“现代工程物理基础”课程教学的组织与实践＊

李海宝 任常愚 张晓鹏 丁红伟 尹向宝

（黑龙江科技学院理学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

1 引言

随着我国高等教育规模的不断扩大和人才需求结构的变化，近年来我国多所高校增设了一批专业方向各异的应用物理学本科专业［1］.不同学校开设的应用物理学专业，在一定程度上反映相应学校的行业特色.我校在2010年被教育部正式批准增设应用物理学专业.由于我校是黑龙江省惟一一所以矿业为特色的应用型本科高校，我校所开设的应用物理学专业，以煤矿等特殊环境下光电检测技术和传感器设计为专业的主导特色.专业所开设课程，紧紧围绕这一主导特色进行.

2 开设“现代工程物理基础”课程的意义

2011年颁布的《高等学校应用物理学本科指导性专业规范》（2010年版）在编写过程中所遵循的基本原则之一就是要拓宽专业口径，做到“科学基础宽厚，学科支柱坚实、专业特色鲜明、鼓励学科交叉、适应不同领域”.根据这一指导思想，我校重新拟定了2011年版《应用物理学专业人才培养方案》.其中专业通识教育模块所开设的课程中，增设“现代工程物理基础”和“煤矿物理检测技术”两门课程.目前“现代工程物理基础”课程已经完成了一个教学周期的开课任务.“现代工程物理基础”的课程定位为专业特色通识性课程，于学生入学后第四学期开设，计划学时为36.其先修课程是力学、热学、电磁学、光学、原子物理学等.开设该课程，目的是以工程技术发展为主线，着力培养学生的工程意识、培养现代工程观［2］；以工程为背景，将工程教育、自然科学教育、人文社会科学教育相融合，使学生掌握专业学习所具备的基础知识，基本技能，为专业学习做好准备.

根据我校拟定的应用物理学专业人才培养方案，学生毕业后应具备在物理学、光信息科学、光电子学、自动检测技术等相关领域的科学实验、科学思维与工程实践技能，具有创新意识、创业精神和较强实践能力的应用型高级专门人才.该课程的开设，应满足培养目标需要，并在以下几个方面体现其重要意义：

（1）促使学生了解现代工程技术；

（2）督促学生探寻现代工程技术中的物理原理、思想、方法；

（3）引导学生领略现代工程技术涉猎的前沿阵地；

（4）帮助学生寻找感兴趣的科研领域或研究方向。

3 “现代工程物理基础”课程教学的组织与实践

3.1 “现代工程物理基础”课程内容的遴选和组织

由于物理学是一切自然科学和工程技术的基础，课程可以选择的内容十分广泛.但在有限的学时前提下，必须对内容进行精心遴选.遴选的依据就是紧紧围绕人才培养目标的需要，有助于学生毕业后能够在物理学、光电信息检测与处理、通信、光电子技术、自动控制等领域，从事应用技术开发、产品设计、科学研究或教学、生产管理等方面工作的需要.我们遴选了现代采掘技术、现代助视仪器、现代交通工具、现代测试技术、影视听新技术、现代光电子器件、智能传感器等9个领域内，涉及的物理知识为课程讲授的主体内容.同时，在保证主体内容的前提下，适当融入一些技术领域内的前沿动态以及经济效益情况分析等内容.

在内容组织上，围绕一个专题领域进行.以“现代助视仪器物理基础”为例，“现代助视仪器”为专题领域，以人类客观需求和工程技术发展为主线，融合的内容包括光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、望远镜等.经过精心设计，将所涉及的内容进行有机衔接，既实现必要知识点的传授，又能够有效帮助学生就一个领域有一个系统性的认识；既立足于现有物理知识的讲授，又实现对接工程技术的教学目标.

3.2 “现代工程物理基础”课程教学的实践

（1）努力联系学校优势学科和特色专业

我校是一个以矿业为特色的应用型本科高校，拥有采矿工程、矿业工程等黑龙江省重点学科和国家特色专业，建有“煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理”实验室、采矿工程等省重点实验室；另设有安全工程研究所、采矿安全技术研究所等机构.我校开设的应用物理学专业，就是要以煤矿等特殊环境下光电检测技术和传感器设计为专业特色，以服务煤炭行业为基本导向.

