陈兴媚 李双成

摘要：为了积极响应国家大力培养应用型本科人才的政策，传统的教学方式、方法已不能胜任新的人才培养要求。寻求在课上既能够学到理论知识，又能够将其转化为实际应用和改革创新的好的教学方法显得尤为重要。笔者通过大胆尝试，将“学”与“用”有机结合的教学方法引入课堂，打破书本知识满堂灌的传统教学模式，取而代之的是将理论知识在工程实践中的具体应用、分析及在理论知识引导下亲自动手制作实验装置，观察、总结实验现象得出实验结果。 结果表明：此法不仅提升了学生在课程学习中的热情和兴趣，同时也契合了用型本科院校人才的培养要求。

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.

关键词：“学”与“用”教学改革;大学物理;法拉第电磁感应定律;地下金属管线探测;汽车驱动与制动

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世纪以来随着科技的不断进步和发展，社会各行业对不同类型人才的需求量逐年加大，为满足社会发展的需要，国家对高校人才培养模式做出了重大调整。2014年3月中国教育部改革方向已经明确：全国普通本科高等院校1200所学校中，将有600多所逐步向应用技术型本科院校转变，转型的大学本科院校正好占高校总数的50%。作为转型中的各大高校教师如何积极响应国家政策，及时调整教学方式、方法，將“学”与“用”有机结合，是摆在各大应用型本科院校教师面前亟待解决的问题。

1  大学物理课程教学综述

大学物理作为一门理论与实践性均很强的基础教学课程，涉及质点运动学、力学、流体学、电磁学、波动光学、气动理论、相对论、热学、量子力学等十几个章节;而每一章节又均可成为独立的专业领域，可以说理论物理是横跨诸多学科领域的综合性学科，而这种跨域性较大的课程给同学们学习带来了一定的难度。但学好该课程不仅可以辅助帮助其他专业课程的学习，更重要的是能够培养学生的动手、动脑探索未知科学的积极性。传统的教学模式是：教师在课上讲理论，课后布置点相关知识的作业，一学期做有限的几个物理实验，最后进行理论测验评定出成绩。这种教学模式固然没有错，但对于提升学生吸收知识，消化知识，将知识转化于实践效果不佳，甚至会引发学生的厌学情绪。因此作为教师要能够及时察觉到问题之所在，积极改变教学方法，将“学”与“用”有机结合，使学生的思维跟着指导教师的步伐走，这样才能够激发学生的学习积极性。

2  “学”与“用”教学方法的应用

2.1 地下管线探测

伟大的哲学家培根先生曾经说过，知识就是力量，其实后面还有一句更重要话就是运用知识的技能。在物理学习中几乎每个知识点都与实际问题有着密不可分的关系。如在讲完法拉第电磁感应定律这部分内容后，可以把法拉第电磁感应定律的实际应用做个适当的讲解来激发学生的学习积极性。例如在城市建设、化工、石油等部门的生产施工中往往需要确定地下金属管线的位置、走向和埋藏深度。金属管线被埋于地下并与土壤接触，而土壤的电阻率？籽t远大于金属的电阻率？籽j（即？籽t>>？籽j），在一定的管线长度范围内，可将土壤与金属管线所组成的系统近似看作是一条闭合回路，当把金属管线通以交变电流i时，由于？籽t>>？籽j，因此土壤的电流密度远小于金属管线上的电流密度，金属管线上电流产生的磁场强度亦远大于管线附近土壤中电流所产生的磁场强度。（注：地下金属管线上的交变电流的产生一般采用两种方法：一个是感应法，原理如图1所示：将交变电源接到感应线圈上，感应线圈周围就会产生交变磁场，交变磁场对金属管线激发生交变电流感应电流。二是直接法，原理如图2所示：将裸露于外的金属管件一头直接接上交变电源，另一端接到一根接地棒上。）现将金属管线近似看做载流为i的无限长直导线，根据安培环路定理，在金属管线附近的磁场强度大小为：B=;（注：？滋=？滋0？滋r），这里的r为金属管线到所考察点的距离。磁力线分布为一组无头无尾的封闭同心圆，而磁场的方向沿同心圆切线方向。参见图3所示。若将金属管线正上方地表c作为坐标原点O，则距点c均为x的对称两点a、b磁感应强度Ba和Bb可分解为水平和垂直两个分量即：、，由图3得：

