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摘要：物理學是天文學、生物學、化學和地質學等眾多學科的基礎。物理學的美妙之處在于，用簡單的物理理論，以及少量的基本概念、方程和假設，就可以解釋和探索萬千世界中的各種現象，并能直達事物的本質。大學物理是一門以實驗為基礎的理工科本科生必修課程，在教學中適當選擇物理案例可以讓學生了解物理學在生活中的應用和體現，明白物理源于生活、用于生活，發現物理學的美妙之處。該文根據學生的專業情況、物理基礎和興趣愛好等，淺析物理教學案例內容的選擇。

關鍵詞：物理學；大學物理；教學案例

幾個世紀以來，為了節省時間、提高效率，人們一直在努力尋找更為高效的方法來完成任務，這也是科技發展的原動力之一。時至今日，人類在科技領域已經取得了巨大的進步。科技給了我們更快捷的溝通交流方式，也要求人們具備更高水準的知識和技能，不斷學習新的理論知識、技術和工作技能等。大學物理這門課程內容體系龐雜，是國內外理工科本科生的公共基礎課。但課程教學時間又十分有限，如何高效利用課堂教學時間是一個極其現實的問題。大學物理包括力學、熱學、電學、磁學、光學、量子力學、相對論等內容。力學關注物體的運動；熱力學處理具有大量粒子的系統的熱、功、溫度和統計行為；電磁學涉及與電、磁和電磁有關的領域；光學研究光的行為及其與材料的相互作用；相對論主要描述物體高速運動下的相關理論；量子力學主要研究微觀粒子行為的理論。在大學物理課堂教學過程中，如何訓練學生的邏輯思維能力、培養學生的科學探索精神和獨立解決問題的能力，一直是一個值得探究的問題。這一系列目標的實現，都要以培養學生的學習興趣為基礎。課堂教學和實驗演示能夠激發學生的學習興趣，實現對課堂教學時間的高效利用。物理實驗是幫助學生理解物理概念和定理定律、解釋物理現象本質的有效途徑，許多學生對物理實驗非常感興趣，但由于實驗儀器數量有限，而學生需求量大，大多數高校都無法同步進行大學物理的理論課程教學與實驗教學，只能讓學生交替進行實驗。在大學物理課堂教學過程中，教師可以采用演示實驗的方式填補實驗的空缺，幫助學生理解物理概念、定理定律等內容。如果演示實驗條件受限，也可以借助適當的教學案例，對大學物理實驗及演示實驗進行補充，這有助于加強學生對物理現象、物理原理的認識和理解。以下針對教學案例內容的選擇問題，談談筆者在實際教學過程中的體會。不同專業學生未來的就業方向可能存在較大差異，平日里他們的關注點往往也大不相同。例如，機電學院的學生對汽車的驅動與制動、極限加速度和極限速度等機械類問題非常感興趣；光電專業的學生熱衷于討論全息成像、激光干涉等與光學內容相關的實驗現象；化工及材料學院的學生注重觀察事物的物理化學變化過程。不同專業學生的關注點不同，其學習的側重點也有所差異。華僑大學結合各個專業的學科特點和各個學院的實際需求，對大學物理課程內容進行詳細分類。將一些章節設為所有專業學生必修內容，例如質點運動學、質點動力學、靜電場、穩恒磁場、機械振動、波動及光學等；部分章節允許學生選修，例如化學與制藥工程、生物工程與技術、環境科學與工程專業的學生可以選修剛體力學、交變電場、電磁感應等章節的內容，人工智能、網絡與信息安全、計算機科學與技術專業的學生可以選修熱力學章節內容。要明確學生的興趣和優勢，根據學生不同的專業、物理基礎和興趣愛好，在大學物理課程教學內容的講授上有所區分。

1依據學生專業選擇教學案例

1.1功能材料專業

功能材料專業的學生在材料制備實驗室經常見到球磨機，球磨機可將塊體樣品快速制成粉末狀樣品，方便進一步表征樣品性質。球磨機的核心組件是一個圓筒及里面的數個鋼球，當圓筒被電動機驅動而繞軸高速旋轉時，鋼球會被拋至一定高度，隨后脫離圓筒壁落下與塊體樣品碰撞，從而將樣品擊碎。經過多次反復碰撞，塊狀樣品可以成為顆粒均勻的粉末狀樣品。球磨機的最佳轉速是球磨機運行過程中的一個重要參數，利用圓周運動相關知識可以計算出這一參數的理論值。對圓周運動理論知識的學習，可以加深學生對球磨機工作原理的理解，進而指導學生調試和操控球磨機，達到學以致用的目的。