煤矿的深部开采，需要利用更加优质、可靠的传感器.在面向学生讲解智能传感器物理基础这一专题内容时，我们侧重讲解多功能传感器在此领域内应用研究.将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，能够以较高的灵敏度和较小的误差同时探测多种信号.讲解在矿井中，例如煤矿综合检测系统中，所使用的传感器包括压力传感器、温度传感器、瓦斯浓度传感器、煤尘传感器等数十种.将来可能出现基于集成光学理论的矿用多功能传感器，即采用光学敏感材料，如改性光纤，经过合理的结构设计，将压力、温度、瓦斯浓度等敏感单元进行光学集成，从而可能实现多种物理信号的同时检测.

如果只讲解一个单一功能的传感单元，由于其传感原理只对应一个物理原理，缺少创新.但如能将多个传感单元进行集成，实现多物理信号的同时监测，这就不仅涉及一种物理原理，还涉及各传感单元间信号的优先权问题以及结构设计等问题.同时我们还向学生介绍煤矿深部开采工程中当前亟需解决的技术问题，这样就做到结合我校的特色优势学科专业的支撑，使得学生学习紧密联系实际.

（2）积极营造与专题相应的工程教育情境

工程教育情境的营造在该课程的教学中，显得十分重要.利用创设情境的方法，能提高学生的学习兴趣，并有助于学生能力培养［3］.在讲授影视听新技术专题时，我们营造了这样的场景：先利用多媒体投影机播放了一段《百年科技启示录》中《穿越时空的20世纪电视的发展》视频，让学生借此对视听技术的发展有了一个初步印象；然后在大屏幕上展示了当今市场上主流的液晶电视、LED 电视等的图文信息，以及未来大屏幕显示技术动态信息.学生受到情境的深深吸引，变得集中精力.

我们抓住时机，从最早人类萌生视听信息重现的愿望开始讲起.先后讲解了机械式显示、电子管显示、等离子体显示、液晶显示、场致发光（LED）显示中的物理学原理.在讲解各种显示技术时，注意融入技术诞生的时代特征，注意分析每种显示技术的优点和缺点.指出优点是为了说明对应显示技术诞生和生存的基础，而点明缺点则是为了引出下一升级显示技术内容.

（3）紧紧围绕专题努力拓展相关教学内容

工程设计方案的选择和实施，往往要受到社会、经济、法律、公众等多种因素的制约.解决现代工程技术问题，需要综合运用多种专业知识，这是现代工程技术的重要特征.因此，现代工程技术人员不能满足于专门知识和具体经验的纵向积累，必须广泛汲取各类知识，建成有机的知识网络，以便适应现代工程这一综合性系统的要求.

仍以影视听新技术为例，涉及的物理知识很多，在讲解一个知识点时，要做尽可能的拓展.例如在讲解液晶显示技术时，要在讲解液晶电光效应的基础上，还要讲解偏振光的干涉、马吕斯定律、三基色原理、矩阵液晶显示、LED 背光等知识和技术；在讲解3D 显示技术时，注意融入立体声采集原理、立体声记录技术、立体声还原、立体视觉原理、立体视频采集、3D 摄影机、主动快门式3D 技术、偏光3D 技术、出屏（缩屏）原理等.

（4）围绕专题教学主线对接技术领域前沿

开设课程的意义中有一条，就是努力与技术领域发展的前沿相衔接，我们认为这是这门课程开设的生命力所在.在影视听新技术的教学中，因为场致发光显示技术是当前平板电视发展的最前沿技术，为此我们花了很大的篇幅来介绍这项显示技术，给学生重点讲解注入式场致发光技术，及其超薄特性、节能特性等关键技术.在引用举例方面，我们引用了2011年，中国显示产业显示领域的领军者——京东方宣布在鄂尔多斯投建第5.5代AMOLED 生产线的这一新闻，“这条生产线也是当今世界第二条5.5 代AMOLED 生产线.不仅表明京东方的自主创新的技术能力在迈上新高度，而且意味着京东方在下一代显示技术OLED 领域与国际巨头处于同一起跑线上.只要政府持续不断地支持，我国新型显示科研与产业就一定能赶超世界一流水平.”［5］

这种做法，将使学生直面行业领域的产业前沿阵地，直接引用学生能够方便获得的相关信息，有助于提高学生的学习兴趣，有助于学生寻找自己的科学研究领域和研究方向.

