光电薄膜及其应力研究。 与专业相结合的大学物理教学探索 摘要 从当今大学物理教学现状出发,分析大学物理教学与专业课程难以有机结合的原因,提出加强专业思想教育、精选教材和开展专题研究、制订不同的授课计划、合理决定教学侧重点4种措施,使大学物理教学与专业课程紧密结合。
关键词 大学物理;教学;基础课;专业课
中图分类号:G642.4 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)12-0042-02
Questing for Combining Speciality with College Physics Teaching//Chen Li, Chen Qiaoling
Abstract Basic on the present college physics teaching condition, the paper analyses the cause of difficulty combining college physics teaching with professional course, brings forward four measures of intensifying speciality virtue education, choosing exquisitely textbook and carrying out research project, drawing up different teaching plans, deciding reasonably teaching focus, to make combining college physics teaching with professional course closely.
Key words college physics; teaching; basic course; specialized course
Author’s address Department of Mathematics and Physics, Fujian Engineering University, Fuzhou, China 350007
1 前言
大学物理作为工科高校主要公共基础课之一,内含丰富的物理学以及人类认识自然的思想精华,它可以培养学生科学思维方法,培养学生创新能力、理论联系实际能力、工程实践能力、实践动手能力。因此,大学物理在整个知识体系中有着极其重要的地位,物理学教学的实施直接影响教学效果,对构建大学生的素质平台举足轻重。但在实际的大学物理教学过程中,由于大学物理的一些知识点理论性强,实验操作比较困难,与专业课程难以有机结合,因此,如何既保证物理学本身的系统性、全面性,又紧密而有效地与专业的特点相结合,与当代物理学的发展动态及专业发展的方向相结合,已是现代高等教育中必须考虑的问题[1-3]。通过大学物理教学与专业课程的结合,可以提高学生的学习兴趣,全面提升学生的科学素质和分析问题、解决问题的能力,夯实学生的基础,为以后的专业基础课与专业课学习打下坚实的基础。故探讨大学物理教学与专业课程的结合具有积极的意义。
2 与专业课程难以有机结合的原因分析
当前福建工程学院给排水工程、土木工程、电子工程、计算机、机电工程等专业都开设了大学物理课程,在大学物理教学中存在以下现状。
2.1 重要性认识不够,缺乏专业思想
很多学生在学大学物理时,时常会发出一些抱怨:“学习大学物理有什么用?以后的专业和工作与大学物理所学知识没有多大的联系!”[4]学生对重要性认识不够,缺乏专业思想,造成部分学生厌学,上课不专心,课后不复习,作业不认真。学生理解不了大学物理的重要性,不能引起应有的重视,甚至有些学生以获得学分为目的,提升不了学习兴趣,学习效果不明显,从而影响后续专业基础课与专业课的学习,影响全面发展。
2.2 缺乏与专业相适应的教材当前,大学物理课程仍然沿用几十年前的教学体系,由力学、电磁学、光学及近代物理的少数部分内容组成[5]。经典物理和现代物理的比例悬殊,现代物理技术和物理前沿内容涉及很少,缺乏理论知识的应用,特别缺乏与专业相配套的应用内容,缺乏与各专业相适应的教材,已难以适应高校工科不同专业对培养高科技人才的需求。