1.2電子信息工程專業

電磁學是電子信息工程專業一門重要的專業課，大學物理課程中電磁場這一章節對于該專業學生而言也格外重要。在授課過程中，教師可以將目前科學界對地球磁場形成的觀點作為案例引入課堂。雖然地球的磁場模式與地球深處的條形磁鐵產生的磁場模式相似，但地球磁場不是來源于大量的永久磁化材料。地球上確實有大量的鐵礦床，但地核的高溫使鐵磁無法保持永久磁化的性質。科學家們認為，地球磁場的真正來源更有可能是地核中的對流。在液體內部循環的帶電離子或電子可以產生磁場，就像電流回路一樣。行星磁場的大小與行星的自轉速度有關。木星的自轉速度比地球快，太空探測器發現，木星的磁場比地球的強；金星的自轉速度比地球慢，它的磁場也更弱。玄武巖是一種含鐵的巖石，由海底火山活動噴出的物質形成。隨著熔巖冷卻，它會凝固并保留與地球磁場方向相關的信息圖樣。玄武巖提供的一些證據證實，在過去一百萬年里，磁場的方向已經反轉了幾次。通過其他科學方法確定這些巖石產生的年代，就可以發現這些磁場周期性反轉的時間。霍爾效應這一重要的實驗現象也可以進行演示。當載流導體置于磁場中時，會在垂直于電流和磁場的方向上產生電位差。這一現象由EdwinHall（1855—1938）在1879年首次觀察到，因此被稱為霍爾效應。霍爾效應是由于電荷載流子受到磁力而偏轉到導體的一側而產生的。霍爾效應可以提供有關電荷載流子符號及其密度的信息，還可用于測量磁場的大小。

1.3光電專業

中學階段學生接觸的主要是與幾何光學相關的光學知識。而在大學物理課程中，光學部分涉及光的干涉、衍射、偏振等波動光學內容。光電專業的學生已經比較熟悉一些常見的光學現象，因此，對光學原理的應用比較關注。光學測量可以達到非接觸、高精度測量的目的，解決了接觸式測量誤差大、易形變的難題，在小型化、微型化產品的尺寸測量領域已得到廣泛應用。例如，激光衍射可以精準測量細絲直徑，干涉膨脹儀可以測量材料的膨脹系數，劈尖干涉儀可以用于檢查光學元件平整度等。激光單縫衍射照射在不同寬度的狹縫時，在接收屏上可以觀察到不同的衍射圖樣，單縫越窄，衍射現象越顯著。沿著單縫的方向，激光束的傳播受到限制，衍射條紋在接收屏上沿這一方向進行擴展。接收屏上衍射條紋對應的衍射角與單縫寬度之間存在反比關系，這一反比關系可以作為一種光學變換。單縫寬度的變化可以反映出物體之間間隔、位移、剖面等物理量的變化。陽光照射疊合在一起的兩塊紗布，透過其交錯的經緯線可以產生彩色的花紋圖樣。兩塊紗布之間產生相對位移時，彩色花紋圖樣也會隨之變化。這一圖樣稱為莫爾條紋，也稱作波紋條紋。利用重疊交叉的籬笆、蘆葦、絲襪、蚊帳等材料，也可以產生莫爾條紋。采用單色平行光照射兩個成一定角度放置、光柵常數不等的光柵，使一個光柵位置保持不動，移動另一個光柵時，可以通過莫爾條紋的位移求得光柵的位移。常見的光柵秤和數字萬能顯微鏡都采用了光柵式測量技術，這一技術在物理長度、角度、位移、重量等物理量的測量中應用廣泛[1-2]。

2依據學生物理基礎選擇教學案例

每學期開課前，教師要對學生的物理基礎進行摸底，根據摸底結果補充或調整物理教學案例。如果學生基礎相對薄弱，教師可以基于生活中常見的現象選擇物理案例，易于學生理解物理現象的本質。將一些生活常識作為教學案例引入，有助于加強學生對物理知識的理解和運用。當電源插座的火線直接接地時，電路完成但會出現短路現象；處于不同電位的兩點之間存在幾乎為零的電阻時，會導致非常大的電流，發生短路。當這種情況意外發生時，正常運行的斷路器會打開，保證電路不被損壞；但接觸地面的人可能會因接觸磨損的電線或其他裸露導體的火線而被電傷。電擊會造成致命損傷，或導致重要器官（如心臟）的肌肉出現故障，對身體的損害程度取決于電流的大小、作用時間的長短、被火線接觸到的身體部位以及存在電流的身體部位。5mA或更低的電流會引起電擊感，但通常不會造成損害或損害很小；如果電流大于10mA，會導致肌肉收縮，人可能無法主動釋放火線；如果是100mA左右的電流，即使僅通過人體幾秒鐘，也會使呼吸系統麻痹，結果可能是致命的。牛頓力學解決了運動速度遠低于光速的物體的運動問題，但未能正確描述速度接近光速的物體的運動。牛頓理論預測可以通過大的電勢差來加速電子或其他帶電粒子運動。例如，可以通過使用幾百萬伏的電位差將電子加速到0.99c（c是光速）的速度。根據牛頓力學，如果提高電位差，則電子的動能也會隨之增加，其速度可以提高至原來的數倍，達到光速的幾倍。然而，實驗表明，無論加速電壓的大小如何，電子的速度以及宇宙中任何其他物體的速度總是小于光速的。牛頓力學與現代實驗的結果相反，這反映了牛頓力學的局限性。孿生悖論是一個有趣的時間膨脹實驗：Speedo和Goslo是一對雙胞胎兄弟，他們20歲時，具有冒險精神的Speedo開始了一段史詩般的旅程，前往一個距離地球很遙遠的行星。承載Speedo的航天器相對于雙胞胎兄弟回家的慣性系能夠達到0.9999c的速度。Speedo出發半年后開始想家，立即以相同的速度返回地球。令人震驚的是，Speedo認為他只離開了地球1年，只有21歲。但他回來后發現，Go?slo已經成了90多歲的老人了。狹義相對論不僅在理論物理學中具有重要作用，在實際生活中也具有重要應用，例如核電站和現代全球定位系統GPS裝置的設計。GPS定位是利用衛星基本三角定位原理，GPS接收裝置采用高軌道與精密定位的觀察方式，通過測量無線電信號的傳輸時間測得距離，進而判斷衛星在太空中的位置[2-4]。