（5）融入国家产业的发展政策和战略部署

我们知道，一切工程活动都是为了增进社会利益，满足社会某种目的［4］.工程的组织者和工程技术人员要充分理解社会现实的某种需要，一项工程技术的发展实际上是社会发展到一定程度时社会需求的表现.因此，对于一个成功的工程项目来讲，不仅在技术上要求先进和可行，还要在经济上实现高效益，即要求工程方案的成本最低，效益最大.因为在工程实际中会存在许多不确定的因素和相互矛盾的要求，所以须进行系统的综合平衡，以求最大限度地满足社会需要，取得满意的社会效益和经济效益.

这些内容，会反映在国家经济发展战略上来.在课堂教学中，应结合具体内容，适当融入国家产业政策和发展战略.在讲解现代交通工具这一专题时，我们讲解了超导磁悬浮列车、新能源汽车等内容.针对新能源汽车，我们为学生讲解了我国国民经济第十二个五年发展规划中，有关新能源汽车发展的产业政策，以及我国出台此项政策的客观条件［6，7］.

3.3 “现代工程物理基础”课程教学手段的选择

由于该课程内容涉及图片、视频、演示动画等众多展现载体，课程教学应以多媒体教学为主要现代化教学手段.在多媒体课件的设计上要注意风格统一、色调鲜明、主题突出、赏心悦目，同时便于学生课下自学使用.

开发和建设数字化资源是非常重要的准备工作.迅猛发展的互联网技术、声图文并茂的多媒体技术、现代化存储技术，以及不断完善的计算机硬件系统，为实现教育教学的信息化提供了平台.但教育的信息化更需要大量的数字化工程教育素材作为核心内容.事实上，当前缺少富有工程教育色彩的数字化教学资源.因此我们需要按照现代工程物理基础课程的需要，来收集、整理、开发、编撰数字化的教学资源，建立数字化教学资源库，以供使用.

同时，我们认为该课程教学应该在课堂教学之外积极拓展教学空间，充分利用互联网、万方数据库、中国知网等新媒体.在短短的36个学时中，能够完成的教学任务十分有限，不可能做到所讲授知识点面面俱到.教师必须要做到重点突出、详略得当.对于课堂教授中为保证知识体系的完整出现的，但没有深入讲授的知识点，教师指明相应参考文献的数据信息，指导学生在课下时间自行阅读和学习.

4 结论

一个学期课程结束后，我们通过问卷调查和召开师生座谈会的方式，面向学生做了反馈调查.学生对课程的教学组织形式非常满意，所学习的知识丰富，物理思想性强、趣味性浓，基本找到自己比较感兴趣的研究领域，坚定了后续课程学习的信心和动力.

开设“现代工程物理基础”课程，是我校应用物理学专业彰显特色的一项改革举措.在充分吸收国内应用物理学专业课程设置方面的工作经验后，对我校开设该门课程进行了充分地评估和准备.通过一个教学循环的实践，取得了一定的实际经验，达到了课程开设的预期效果，为我校应用物理学专业接续开设“煤矿物理检测技术”提供了借鉴经验.

［1］教育部高等学校物理学类教学指导分委员会.高等学校应用物理学本科指导性专业规范［M］.北京：高等教育出版社，2011

［2］赵国刚.“三大”教育理念与工程人才培养体系［J］.高等工程教育研究，2009，（4）：48～51

［3］李海宝，任常愚，金永君等.课堂教学中物理工程教育素材的开发与融入［J］.物理与工程.2011，21（4）：61～64

［4］首都科技网.现代工程［EB/OL］.2003－5－29

［5］中国科技网.新型显示技术：三年跻身世界四强［EB/OL］.2012－3－6

［6］中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）［EB/OL］.2006－2－9

［7］中华人民共和国国务院.中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要［EB/OL］.2011－3－16