大学物理热力学总结范文

导语：如何才能写好一篇大学物理热力学总结，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

不同于物理学的其它部分，热学包括宏观理论与微观理论两种理论。热现象的宏观理论热力学，通过大量的观察和实验总结出三条基本定律，给出了热运动与其它运动形态相互转化的基本规律。热力学具有严密的逻辑体系，其前提简单，应用范围却很广，被爱因斯坦称为是“具有普遍内容的唯一的物理理论”。热运动的微观理论（在大学物理中是气体动理论）则是从体系的微观模型出发，应用统计方法计算体系的宏观量（压强和内能等）。统计理论的结果可以使我们深刻理解那些抽象的热力学概念的本质，它与热力学相辅相成，构成了有关热运动的完整理论。从研究方法看，热力学基本定律用否定语气表出，热力学第二定律数学表达式用反证法导出，都给我们提供了不同于物理学其它部分的思维论证方法，有利于培养学生运用逻辑推理进行抽象思维的能力。热学的从微观到宏观的统计方法，在物理学中更是独树一帜，它完全不同于力学、电磁学乃至热力学的实验———理论———实验的传统方法，是一种假设———理论———实验的方法，这种方法是现代物理学最重要的方法之一。然而，在大学物理热学部分这两种理论的表述都没有系统化。有的教材中在给出热力学第二定律的定性表述之后，导出了卡诺定理，并未进一步导出其数学表达式，而是由熵的玻尔兹曼关系给出了熵增加原理。这种讲法没有体现热力学理论本身的完整性。气体动理论的系统理论较为复杂，大学物理中的气体动理论只是初步理论，其中，作为中心内容的气体分子速率分布律（麦克斯韦速率分布律）一般教材都不讲导出过程，而玻尔兹曼分布律仅仅是由麦克斯韦速率分布律推广而来，缺乏系统性，给人以支离破碎的感觉。因此，热学部分的教学内容需要很好地组织、整合。

二、整合部分教学内容

笔者认为，在热力学部分，热力学第二定律的数学表达式及其导出过程，集中体现了热力学理论的完整性以及其特有的逻辑思维方法，是不应或缺的。在导出卡诺定理之后，接着导出克劳修斯表达式，再定义熵函数，得到热力学第二定律的数学表达式（熵表达式）和熵增加原理，篇幅不长，难度不大，可以纳入必讲的教学内容。如果教学时数确实有限，至少作为选学内容可以写入教材笔者认为，在不增加难度的情况下，可以较大幅度地整合气体动理论内容，以增加其逻辑性和系统性，有利于展示统计方法。建议将气体动理论部分的内容按以下方式整合：1）麦克斯韦速率分布律。分析气体分子热运动特征———提出理想气体的微观模型———定义速率分布函数———导出用速率分布函数表达的理想气体的压强公式———用简单方法导出平衡态速率分布函数的形式———代入理想气体的压强公式确定参量———麦克斯韦速率分布律———三种特征速率。2）理想气体的物态方程和热容量。用麦克斯韦速率分布律计算压强———气体动理论的物态方程———用麦克斯韦速率分布律计算单原子分子理想气体的平均动能———温度的微观意义———推广得到能量均分定理———理想气体的内能和热容量。3）熵的玻尔兹曼关系热力学第二定律的微观意义。4）气体分子的平均自由程和迁移过程。

三、明确教学目标和要求

笔者查阅了教学时数在108~126学时的数份大学物理教学大纲，发现热学部分除了内能、热力学第一定律及其对理想气体的应用这部分要求“掌握”外，对其他部分各大纲的要求多有不同。在热力学部分，对可逆过程与不可逆过程、热力学第二定律的表述及其统计意义，一般要求是“理解”，但也有要求“掌握”和“了解”的；多数大纲对有关熵和热力学第二定律的熵表达式没有提出要求，只有一份大纲提出了“理解”的要求。在气体动理论部分，几份大纲中多数仅要求“理解”压强和温度的微观本质和能量均分定理，对理想气体分子热运动图像和统计方法以及麦克斯韦速率分布律等的要求都是“了解”，也有一份大纲对上述几部分内容都要求“掌握”。几份大纲的对热学部分的教学要求分歧很大，表明这个问题确有讨论的必要。我们认为，热力学第二定律的数学表达式的导出过程，集中体现了热力学特有的逻辑思维方法，从注重学习物理学方法的角度看，是不应或缺的。从提出模型、进行统计平均、建立宏观量与微观量的联系到阐明宏观量的微观本质的统计思想和方法，应当是气体动理论部分的重点内容。麦克斯韦速率分布律是气体分子热运动的重要统计规律，即使是通过不严格的粗浅的方式导出，也是有利于学生接受和理解这一规律的。能量均分定理对讨论理想气体热容量是有用的，但它并非气体动理论的基本定理，不宜过分强调。据此，我们提出以下教学目标：1）理解准静态过程、内能和热量的概念，理解热力学第一定律的物理意义及其普遍性。2）掌握理想气体各种等值过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环的效率的计算。3）理解热力学第二定律定性表述的实质，理解可逆过程和不可逆过程。通过由热力学第二定律定性表述导出卡诺定理和克劳修斯不等式，理解热力学理论的逻辑思维方法。4）了解熵的宏观意义和熵增加原理。5）理解气体分子热运动的基本特征。理解速率分布函数的统计意义。通过推导气体压强公式，理解从提出模型、进行统计平均到建立宏观量与微观量的联系的统计思想和方法。6）理解麦克斯韦速率分布律及其三种特征速率。7）通过麦克斯韦速率分布律计算气体的物态方程和热容量，理解统计方法的系统性，理解压强、温度、内能等概念的微观本质。8）通过熵的玻耳兹曼关系了解热力学第二定律的统计意义。9）了解气体分子平均自由程的概念和对迁移过程的应用。应当指出，在实际教学中教师不看大纲仅按教材教学的现象较为普遍。在这种情况下，教师对教学目标和要求不明确，教学内容的处理就把握不准，教学效果就难以提高。