3依據學生興趣選擇教學案例

很多男同學對軍事尤為感興趣。第二次世界大戰期間，紅外線技術被首次應用于軍事當中。二戰后，美國、英國、法國等國家先后對紅外技術展開了軍事應用方面的研究。美國最先研制出機載紅外前視系統，隨后，英國、法國也將紅外前視系統應用在陸海空三軍領域。紅外技術以紅外線的物理特性為基礎，物質內部帶電微粒的能量發生變化而產生的一種電磁波處于可見光譜中紅光的頻率之外，其波長介于可見光與無線電波之間，紅外線光子的能量低于可見光，對一些活潑金屬可以產生光電效應，這是紅外技術應用的關鍵。利用這一效應可以把紅外光轉換成電信號，再將電信號轉換成可見光，經放大處理，使人眼可以看見紅外線照射的物體。目前，紅外技術在火控、雷達、通信、隱形夜視、制導、偵察等軍事領域都發揮著極其重要的作用。[2,5]

4依據物理原理的相關性選擇教學案例

根據日常經驗，每個人對力的概念都有一個基本理解。當我們把桌子移開時，我們會對它施加一個力；當我們擲球或踢球時，對球也會施加作用力。在這些物體運動的過程中，力將肌肉運動和物體速度關聯起來。然而，力并不總會引起物理運動。例如，當我們坐著讀書時，地球引力作用于我們的身體，但我們仍然保持靜止。另一類力稱為場力，不涉及兩個物體之間的物理接觸，而是通過空間作用實現的，例如兩個物體之間的引力。引力使物體與地球保持聯系，使行星圍繞太陽運行。一個電荷對另一個電荷施加的電場力是比較容易理解的場力，這些電荷可能是形成原子的電子和質子的電荷。磁鐵對一塊鐵施加的磁場力也是場力。在大學物理課程的實際教學過程中，可以采用適當的教學案例對容易混淆的物理原理進行區分。在波動光學這一章，根據教學進度，學生先后學習了干涉、衍射及光柵圖像產生的物理原因。然而，當本章內容全部教學完成后，一些學生卻將以上三種光學圖像產生的物理原理及相應的物理方程混淆在一起。造成這一結果的原因在于，學生沒有真正理解和掌握以上三種光學現象產生的物理原理。因此，教師在波動光學每一小節內容的講解過程中，可以進行相應的演示實驗，也可以將干涉、衍射、光柵三種光學原理在實際中的應用作為教學案例進行分析講解。例如，利用薄膜干涉原理解釋多彩的孔雀羽毛、五顏六色的肥皂泡等現象產生的物理原因；利用圓孔衍射原理解釋天文望遠鏡、電子顯微鏡分辨率的問題。只有了解光的干涉及衍射原理，學生才能理解光柵圖像產生的物理原因。在光的偏振特性講授過程中，教師也可以將偏光顯微鏡作為教學案例進行講解，利用偏光顯微鏡對鐵電、鐵磁等材料的疇結構進行現場觀察和演示。以上針對大學物理課程教學中案例的選擇問題進行了分析和討論。此外，教師還可以靈活使用頭腦風暴、合作學習小組、點擊式問題、同行實踐和辯論等教學方式，讓學生參與到教學案例的分析過程中，及時獲取學生的反饋。依據學生學習效果等反饋信息，適當調整教學案例，這樣有助于提高教學效率。在課堂教學過程中，如果學生沒有真正獲得知識，那么快速授課就是沒有意義的；如果大多數學生已經理解和掌握了授課內容，那么放慢授課速度也沒有必要。只有密切關注學生的近期發展區域，才有助于學生的學習和認知發展。綜上所述，在大學物理實際教學過程中，可以依據學生專業、興趣、物理基礎、學習效果、反饋信息等方面進行教學案例的設計和調整，這樣既有助于學生對物理概念、定理定律的理解和運用，也能讓學生深刻體會到大學物理并非空洞的理論，而是在實際生活中無處不在的。教師要用學生身邊的物理現象激發學生學習物理知識的興趣，最終為學生學習其他專業課程奠定堅實的基礎。

作者:項陽 單位:華僑大學信息科學與工程學院