工程实例对物理学教学的作用

摘　要：在物理教学中，适当的引入有针对性的工程实例，对于激发学生对物理课程的兴趣，培养学生的探究精神，形成严谨的思维模式，提高学生的自学能力和综合素质，有着很好的推进作用。本文以跳台跳水泳池深度研究这个工程实例为例，通过具体的分析过程，讨论了工程实例在实际教学中的作用。

关键词：工程实例；特殊问题；一般问题；思维模式
1、引言
     物理学是研究物质基本结构、相互作用，物质最普遍、最基本的运动形式及其转化规律的一门学科。物理学是人类在认识自然规律和生产实践活动中产生和发展的，是自然科学和工程技术的基础。高职高专院校的物理课程是一门专业基础课程。一方面，为技术应用型人才将来从事专业技术工作打好必要的物理基础，培养独立获取知识的能力；另一方面，对提高学生科学素养，形成思维模式，增强学生解决实际问题的能力，激发探索和创新精神，提高人才素质起着重要的作用。因此在物理教学中实现这些作用就显得尤为重要，通过长期的物理教学摸索，引入适当的工程实例，在整个物理教学过程中起到了很好的作用。下面我们就通过一个工程实例，具体来看看工程实例在物理教学的作用。
2、工程实例
     实例标题：跳台跳水游泳池的深度探究。
     待解问题：如何确定10m高台跳水游泳池的水深？
     问题分析：该问题属于动力学范畴。
     特征：变力作用下的变速运动。问题具有一般性。不同于高中阶段的特殊规律的应用分析（比如匀速、匀变速直线运动这类动力学问题）。
     解决过程：分段考虑，借助数学工具。
     ○1运动员自起跳至落水前的运动可看作是自由落体，其落到水面时的速度
    
     ○2运动员入水后，除受到向下的重力外，还受到向上的浮力和水的阻力作用。重力与浮力大小几乎相等（因人体的密度和水的密度几乎相等）。则运动员所受合力即为水的阻力，由阻力公式 ○1：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
式中，为水的密度，A=0.08㎡为运动员的身体与运动员的身体与运动方向垂直的截面积，c为阻力系数。运动员的手和脚以伸直的姿势入水，阻力较小，取阻力系数c=0.25，则选水面为坐标原点，铅直向下为x轴正向，根据牛顿第二定律有：
     