式中x为a、b两点到c点的距离，h为金属管线埋深。由于金属管线上通的是交变电流，因此产生的磁场亦为交变磁场。现将一个匝数为N、横截面积为的直螺线管放在地面上让螺线管的轴线与地面垂直（即：将螺线管立于地面上），螺线管的横截面积S要足够小，这样螺线管内的磁场可近似看做是均匀磁场。当螺线管处于地面不同位置时，由法拉第电磁感应定律可知，在螺线管中产生的感应电动势为：;式中为电流的变化率，在金属管线正上方c处，磁感应强度垂直分量为零即=0（即：=Bcos9°=0），由感应电动势计算可知：感应电动势亦为零即？着c=0。除点外其它各点由于≠0，所以感应电动势也不为零，在螺线管两端就有感应电动势存在，通过理论计算与实测，感应电动势在地面上分布大致如图4所示。在？着=0点处的正下方就是金属管线埋设的确切位置。如果使螺线管的轴线与地面成45°角，如图5所示，由上面的讨论可知点a的感应电动势？着a=0，其余各点感应电动势均不为零，这时螺线管的轴线通过金属管线的中心O点，在地表管线正上方c距a的距离ac等于金属管线的埋藏深度h（注：？驻aco为等腰三角形）。因此，在地表上测出ac的距离就能确定金属管线的埋覆深度。

2.2 汽车的驱动与制动系统受力分析

在举例之前先来了解一下汽车驱动与制动方式;汽车驱动方式按照驱动轮的数量，可分为两轮驱动和四轮驱动两大类。一般的车辆都有前、后两排轮子，其中直接由发动机驱动转动，从而推动（或拉动）汽车前进的轮子就是驱动轮。对于两轮驱动又可分为：前轮驱动和后轮驱动两种方式，四轮驱动又可分为：全时四驱、分时四驱、适时四驱、适时混合驱动等。这里限于篇幅，仅对日常使用量较大的前轮两驱系统做讨论，其他不做论述。汽车制动系统是指对汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置。制动系统作用是：使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车;使已停驶的汽车在各种道路条件下（包括在坡道上）稳定驻车;使下坡行驶的汽车速度保持稳定。随着科技的发展汽车制动方式也越来越多，性能也越来越强，常用的有鼓式制动、盘式制动机电空单元等。在设计汽车的驱动和制动之前要对汽车的驱动和制动力进行受力分析。而这部分内容又是物理学中力学部分的内容。学完力学的知识后可以举例汽车驱动与制动力的受力分析案例来对力学部分内容加深认识和巩固;如：图6所示为汽车发动机高速运转时驱动变速箱内部的齿轮带动外部传动轴和轴上连接的轮子运转，通过调节变速箱内部齿轮啮合齿比来控制汽车的运行速度。该装置对后轮的驱动力矩为M，力矩M使后轮做顺时针转动，从而使轮子与地面接触点有向后滑动的趋势，即地面对后轮的的摩擦力为Ff1，方向如图所示;该力为后轮驱动汽车启动的外力，也是地面给后轮的摩擦力;前轮为被动轮，其与地面接触点有向前滑动的趋势，即地面给前轮一个向后的摩擦力Ff2，方向如图所示;Ff2为阻碍汽车前进的外力。因此只有当Ff1>Ff2，汽车才能获得向前的加速度而启动，否则汽车就会出现打滑而不能前进。从能量角度看，在轮子不打滑的情况下，地面与车轮之间为静摩擦力，并不做功，汽车的驱动是发动机内力做功使汽车获得动能，而摩擦力仅是实现内力做功的条件，而非摩擦力做功使汽车获得动能。为使问题简单起见，忽略前轮摩擦力，现在来讨论后轮与地面间的摩擦系数？滋至少为多少才能避免打滑。如图7所示，设汽车质量为m，前后轮相距为2l，质心C距地面高度为h，且距前后轮等距，地面给前后轮的支持力分别为：fN1和fN2，方向如图所示;汽车向前的加速度为a，则由牛顿运动定律及质心运动定律得：