四、讲究教学方法

教学目标确定以后，接下来的问题就是如何实现这些目标。在力学部分，从基本的实验定律牛顿定律出发，每导出一个定理，教师讲例题，学生做作业。如果说这种教学方法在讲解热力学第一定律及其对理想气体的应用时，效果还可以的话，在讲解热力学第二定律和气体动理论时就很难有好的效果了。热力学第二定律和气体动理论部分几乎没有什么应用的内容，但要求注意推理过程，理解其中的思想和方法，而学生已有的习惯并不重视这一点。因此，需要采用更有吸引力和启发性的教学方法。笔者在教学过程中体会到，比较长篇大论的讲解，将教学内容分解为一个个问题的讲解方法更能吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。用这种方法，问题必须精心设计，提出问题要学生思考，但不一定要学生回答。以讲解热力学第二定律为例，可设置如下问题：1）满足热力学第一定律（能量守恒）的热力学过程都能实现吗？热现象是否还有其它规律？2）比如说，有没有可能制造一个效率为100%（仅从一个热源吸热做功，不放热）的热机呢？（给出热力学第二定律开尔文表述后）是否可以说，开尔文表述就是“热不能完全变成功”？3）再比如说，热量可能不可能由低温物体自发传到高温物体呢？（给出热力学第二定律克劳修斯表述后）是否可以说，克劳修斯表述就是“热量不能从低温物体传到高温物体”？4）两种表述似乎并不相关，为什么都是同一规律———热力学第二定律吗的表述呢？5）我们知道，功可以全部自发转变为热，而开尔文表述说热不能全部自发转变为功。这反映出一个什么问题？同样，热量可以从高温物体自动传到低温物体，而克劳修斯表述说热量不可能由低温物体自动传到高温物体。这又反映出一个什么问题？6）可逆过程与不可逆过程的本质有什么不同？用可逆过程和不可逆过程的语言，你能将热力学第二定律的两种表述分别说成什么？7）两种表述等价性的证明过程也表明不可逆过程是相互关联的，由此看来，热力学第二定律实质上说明了什么？热力学第二定律还能不能用其它方式表述？8）热力学第二定律能不能有一个数学表达式？如果能，它会是一个什么样的式子？等式还是不等式？如果时间允许，也可用这些问题进行课堂讨论，相信效果会更好。

五、改进练习和考核

为了达到教学要求，除了讲究教学方法外，还需要改进练习与考核的内容和方式。热力学第二定律和气体动理论部分几乎没有什么应用的内容，有价值的习题较少，应当特别注意思考题的应用。可以利用思考题组织课堂讨论，也可以将有些思考题作为习题布置下去。比如针对热力学第二定律，下面几个题目作为习题可以很好地配合教学内容：1）热力学第二定律的普朗克表述是：不可能制造出一个机器，它在循环过程中从单一热源吸热全部用于将一重物提高。证明普朗克表述与开尔文表述等价。2）证明，功变热的不可逆性与理想气体自由膨胀的不可逆性是相互关联的。3）证明，对于任何物质，一条等温线与一条绝热线不能有两个交点。4）证明，对于任何物质，证明两绝热线不能相交。5）用熵增加原理证明理想气体的自由膨胀过程是不可逆过程。从某种意义上说，期末考试也是学习平时学习的指挥棒。除了习题之外，平时强调的思考、讨论的问题，也要在期末考试中体现出来。以填空题、选择题和问答题等多种形式，考察学生对热学基本概念、基本定律和科学方法的理解和掌握程度。

六、结束语

篇2

关键词：大学物理教学创新创业创新品质创业方法

1创新创业素材的挖掘

与创新创业教育相对应，创业的基础就是创新，就是要突破原先的局限性，把握新机遇，提出新想法，创造新价值．在创新上，大学物理课程和创新创业教育两者本质相同，并且大学物理教学能够应用物理学的创新成就启发学生的创新思维［6］．从广义的角度理解创新创业，创业是指社会生活各个领域里的人们为开创新的事业所从事的社会实践活动，是主体在能动性的社会实践中所体现的一种特定的精神、能力和行为方式［7］．因此，物理学中所体现的创新恰恰属于一种“创业”活动．大学物理教学内容主要包括力学、热学、光学、电磁学以及量子与原子物理，内容面较广，涉及到众多的物理学基本原理和物理学家的贡献［8］，因此可以从物理学原理和物理学家创新的经历出发提炼创新创业素材．在深入分析教材的基础上，提炼出一系列物理学中的创新创业素材，包括物理学原理、物理学家的创新经历及其对大学生创新创业的启示，并且这些物理学原理和物理学家的创新经历能够体现在具体的教学内容里．经过整理，物理学原理及其对大学生创新创业的启示．物理学史上有许多物理学家创新成功的例子，创新成功的同时创造了新知识，他们的创新方法和哲理性论述对大学生创新创业提供了理论思维和方法论．我们研究了物理学家的创新经历，引申出了哲理性思想并提炼出这些思想对大学生创新创业的启示．尽管物理学原理和物理学家的创新经历不能直接体现创新创业思想，但是引申这些材料的深刻含义能够透视出创新创业的深刻内涵．

2教学模式的探索

物理学原理和物理学家的创新经历对大学生创新创业的启示必须落实在具体的教学过程中，传统的大学物理课堂教学往往从基本概念入手，教师讲解基本定律和定理，然后师生讨论、分析并举例、练习．为了在大学物理教学中融合创新创业思想教育，我们采用“两段式”教学模式，即前一段进行物理基本概念、基本原理的讨论与分析，明确物理学基本概念和原理的含义以及应用，然后由物理学基本原理、物理学家的创新经历引申、切入到创新创业的思想教育.例如克劳修斯熵和热力学第二定律统计意义的教学．首先，讲解克劳修斯熵和玻尔兹曼熵的概念、熵增加原理，然后讨论，总结出4条热力学“熵原理”［9］：（1）熵是有序与无序的度量；（2）孤立系统的熵增加；（3）负熵流原理；（4）非线性机制对熵的干预．再把热力学“熵原理”由自然科学领域引申到社会科学领域，进一步联系大学生创新创业，具体融入4个观点：（1）大学生创新创业是社会经济发展的负熵流；（2）大学生创新创业体现了非线性机制对熵的干预；（3）大学生创新创业是无序到有序的过程；（4）大学生创新创业应该从创新入手．再例如爱因斯坦的狭义相对论教学．在讲解和讨论狭义相对论坐标变换和速度变换之后，自然切入到爱因斯坦的生平介绍和狭义相对论产生的背景，引申出爱因斯坦对科学的贡献．由此联系爱因斯坦的哲理名言：提出一个问题往往比解决一个问题更重要；奇思玄想的天赋对我而言，比我的才干更重要；不曾犯错的人从来不曾尝试新事物等哲理名言，进一步采用类比的方法，引申为爱因斯坦的“创新创业观”：主张用丰富的想象力和奇思妙想提出新的问题；主张个性的张扬和尝试新事物；积极从事创新创业实践，实现个人的价值；成为一个务实、勤奋、包容、坚韧的创业者．在新课引入上尽量做到多样化，既可以从物理学知识点入手，也可以由创新创业事迹入手，从而实现教学目的．在内容的安排上，做到精简每节课的大学物理知识点内容，如果知识点内容太多，可以分配部分内容在上节课讲解，以便有足够的时间安排创新创业思想教育．在课后作业的布置上，不拘泥于计算型练习，布置一定量与创新创业思想教育相联系的问题，例如，热力学“熵原理”对大学生创新创业有哪些启示？从爱因斯坦的哲理思想看大学生如何创新创业？等等．