      实际上，运动员从10m跳台跳下，会深入到水中4.8~5.0m处。因此，国际跳水规则规定，10m高台跳水台前端下面的水深为4.5~5.0m。水太浅对运动员不安全，水太深不利于运动员顺利完成翻身后脚蹬池底的动作。
     类似于此类的工程实例在日常生活中随处可见。诸如，“弧形闸门省力”现象，在葛洲坝水利工程和刘家峡水利电站被采用； “静电除尘”现象，大型静电除尘器被广泛用于钢铁的烧结、冶炼、电力等生产上；“感应加热技术”在金属热处理中得到广泛的应用（金属的熔炼、焊接、表面淬火等）。
3、工程实例在物理教学中的作用
     在物理教学过程中，适当引入有针对性的工程实例，对物理学的教学过程有着很好的推进、理解、应用、探索研究及创新作用。
     首先，通过具体的工程实例，引起学生的学习热情和探究精神。同时在有目标的探究过程中，能够使学生明确物理学的规律具有普遍性和一般性。让学生从高中解决特殊问题的局限性中，逐步向解决一般问题拓展。
     当我们把这个很有指向性的工程实例抛给学生时，因为问题的具体性，同时也是学生经常在体育赛事中看到的热门项目，一下子调动了学生的学习兴趣和探究热情，学生们七嘴八舌，议论纷纷，很想解决这个问题，但是却无从下手。原因在于我们的学生在高中阶段所学习的物理规律属于特殊规律，只能应用在恒力情况下，具体对应于特殊的运动过程。例如我们常说的匀速、匀变速直线运动。而这个工程实例，恰恰是研究对象进入水后是变力作用过程，超出了他们的能力范围。有了兴趣，有了热情，我们可以引导学生分析这个问题，通过过程的分析，帮助同学明确高中物理是学习“这是什么”，而高专物理是学习“这是为什么”。从而解决生活中的一般现象。将解决问题的范围从特殊规律、特殊现象，拓展到生活中的一般规律、一般现象。让学生明确我们学习的整个过程，都是循序渐进，逐步深入的过程。
     其次，通过具体的工程实例，在分析、应用的过程中积累方法，达到提高学生分析问题、解决问题的能力，进一步促进学生形成完善的思维模式。
     物理学的研究过程，在某种程度上来说就是学生严谨的思维过程的形成过程。我们通过具体的工程实例，引导学生明确研究问题的研究范畴，然后确定研究问题的基本特征，最后找到研究问题的棘手之处。在条理清晰的分析过程中，启发学生利用已知规律，考虑如何将目前的复杂问题，简化为自身能力范围之内简单问题？带着疑问，引导学生积累方法。首先，引导学生对物理模型的理解。物理模型其实就是一种理想化方法。理想化方法对于物理学的研究和发展有着多方面的意义。○1突出研究问的题本质，使得人们可以集中精力，从关键之处寻求问题的解决，排除干扰因素；○2由于排除了次要和干扰因素，使得问题得到简化，要素间关系明朗化，有利于问题的近似解决，并逐步向真正解决逼近；○3理想化不仅是解决问题的具体方法，同时也是一种科学的抽象思维方法，所以它能够帮助人们用思辨的方法，去设计和进行一些现实中不存在或不能开展的模型或实验，以求得理论上的突破。比如该工程实例中的自由落体过程就是一个模型过程，我们在物理学中常说的质点、理想流体、点电荷、轻质弹簧等。理想化方法与目前流行的TRIZ（Theroy of inventive Problem Solving）教育理论所主张的最终理想解（IFR-ideal final result）理论有异曲同工之处。其次，明确数学方法是物理学研究的必要工具。从这个工程实例中，引导学生利用高等数学这个工具来分析一般问题。这是一个整体到局部，局部到整体的思维分析过程。例如数学中的导数，是研究变化率问题，将平均效果顺利过渡到瞬间效果，在某种程度上就是将整体细化到局部；而数学中的积分，就是连续求和问题，是将局部回归到整体的一个过程。在物理学研究过程中，这种思维贯穿始终。比如研究刚体中的质元构成的质元系，静电场中由点电荷构成的任意带电体，磁场中由电流元构成的通电载流导线等。通过数学概念、方法和技巧对物理过程进行定量的描述、推导和演算，然后对数学结果进行分析和判断，对相应的物理问题提出解释并给出结论和预见。通过对该具体工程实例的分析，我们积 累了各类分析问题、解决问题的方法，同时我们清楚的看到整个问题分析的过程，始终遵循着：提出问题、分析问题、解决问题的思维过程。实际上，我们在教育的过程中，更重要的是在培养学生能够解决实际问题的思维模式，让他们思维独立，才能成为真正独立的人，才能够成为具有创新、探究能力的人才。而思维模式的培养是一个潜移默化的过程，物理学科的严谨和科学性，通过有针对性、具体的工程实例分析，对于学生形成思维，深刻体会物理学规律对实践的指导作用，真正理解物理学来源与生活，同时又回归到生活。   
     最后，通过具体的工程实例，改变以往采用的传统教学方法，结合“行动导向法”，分组讨论，充分发挥学生的主观能动性，提高学生的协作意识，从而达到学生综合素质的提高。
     在具体工程实例的分析过程中，改变传统的教师单独讲授的教学方法，结合“行动导向法”，对班级同学进行预先分组，提前布置任务，推荐参考书目，学生自行搜集相关资料，分组协作讨论，提出并制定解决问题的方案。在整个过程中，以具体的工程实例为项目，借助明确的项目载体，学生进行有针对性的自主学习，最后在课堂上，师生在共同探讨的过程中，解决实际问题，形成完整的知识体系。在这个教学相长的过程中，改变了学生一味处于被动接受的角色，同时又避免了人单力薄的孤军奋战，发挥各人的长处，使学生在目标明确的过程中，锁定范围，自觉、自主参与其中，这样既能充分调动学生的主观能动性，发挥学生的学习潜力，同时也能提高学生的自信心，增强学生间的团队意识和协作能力，最终达到学生综合素质的提高。
4、结论
　　在物理教学过程中，适当引入有针对性而且具体的工程实例，对于学生理解物理规律，应用物理规律，形成思维，提高能力有着很好的促进作用。物理教学是个值得仔细探究的过程，也是一个长期的过程。
【注释】
○1马文蔚 苏惠惠 陈鹤鸣 主编 《物理学原理在工程技术中的应用》“6降落伞与跳伞塔”，2001。
参考文献：
[1] 马文蔚改编 《物理学教程》（上册），4版，北京，高等教育出版社，2002-7/386页；
[2] 马文蔚 苏惠惠 陈鹤鸣 主编《物理学原理在工程技术中的应用》，2版，北京，高等教育出版社，2001/331页；
[3] 程九标 张宪魁 陈为友 主编《物理发现的艺术：物理探索中的机智运筹》，青岛，中国海洋大学出版社，2002-9/501页；
[4] 徐建中主编  《物理学》2版，北京，化学工业出版社，2004-1/216页。 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jiaoyulunwen/gaodengjiaoyu/61913.html