再根据绕质心转动的转动定律得：

连立式（1）～（3）解得：

所以后轮不打滑的条件为：

在遇到路上结冰或者下雨天时，摩擦系数会大大减小，即式（6）不能满足，因此会出现打滑现象。再者从式（4）和（5）可以看出，随着加速度a的增加，FN1增大、FN2减小，这表明地面对后轮的支撑力增加，对前轮的支撑力减小。而支撑力是被动力，支撑力变化的原因是轮胎对面的压力变化引起的。也就是说，随着加速度a的增加，后轮对地面的压力增加，前轮对地面的压力减小，这意味着车尾下沉，车头上抬;反之，汽车在减速时，加速度a变为负值，这时后轮对地面的压力减轻，前轮对地面的压力增加，结果车头下沉，车尾上抬。如果汽车刹车过猛，以致则FN1<0，这意味着后轮离地而腾起，这时汽车刹车引起的惯性力Fi=ma，对前轮与地面的接触点Q的力矩已大于重力对Q点的力矩，即因而整个汽车会绕Q点顺时针方向转动，会造成重大翻车事故。当然类似的案例还有很多，如在讲解完抛体运动这部分内容后，可以引用美国很有声望的zacchini家庭马戏团表演作为案例（如图8所示），该马戏团在1939～1940年将演员Emanuel Zacchini作为人体炮弹，从炮膛射出越过三大摩天轮（注：摩天轮高度为18米，水平跨度达69米），最后落入网中。他是如何判定网应放置的位置的，他又如何能确定自己一定能够飞过摩天轮？再如：在讲完力与运动这部分内容时，可以引用日常生活中一只貓在窗台上睡觉，如果它不小心从七、八楼或更高楼层掉落（如图9所示），而它的受伤程度（如骨折或死亡的可能性）是随着楼层的高度的增加而减小的。那么，危险为何会随着楼层的增加而减少呢？在讲解到波动光学这部分内容时，引导大家在日常生活中就如何能够得到相干波和相干光这个问题，自己利用身边的现有材料亲自动手组装实验装置得出结果并总结其特性等等。对于这些案例的具体实施本文限于篇幅不再做详细赘述。通过这些实例的详细剖析，同学们不仅对物理知识有了深入的理解，更重要的是它激发了学生浓厚的学习兴趣和自主学习的积极性。这主要要归功于学生对大学物理的看法和感知有了实质性的转变。通过调查了解：以前同学们脑海里始终有一个不好的印象就是物理学不仅古老（注：有些内容已达几百年）、难学，而且这些知识似乎离我们日常生活很远很远，学完后感觉也没什么用。而现在讲完一个知识点就将其引用到工程实践或身边的日常生活实例中去，亦或可以亲自动手将其用之于实践，这在无形当中拉近了学生与该学科之间的关系，同时也体现出“学”与“用”在教学过程中的巨大魅力。

3  “学”与“用”教学方法的意义

人类至诞生那天起就没有离开过“学”与“用”这两个字。它是推动人类思想和社会进步的阶梯。“学”与“用”从更深层次去理解为：“用”是外因，“学”是内果。外因与内果是相辅相成不可分割的整体，教师传道、授业就是这样一个整体。在教学活动中，教师将自己的所学、所知应用于传授知识中去，这本身就是“学”与“用”的良好体现。教师如何将所传授的知识让学生转化于实践（要会用），这就是“学”与“用”的进一步升华，也是“学”与“用”教学方法的真正意义之所在。

4  结束语

在教学过程中将“学”与“用”有机结合不仅能促进教师教学水的平进一步提升，改善学生对较难课程的认知，更是扭转了同学们对较难课程的怕学、厌学、逃学的不良心理，锻炼和提升了同学们学以致用的综合能力。同时“学”与“用”教学过程的具体实施也彰显出应用型本科院校教学特色。

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