3教学方法改进

针对大学物理教学融合创新创业思想教育的教学，原先简单、线性的教学方法已经不能适应新内容的教学要求．为了把知识内容的教学和思想内容的教学很好地融合在一起，有必要联系当前社会发展的实际，采用理论联系实际的教学方法，才能使创新创业的思想深入学生的理念之中．首先，联系创新创业成功的风云人物，例如马云与阿里巴巴、俞敏洪与新东方教育、比尔盖茨与微软、李嘉诚与香港房地产，等等．把这些人物的创新思想和创新方法与物理学家们的创新精神进行类比，找出两者的共同之处．例如联系物理学家牛顿后期从事货币制造监管，改进造币方法，大幅提升造币效率的事迹［10］，我们得出结论：要想在创业的道路上取得成就，创新是基础，从而提升学生对创新与创业关系的认识．其次，联系大学生创业成功的范例，让学生从身边创新创业事迹说起，例如本校毕业学生创办信息传媒公司、教育直播公司、演出租赁服务公司等，结合研究性学习和创新创业训练谈谈自己未来的创业打算，等等．让学生主动上网搜集大学生创业成功的范例，作为学生讨论的素材，例如南京邮电大学大二学生陈峰伟创办IT销售、华南理工大学计算机软件学院的许少煌创办网站平台、上海对外贸易学院大三学生创办大学城在线服务等［11］，引导学生讨论他们成功的创新创业方法和创新创业品质．另一方面，联系物理学家的创新精神和创新品质，明确创新创业的方向和途径，例如联系普朗克突破科学困境提出能量子假说，启示大学生创新创业应该具有破旧立新的创业品质；联系牛顿在前人成就的基础上提出惯性定律等事迹，启发大学生创新创业需要选择合适的项目和奋斗方向．除了理论联系实际的教学，教师还积极指导大学生创新创业训练计划，参加多项省级和国家级学科竞赛．通过指导学生完成大学生创新创业训练计划提升大学生的创新能力，培养学生具备坚韧、合作、包容的创业品质．在指导大学生参加学科竞赛的过程中，鼓励学生提出新想法，实现创新目标，培养学生勇于探索、合作创新的精神品质．同时，部分学生获得与创新创业相关的优异成绩能够为其他学生树立形象，提供范例．

篇3

关键词：工程热力学与传热学；安全工程专业；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0041-03

“工程热力学与传热学”是一门与工程实际联系紧密、应用性很强的热科学基础课，它源于矿业、石油、冶金、化工、机械、环境、航空航天等工程领域中的实际工程问题，也发展、应用于解决实际工程问题，在理工科本科生教育中占有重要地位，为理工科专业技术课的学习提供重要的理论基础。近年来，随着人类社会的进步和科学技术水平的提高，实际工程领域所面临的热科学问题更加复杂，这使得“工程热力学与传热学”课程传统的教学模式及授课内容已面临社会发展和学科发展的严峻挑战，存在较多问题和不足。[1]作为中国矿业大学（北京）（以下简称“我校”）“工程热力学与传热学”课程的主讲团队，笔者结合近年来科研工作中关于热力学与传热学的问题和多年对该课程的教学经验，对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践进行了一些探索，并得到了一些粗浅的体会和认识。

一、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革的必要性

1.该课程对安全工程专业本科教育的重要性

安全工程专业是一个涉及理、工、文、法、管等学科的综合交叉工科专业，目前国内开办安全工程专业的高等院校的类型很多，有矿业、石油、化工、军工、土木、交通、环境、经济等。“工程热力学与传热学”是安全工程专业必修的一门专业基础课程，在安全工程专业的培养计划中有非常重要的地位。根据安全科学基本理论，事故是能量失去控制而意外释放所造成的，而“工程热力学与传热学”正是研究能量转化与传递过程的基本规律，由此可见该课程对安全工程专业本科生培养的重要性，其教学水平直接影响安全工程专业本科生的培养质量。

2.目前该课程教学中存在的问题和难点

（1）教学学时少，但教学内容多，造成教与学矛盾。随着21世纪国家人才培养战略逐渐向拓宽专业口径、培养复合型人才方向发展，安全工程专业本科教育的培养计划和培养目标也不断调整，更加重视大安全“通才”教育。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我国多数高校对“工程热力学与传热学”课程学时都进行了缩减。比如我校，由起初64学时调整为48学时，虽然学时减少，但主体教学内容并未删减，这导致教学进度不得不加快。然而热力学和传热学理论性、专业性强，因为教学进程加快，使得学生不能深入透彻理解重要知识点，造成教学效果较差，引起教与学的矛盾。

（2）课程概念多、公式多、理论性强，降低了学生学习兴趣。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，尽管有些概念和公式在“大学物理”和“物理化学”课程中学习接触过，但运用这些抽象概念和基本公式解释、推导热物理规律时，多数学生都会感觉到比较吃力，因为这要求学生具有扎实的数理基础和较强的抽象思维能力。另外，该课程中一些概念比较抽象且比较相近，容易发生混淆，比如可逆过程与准静态过程的联系与区别，技术功、轴功、容积功区别，导热系数、传热系数、导温系数的联系与区别等。同时，“工程热力学与传热学”中繁多的公式的关联性极强，推导过程复杂。上述理论性和专业性很强的概念、公式及其之间的复杂关系，大大地降低了学生学习的兴趣和动力。