2.3 教学内容无侧重大学物理是工科专业必修的公共基础课程,由于承担大学物理课程的教师一般是从师范大学物理类专业毕业,缺乏对各专业知识的了解。因此,大学物理教学中,对每个专业的学生统一采用相同的授课计划、相同的授课内容、相同的授课重点,且授课教师在教学内容取材和设计上,偏重于理论知识和理想化条件下的讨论,造成理论与实际的脱节。
3 解决措施
3.1 加强专业思想教育大学物理是学生进入大学后学到的第一门课程,即大一学大学物理。此时,他们对自己的专业还不了解,因此,应要求在开学初对学生进行专业思想教育,让学生了解自己所学专业是做什么的,涉及的内容有哪些,激发学生对所学专业的兴趣,使学生有牢固的专业思想,才会有学习专业基础课及专业课的积极性和思想动力。
在大学物理教学时,应把物理教学内容与专业知识相结合,潜移默化地进行专业思想教育。如针对工民建专业,可以把全站仪与物理课中无线电波、光的发射、接收等知识相结合;对计算机专业,可以把光盘、磁盘的读写原理及鼠标定位的工作原理与电磁学、光学的知识相结合;对电器专业,可以把电磁灶等电器工作原理与电磁感应、涡电流等知识相结合。这样加强前后知识的联系,让学生预先了解他们将要学习的有关专业内容,使学生真正体会到学物理与掌握专业知识的密切关系,从而激发他们学习物理的兴趣,同时反过来为学好专业基础课及专业课打下基础。
3.2 精选教材,开展专题研究针对缺乏与大学物理相适应教材的问题,首先可让一些有专业功底、教学经验丰富的教学名师,结合物理教学编写介绍物理与专业相适应的专题教材,或先自编教材,在学生试用一段时间,经过几轮试用,再最终出版;其次,以专业中的物理问题作为实例进行分析,弥补教材不足,有利于拓展视野,拓宽知识面,激发学生学习物理的兴趣,增强应用物理知识解决专业问题的意识和能力。
3.3 制订不同的授课计划不同专业若用同一个教学计划,则使物理教学不能有的放矢,不能很好地为专业基础课及专业课服务。为此,在教学中必须根据专业特点,强调针对专业实际调整和充实内容,删减与专业联系不紧的知识,精选补充最基本、最必要、最实用的内容,制订不同的授课计划[4,6-7]。对于各个专业要制订不同的授课计划,必须熟悉该专业的培养计划、该专业所学的全部课程。因此,根据该专业的培养计划找出与大学物理课相关联的科目和课程内容,有针对性地调整大学物理课对该专业的授课计划,在保证基本的大学物理教学体系的情况下,根据专业特点进行不同内容的教学侧重,为专业的后续课程做好必要的理论铺垫。
3.4 合理决定教学侧重点大学物理教学中,理工科专业在保持内容体系基本完整的前提下,应依据本专业的特点对物理学的各部分内容有所侧重和增减教学内容[7-8]。如建筑环境与设备工程、热能与动力工程等专业对力学、热学知识的需求多一些,对这类专业,就要加深力学、热学部分的教学内容。环境工程、食品工程、制药工程等专业用的热学、电磁学知识更多一些,有必要加强这两部分的教学。同时还要根据这几个专业后继课程的需要增加流体力学的内容。电子工程专业用的电磁学、光学需求多一些,可加强这两部分的教学。
大学物理存在内容多、学时少的问题,也应根据专业实际情况,增减教学内容。如对电子、电气化专业减少热学中部分内容,增加热敏、光敏传感元件和收音机接收原理,并运用带电粒子在电磁场中运动的知识介绍示波器及电视显像的工作原理。对机电、机制专业减少光学中部分内容,增加热学中热处理知识;结合带电导体表面电荷分布规律及静电屏蔽,增加仪器仪表的屏蔽等内容[7-8]。通过对教学内容有所增减和侧重,使学生觉得物理与自己的专业密切相关,使物理教学及时满足专业基础课教学和专业技能的需要。
4 结语
当前,大学物理教学存在与专业课程难以有机结合的问题,通过加强专业思想教育、精选教材和开展专题研究、制订不同的授课计划、合理决定教学侧重点,可以进一步提升大学物理教学效果,使物理教学的计划和内容都能及时满足专业基础课及专业课的教学需要,为专业课程实验实习奠定实践基础,及时有效地把物理知识深化并向相近专业知识迁移,从而达到物理教学为专业基础课及专业课教学服务的目的。但在实际的实施过程中存在授课教师的专业知识面不够广、学生专业课程学习计划安排冲突等问题,但只要潜心研究,梳理教学主线和知识内容的联系,则大学物理与专业课程的结合性教学将会收得愈来愈好的成效。
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  本文关键词：蒸煮工艺和化学成分对米饭应力松弛特性的影响，由笔耕文化传播整理发布。