（3）教学内容及参考教材安全专业应用案例较少，学生专业实践应用能力培养不足。随着科学技术的快速发展，热力学与传热学领域一些新的概念和理论不断涌现，目前多数新出版的“工程热力学与传热学”教材内容丰富，知识面力求新颖和广博，只配有少量简单应用案例。这对目前压缩学时的安全工程专业本科教学来说不合适，不利于学生在有限学时内深入学习和掌握重要热力学和传热学理论，而且不能使学生深入了解热力学和传热学理论在安全专业的应用，从而造成专业实践应用能力培养不足。因此，针对安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学，应有所侧重，补充该专业应用案例，强化学生学习兴趣和动力。

3.该课程教学内容和教学方法优化的必要性

随着经济的快速发展和社会的不断进步，人们对安全的要求越来越高，近几年来安全学科发展迅猛，“安全科学与工程”已成为工学门类下第37个一级学科，安全学科涉及面越来越广，已深入到矿业、石油、冶金、化工、环境、土木、交通等多个工程领域。“工程热力学与传热学”作为安全工程专业重要专业基础课，面临社会科技发展和安全科学发展的新形势，特别是教学学时压缩情况下，其传统的教学模式、授课内容、教学效果已充满挑战，存在较多问题和不足，其教学情况，在一定程度上影响安全专业人才在实际工程中解决相应问题的能力。因此，在有限学时内，对该课程教学内容和教学方法进行改进和优化是非常必要的。通过教学改革，提高该课程教学水平，才能使其充分发挥对安全专业技术课学习应起到的桥梁和铺垫作用，从而在一定程度上提高安全工程专业本科生的培养质量。[2]

二、安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革思路及实施

1.该课程教学内容调整和优化

（1）根据安全专业方向和学时分配，强化和弱化部分教学内容。为满足安全工程专业培养计划改革和课程体系设置需要，我校对“工程热力学与传热学”课程学时由起初64学时缩减为48学时。为在有限学时内完成教学计划和提高教学质量，笔者选用的参考教材为张学学教授主编的《热工基础》，该书基本内容由工程热力学和传热学两部分组成。[3]该书侧重于热力学和传热学基础，有助于学生对基本理论知识和方法的理解和掌握，但对于安全工程专业基础教育来说，其部分章节教学内容不重要，比如工程热力学篇的第六章内燃机和燃气轮机动力循环装置和第七章制冷装置循环等内容，因此在教学过程中对上述内容可以弱化。该书第五章中作为了解内容的湿空气性质及其热力学过程，是通风安全理论的基础，对安全工程专业来说就特别重要，因此在教学中对该部分内容应强化。总的来说，对该课程的教学应因材施教，根据安全工程专业方向和教学计划分配，灵活调整和优化教学内容和重点，使得学生能深入透彻理解重要知识点，避免引起教与学的矛盾。

（2）扩充传热学数值计算知识及应用算例，增强学生对基本公式及理论知识应用方面的理解，激发学生学习兴趣和动力。“工程热力学与传热学”课程概念多、公式多、图表多，通过实验教学可以加深学生对热力学与传热学理论知识的理解和掌握，但受于学时和实验条件限制，目前该课程实验教学课时还比较少。近年来随着计算机技术和数值计算方法的快速发展，数值计算（或称数值实验）为热力学和传热学研究开辟了一个新途径。目前“工程热力学与传热学”课程教学中，只在导热部分对数值计算基础进行了简要介绍，为了使学生能较系统地了解和掌握数值计算在传热学的应用，也需要对流换热部分的数值解算进行补充。考虑到本科生对数值计算涉及的数学推导和偏微分方程求解等知识的理解和掌握比较吃力，在课程教学中对MATLAB软件在传热学数值计算中应用进行介绍，并引入相关传热问题解算案例进行讲解。MATLAB是一套综合性的高性能数值计算和可视化软件，借助MATLAB软件不仅能使学生较快掌握传热学数值计算的应用，同时借助其强大的计算和绘图功能，也可以使学生对热力学和传热学中的许多公式和热物理规律推导进行图像化展示，这有助于学生对热力学和传热学基本理论知识的理解和掌握。[4]

（3）建立安全专业应用案例库，细化到具体章节教学内容中。“工程热力学与传热学”与工程实际联系紧密，应用性很强，它源于工程实际，并应用于解决实际工程问题。因此，若要提高“工程热力学与传热学”课程教学质量，在课程教学过程中应将实际工程案例作为教学素材，引导学生对特定的教学案例问题进行分析，并借助热力学和传热基本理论提出解决方案。针对安全工程专业说，工作中会遇到各种各样的危险情景，引入专业案例教学非常重要，比如应该补充讲授热力学能量传递、烟气对流和辐射复合传热方面的案例、热力学与传热学在事故演变分析中的应用案例。通过案例教学不仅可以使学生对热力学和传热学知识有深刻的理解和掌握，也有利于拓展学生的思维模式，激发学生的创新意识，更重要的是培养学生的专业应用和实践能力，对工作中危险情景问题应该怎样借助热力学和传热学理论来分析和解决会有较好的把握。因此，笔者近几年来特别重视对安全专业应用案例库的建设，对各个案例根据教学内容进行分类，基本贯穿于各个章节的教学中。

2.该课程教学方法改进和优化

近几年来随着国家对人才培养战略的调整以及工科类专业培养目标的改革，为了保证和进一步提升“工程热力学和传热学”课程教学质量，笔者对该课程教学方法进行了一些探索和改进。

（1）以科研与工作实践促进教学。大学教学不同于中学教学，大学是培养人才和创造知识的重要平台，在大学教学过程中要讲授传播高深前沿的专业技术知识。只有通过科研历练和工作实践，大学教师才可以逐步提高专业素养和综合素质，才能紧跟进而较好地把握本专业科技前沿。“工程热力学和传热学”课程作为工科类重要专业基础课，该课程任课教师更应立足于科技前沿，通过科研工作不断提高自身业务素质，并将科研成果转变为专业理论知识渗透到教学过程中，这样才能克服教材内容滞后于最新专业科技知识的不足，保证教学质量，同时通过“工程热力学和传热学”课程教学也能拓宽学生的科研视野和提升学生专业知识水平。为此，笔者在教学过程中穿插介绍了课题组在采空区自然发火、矿井降温等领域与热力学和传热学有关的研究成果。

（2）设立课程助教和网络讨论课堂，增强课程教学答疑和交流。为了及时解答学生学习过程中遇到的问题，在“工程热力学和传热学”课程教学过程中笔者安排了助教，助教一般由青年教师或高年级研究生担任，主要负责课程作业批改和答疑，并不定时开展相关专题讨论班，加强学生对重要章节的学习和理解。另外，在课外，笔者还充分利用网络资源，建立了网络讨论课堂（QQ群）。针对课程学习疑难问题、课程建设及改进建议等问题学生都可以在课程讨论群中提出，助教或任课教师基本每天都会登陆讨论群回答学生提出的问题。通过设立助教和建立网络讨论渠道，较大程度上增进了课堂教学以外老师和学生的交流，提升了该课程的学习质量。

（3）借助现代多媒体教育技术丰富教学手段。近年来，随着计算机科技和互联网技术的快速发展，多媒体技术成为教育教学过程中一个非常重要和便利的工具。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和图表非常多，采用多媒体技术可以显著节省教师对一些公式和图表的板书时间，不仅能提高教学效率，并且采用图文并茂的PPT可以形象具体地展示教学内容，利于学生理解。然而，对于比较重要的教学内容，比如导热微分方程、对流换热方程等数学描述的推导，笔者仍采用传统板书方式，详细分析和讲解重要定律和公式的提出和推导过程。另外，要充分利用多媒体技术的多种媒介形式，包括多种形态的文字、图片、动画、录像等。[5]目前笔者已经制作和收集了一些图片和视屏（热电偶等测温器件、肋片、换热器传热过程Flash、煤自燃实验录像等），在课堂教学实践中取得了较好的效果，大大激发了学生的学习兴趣和热情，也加深了学生对传热学在科技生产领域中应用的认识。

（4）改革和优化考核方式。“工程热力学和传热学”课程涉及的公式和准则特别多，有些公式较难记忆和推导，因此任课教师在闭卷考试命题时不得不压缩范围，这导致一些同学在考试复习时会忽略一些教学内容。为了使学生能对热力学和传热学基本理论知识有一个整体的把握和思考，特别是对该课程基本理论的应用有较深刻的认识和理解，笔者采用多元化考核方式。多元化成绩评定包括三部分：第一，课后习题作业、出勤、课堂表现、课下网络讨论表现情况；第二，专题大作业完成情况，专题大作业主要是基于热力学和传热学基本理论开展相关产品设计或数值模拟等；第三，闭卷考试成绩。采取这种多元化考核方式，不仅能促进学生对热力学和传热学理论知识的深入学习和掌握，也能提高学生的学习能动性，提升实践应用能力，有助于培养高素质人才。

3.学生实践应用能力培养引导

为了进一步提高学生的实践应用能力和培养学生的创新意识，笔者在“工程热力学和传热学”课程教学过程中通过多种形式对学生进行引导或提供多种实践渠道进行学习。

（1）设置热力学和传热学专题大作业。在教学过程中，笔者精心选取了多个与热力学和传热学密切相关的专业问题，让学生分组协作，首先对这些问题进行调研，然后开展实验设计和数值模拟分析，并写出相应的总结报告。最后，利用讨论课时间，组织各组以PPT形式进行汇报，通过提问和讨论意见进一步完善作业成果。专题大作业的成果作为期末考试总成绩评定的一部分。在课堂教学过程中增加学生参与的比重，使学生成为课程学习的主体，能为培养学生的实践创新能力创造有利条件。[6]

（2）利用大学生创新计划项目。目前，我校积极响应国家、北京市有关开展大学生创新训练的政策和工作安排，每年都组织设立大学生创新训练计划项目近300项，这为我校大学生参与科研工作、开展创新活动提供了重要的平台和良好的条件。我校“工程热力学和传热学”课程刚好在大学生创新训练项目立项这学期开课，在教学过程中，笔者鼓励学生应用热力学和传热学基本理论进行选题，并在开展研究工作过程中给予方法和技术指导。

（3）利用校外实践基地现场实习交流。为了提高学生的实际工作能力和教学质量，培养高素质复合型人才，以尽快适应社会发展的人才需求，和加强本科实践环节的教学，我校资源与安全工程学院积极开展校企合作实践教学，目前已建立了39个校外实习和实践教学基地。在“工程热力学和传热学”课程教学过程中，笔者穿插介绍了安全工程专业相关应用案例，同时，也经常给学生灌输实践学习的思想，鼓励学生好好利用实践基地这个很好的学习平台，到实践基地去实习或社会实践时现场观察、学习热力学和传热学的应用实例。通过现场学习能较大程度上拓展学生实践应用思维和激发学生创新意识。

三、结语

“工程热力学与传热学”课程在理工科本科生教育中占有重要地位，它源于工程实际问题，也发展、应用于解决实际工程问题。为能使热力学和传热学知识适应社会发展需要和满足现代社会对信息型、复合型人才的需求，“工程热力学与传热学”教学内容和教学方法需不断改进和优化。

本文以安全工程专业“工程热力学与传热学”教学为例，针对该课程教学内容、教学特点和目前教学中存在的典型问题和不足，提出了该课程教学改革和优化的思路和具体改进实施方案。该课程教学改革在安全工程专业教学中实践结果表明，新的人才培养目标和培养模式下“工程热力学与传热学”课程教学质量有较大改观，学生理论知识学习情况、分析解决问题能力、实践应用能力都得到较大提升。笔者对该课程在安全工程专业本科教育中的课程改革和教学实践，希望能为国内其他高校理工科“工程热力学与传热学”课程教学改革提供思路借鉴。

参考文献：

[1]于靖博，董丽娜，赵兰英.《工程热力学与传热学》课程教学改革与实践[J].广州化工，2013，41（11）：259-260.

[2]林日亿，梁金国，黄善波，等.安全工程专业“工程热力学与传热学”课程教学改革[J].中国电力教育，2010，（167）：93-95.

[3]张学学，李桂馥，史琳.热工基础[M].第二版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]丁鹏.MATLAB在高校“传热学”教学中的应用与实践[J].中国电力教育，2011，（196）：149-150.

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ZOU Zhong-li MA Jin-fu CHEN Zhan-lin

（School of Materials Science and Engineering， Beifang Univesity of Nationalities， Yinchuan Ningxia 750021， China）

【Abstract】According to the characteristics of Physical Chemistry and the development requirements of the major， teaching reform is carried out in Physical Chemistry course. The reform includes changing in curriculum， improving teaching content and updating teaching methods. The students’ interest and learning initiative are increased clearly， and the quality of teaching and the teaching level are improved effectively by teaching reform.

【Key words】Physical chemistry；Teaching reform；Teaching effect

物理化学是新能源材料与器件专业的一门专业基础课。该课程是从化学现象和物理现象的联系中，寻找和探索化学反应过程中普遍性变化规律的一门科学[1]，研究内容包括化学热力学、化学动力学、电化学及表面化学等，其研究目的是探究物质变化过程的基本规律，用于解决科学研究和实际生活中的问题。“新能源材料与器件专业”是今年教育部2010年公布的战略性新兴产业相关专业之一，全国共有十余所高校获准设立该新专业。物理化学课程可为新能源材料与器件专业后续课程、创新实验和毕业设计提供重要理论支撑。通过新能源专业的教学实践，笔者从以下几方面谈几点认识和体会，供大家探讨。

1 存在的问题

物理化学课程内容理论性强，公式多，概念多，需要教授的知识点多，而课时却非常有限。正由于这些特点使得该课程成为高等院校中有名难学难懂的专业课，考试通过率普遍很低。通过本校新能源专业的教学实践，学生也普遍反映该课程理论概念抽象、相关公式和使用的限定条件众多，十分难学，在学习过程极易产生厌倦和抵触的情绪。

此外，物理化学存在的另一问题是学习起点高。前修课程包括高等数学，大学物理，无机化学。由于各课程自成体系，互相封闭，各自为教造成基础课，基础课与专业课存在重复不协调现象严重。使得教与学都十分困难，教师要耗费大量时间解释相关课程的基础知识，而学生也难以理解和接受。比如在微积分和微分方程都没有学到情况下，让学生理解化学动力学中n级反应，显然是不恰当的，再如多组分系统热力学中偏摩尔量的概念，没有高数知识也是无法理解的，这样的教学脱离了学生的基础，也违背了循序渐进的教学原则[2]。

2 教学内容的改革

针对目前物理化学的现状，笔者首先从教学内容进行改革，对教学内容和教学体系进行了重新梳理，具体包括以下三方面。

2.1 修订教学大纲，力求内容少而精

目前全国大多数高校中开设的物理化学课程学时至少在80学时以上，而本校物理化学课程的学时只有48学时。这造成了在选取教材方面存在极大的困难，物理化学的经典教材有很多，然而即使在简明教材中也难有一种符合本校专业的培养要求。本课程曾经选用的教材在实践教学中发现，虽然是面向材料专业编写的，并且在课程内容方面对材料专业也有所侧重，但书籍阅读理论基础较高，学生普遍反映看不懂。综合考虑采用清华大学朱文涛教授主编的《物理化学简明教程》，该书对传统物理化学的内容去繁就简，内容也深入浅出。在此基础上要求教师在授课过程中也不唯书，不照本宣科，对原有教学大纲进行修订，比如去掉物质的状态与表征一章，合并表面和胶体两章，使其更具有科学性和概括性。

2.2 教学内容与实践结合，激发学生兴趣

兴趣是最好的老师，如何提高学生的学习兴趣一直是物理化学教学中关注的问题[3]。物理化学是一门系统性很强的课程，在讲授过程中注重科学发展史的介绍。例如热力学第二定律的讲授过程中增加热力学定律研究和产生的历史过程，引入永动机的起源和争论，既可以引发学生的听课兴趣，培养学生严密的科学思维。再如冰箱制冷与卡诺循环、中暑与熵病、土壤保墒与开尔文公式、卤水点豆腐与胶体聚沉等，将生活中常见的现象与本课程有机地联系起来。此外结合专业以课程内容为主线，介绍一些与新能源专业联系紧密的科技进展，如在电化学章节可增加与新能源专业联系紧密的锂离子电池、燃料电池等的发展，经过教学实践收到了很好的教学效果。

2.3 梳理知识结构，协调与其他学科的关系

在教学过程中教师需要经过思维加工，设计出课程知识体系，以便于学生理解掌握。物理化学的概念多，对于每一个概念教师在上课过程中确切说明：问题是怎么提出来的？它的定义是如何表述的，其物理意义是什么？适用范围是什么？等等。通过举例的方式详细讲解各个章节的重点和难点，将知识点联系起来，融会贯通[4]。针对无机化学与本课程在内容上有一定重复，避免低层次的重复，充分利用学生已有的知识和经验，重点介绍以前未学的知识点，使得两门课程可以很好地衔接起来。针对物理化学中大量定义、结论、推导过程都使用了大量的数学知识，在实际教学过程，教师有意识地提前安排学生进行课外复习，对于一些重要的数学知识，可以在课堂上进行简要复习[2]。

3 多种教学方法和教学手段

3.1 改进教学方法

教学方法的改革包括在课堂教学过程中摆脱满堂灌的模式，要想调动学生的学习积极性，设疑启发是一个有效途径[5]，在教学过程中多提示、多启发，将理论和例题讲解相结合的方式，讲述理论时可以选用学生熟悉的生活现象来设置疑问，进而引出理论解释；讲解精选例题时多启发学生，引导学生培养正确的思维方式，实现教师为主导、学生为主体的双向互动，充分调动学生的参与意识、主动性和积极性，促进教学质量的提高。

3.2 多种教学手段相结合

多媒体相对于传统板书教学有着不可比拟的功能，可以形象使用图表动画形式演示抽象的物理化学理论，提高课堂效率，还可以通过视频形式向学生展示一些重要的科技前沿成果，激发学生的学习兴趣，启发学生的创新思维[6]。此外，在采用多媒体辅助教学的基础上，课下可依托学校的网络教学平台建立该课程的学习平台，使得课堂教学得以延续和补充。将课程简介、教学大纲、教学日历、教案、参考书目等相关内容上传，让学生根据自己实际情况在课下自由选择时间进行学习，解决自身存在的不同问题，同时可以强化学生对知识的理解和掌握，提高学生的自学能力。

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【关键词】大学物理；教学方法；现存问题

1大学物理教学面临的问题

1．1大学物理的学科地位正在逐步弱化

当前有一定数量的师生群体对大学物理的学科地位缺乏深刻的认识，他们认为非物理专业的学生将大学物理作为必修课没有多少实际意义，同时许多院校非物理专业学生的大学物理课时数量也在逐渐下降。［1］国家教育部门2015年颁布的关于大学物理课程的规范要求各院校大学物理的课时不能少于144课时，然而真正严格按照要求执行的院校少之又少，大部分院校的课时在72至108之间，课时数量更少的也不在少数。

1．2大学物理的教学内容显得过于陈旧

物理学主要划分为经典物理和近代物理两个版块，然而值得注意的是，当前大部分高校的大学物理所讲授的内容中经典物理占据超过了百分之八十的比例，近代物理部分的知识讲授严重不足。经典物理所包含的理论与概念都是二十世纪前的研究成果，这些在大部分中学物理教材中都有所涉及，因此难以调动学生的学习兴趣。然后近代物理的有关内容却因为课时原因而无法做足够的介绍，这就从根本上导致了教学内容的陈旧。

1．3大学物理的考核评价方式过于单一

绝不部分院校在大学物理这门课上采取的计分方式都是综合评价，即平时成绩与期末卷面成绩的加权分数。平时成绩主要又来自课后作业，然后由于网络的便捷性，基本上所有习题的答案都能通过网络找到，因此课后作业的成绩很难反映出学生是否真的掌握了知识点以及学习态度是否端正。而期末考试也只是单纯的卷面答题，这对于学生综合能力的培养造成了巨大障碍，难以真正锻炼学生的自学能力以及创新思维。

2大学物理教学新方法

2．1绪论部分

绪论部分是整个课程的引入，包含了大学物理所要研究的对象、内容以及需要用到的方法。绪论部分作为大学物理的第一节课，对于调动学生的学习兴趣起到了关键作用。任课教师不应当只是照本宣科，将大学物理的各个章节罗列出来。为了增强课程的趣味性，在介绍物理学的研究对象和内容时，应当适当运用现实生活中的案例来解释，特别是采用当下大学生感兴趣的话题，例如使用汽车在上坡时采用的是高档位还是低档位来解释其中的物理原理。［2］在介绍物理学的发展历程时，可以具体介绍某一物理学家发现某一物理定律的过程，并在介绍过程中不断提问，让学生发现问题，自己解决问题，总结问题，形成科学研究思路。在强调物理学的研究意义时，教师可以多举一些物理学在所教学生的专业领域的实际应用案例，例如对于计算机专业的学生，可以举一些量子物理学在晶体管研究上的应用。

2．2物理课程分层次教学模式的实施

根据不同专业的实际需求进行教学层。将学缘相近的几个专业作为一个单位，按照入学时学生的成绩，将全部学生分成两类班级，成绩优异的归为一类，这类学生不需做进一步细分;成绩较差的也归为一类，但是这类学生需做进一步细分，综合分析实际情况调整教学内容。同时多层次内容选择也可以安排在网上选修时由学生自主选择，但是校方需要对选课系统做出一定限制，避免大部分学生都故意选择内容较浅的课程。

2．3经典物理部分

经典物理部分的内容大多都在中学课程中介绍过，因此不必面面俱到，对于不同专业的学生应该有所侧重，例如对于化工类的学生，应该着重讲授热力学模块，为化工类学生后续的物化课程做铺垫;对于机械类的学生，应该着重讲授力学模块，为机械类学生后续的结构力学课程做铺垫;对于信息类的学生，应该着重讲授电磁学版块，为信息类学生后续的光电学课程做铺垫。［3］在对各专业学生授课时，要注意有的放矢，使得学生在学学物理时能够感受到其与自身专业的关联性，从而获得更大的学习目的性和动力。对各专业学生讲授经典物理的其他版块时，应当以实例为引入，以拓宽视野为主要教学目标。

2．4近代物理部分

近代物理学的重要理论对于现代科学技术的进步具有巨大价值，然而，这个部分的内容过于抽象，一般学生难以熟练掌握。因此，大学物理教师在讲授这个版块的内容时，应当强化对概念的介绍，尽量跳过对定理的推导，并以近代物理的研究成果为依托，着重对理论进行初步介绍。著名物理学家费恩曼对于物理的学习曾提出过自己的看法，“学习物理的人不应该只是试图去解出微分方程，而是应当尝试理解它们的涵义”。在狭义相对论的教学中，我国教师的教学重点普遍在于洛仑兹推导公式，并以此为基础，推导出一系列公式，注重的是公式的推导而不是内涵的探索。相反，国外的部分物理教材一般会通过简单的举例来解释公式的导出，而不是用严格、冰冷的数学方式进行推导，这种方法能够大大节约公式的学习时间，加深公式的理解程度，这显然更加符合大学物理的教学目的。此外，高校还应当适时举办一些物理学专题讲座，向学生们宣导物理技术近年来的发展概况，使学生们在了解理论知识的基础上，对物理技术的动向也能有所认知。

3结语

物理学作为一门基础学科，是广大科研工作者从事科学研究的基础，大学物理作为理工科学生的必修课程，其包含了对于科学研究理论与方法的传授，对于理工科学生的专业发展具有重要价值。因此，各高校应当重视大学物理这门课程的教学，并从教学方法上入手，解决当前大学物理教学中存在的诸多问题。

参考文献:

［1］陶薇，谢柏林，万士保．基于应用型人才培养的民办高校大学物理教学方法探讨与实践［J］．教育教学论坛，2015(12):182～183．

［2］马正瑞．建构主义教学理论指导下独立学院大学物理教学方法探讨［J］．民营科技，2014(12):252～253．

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关键词：大学物理；科学通识；科学素养

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0109-02

在诸多的工科院校中，大学物理是工科学生中必修的基础课之一。作为高等教育中的自然科学类基础课程，大学物理是研究物质基本运动规律的科学，是自然科学的核心[1]，是传播科学思维、加强科学素养的重要承载体。物理学的精神是求真、求实和创新[2]。虽然理工科的课程都能通过潜移默化，而起到提升学生科学素养的作用；但是只有大学物理课程，可以把这个问题作为一项专门的议题来对待，教师讲课的宗旨也可以由知识的传授而转变为科学素质的培养。

一、我校工科大学物理教学的现状

我校的大学物理教学目前还是沿袭传统的教学模式，分为理论授课和实验教学两个部分。理论教学根据所在学科的不同，主要分成96学时和72学时两种。主要承担质点力学、刚体力学、电磁学、振动和波动理论、光学、热力学与统计物理学的教学内容。学时数多一些的会简单讲授狭义相对论和量子论的基本内容。实验教学一般为40～60学时，主要完成经典物理学中一些代表性实验的内容。除了课堂教学外，还有网络课程教学；任课教师会根据教学实际情况，节选一些和教学内容有关联的课外内容，放在学校的网络教学平台上，供学生们自己学习或者练习。理论课程的学习效果检测，由标准化试题库里选题组卷，通过闭卷考试来完成。现行的这套教学模式已经延续了近三十年，对提升工科学生的物理基础、学习科学的思想方法和研究方法起了积极的影响，充当了基础课程和专业课程之间的桥梁，对我校培养出合格的本科毕业生发挥了非常重要的作用。

但随着社会的发展，大学物理的这套教学模式面临着越来越多的问题。包景东对现有的教学流程作了精辟的总结：“教师在课堂上讲授正确的知识，学生在课后做正确的练习，但缺乏批判性思维的训练和科学精神的引导。”[3]最终，这样的教学变成了以考试要求的“解题”内容为中心的教学，教师讲课的重点变成了基本的物理概念、重要公式及其解题中的应用，使得大学物理变成了一项枯燥无趣的课程。

这样乏味的教学对学生的学习热情也是毁灭性的打击。学生的学习热情往往是靠功课的“有用性”和“有趣性”来激发的。理工性质的基础课程就是数学类课程和大学物理课程，其他课程都是专业课或者专业基础课程。大部分的学生以就业或考研为导向来进行学习。大学物理课程不像具体的专业课那样直接面向就业，又不像数学类课程那样与考研息息相关，更何况，物理学概念和公式理解和应用起来又具有相当的难度，从而大学物理变成了广大工科学生觉得既“无趣”又“无用”，还很“难”的“鸡肋”课程。对于“985”或者“211”学校，很多学生为了出国深造，会努力把大学物理学中的基本概念和公式吃透，因为国外高校一般都很看重平均成绩点数（GPA，Grade Point Average）和基础类课程成绩；而对于普通的二本院校，能够出国深造的学生是极少数，因此有热情来学学物理的少之又少。从笔者所在的学校及兄弟工科院校从事大学物理教学的同行们反馈的信息来看，在大学物理课堂上能够积极主动学习的学生，除了极少数是延续了中学对自然科学的兴趣的，基本都是为了高分而获得奖学金而学习。

这种教学模式还带来了一个更严重的后果，就是各个工科专业建设者们也觉得大学物理课程是“费力且无用”的，从而会大力压缩大学物理的课时。以笔者所在的学校为例，信息类专业中大学物理的课时数就设置成了48学时，如果不是教育部教学大纲的指导要求，大学物理课程很可能会从工科教学中消失。

大学物理教学面临的现状让我们不得不深入思考：作为自然科学的核心课程，本质上是既“有趣”又“有用”的，为什么会面临如此尴尬的局面？笔者认为，现有的教学模式是不合时宜的，要大力改革，教学的基本指导思想要从“掌握基本概念和公式而解题”转变为“了解科学常识以提高科学素养”，课程的定位要从“物理学原理教学”转变为“科学通识教学”。

二、工科学生有提高科学素养的需求

根据2010年11月第八次中国公民科学素养调查报告显示，中国大陆具备基本科学素养的公民比例达到3.27%，而同期人口普查数据的结果表明中国大陆大专以上学历水平人口为8.9%，这说明大部分大学毕业生还不具备基本科学素养[1]。而在这份调查数据中，崇尚科学精神的公民比例达到64.94%[4]，这表明我国大学生的科学素养还有极大的提升需求。科学素养包括很多方面，很难得有标准的定义，但普遍认为包括三个方面：即对于科学知识达到基本的了解程度；对科学的研究过程和方法达到基本的了解程度；对于科学技术对社会和个人所产生的影响达到基本的了解程度。

很显然，科学素养的提高是一个社会性工程，绝不可能仅仅由课堂教学来完成。课堂教学能够传递的是认识物质世界的基本规律和基本方法，以及批判的科学思维方式；即广博的自然科学知识面以及科学的探究方法，也就是“科学通识”。工科类学生的专业课程往往是针对某些具体问题的理论和解决方法，有“深度”而无“广度”；侧重于技术手段的改进和提高，忽略了技术所依靠的基本物理原理的局限性和暂时性。尤其是“卓越工程师培养计划”[5]出台以来，我校越发注重实践技能的培养，忽略了科学通识的教学和传播。因而，工科学生是有提升科学素养，了解科学通识的需求的，科学通识教学应当专门作为一个课题来认真研究。

三、科学通识教学由大学物理课程完成的合理性

很多学者认识到在大学教育中应该加强科学通识教学的重要性（见文献[6]及其引用文献），甚至文科类专业[7]也有这样的呼吁。但是关于科学通识教学具体怎么实现，还没有相关报道。在我国现行的教育体系下，只靠学生自主学习、电子刊物宣传、学者讲座等形式是不够的，还是需要开设专门的课程来进行教学。物理学是一切自然科学的基础，处于诸多核心自然科学的基础地位[8]，是研究自然界物质最基本形态的科学。物理学是通过观察、实验、抽象、假设等研究方法并经实践的检验而建立起来的，是一门理论和实验高度结合的精确科学，是最能体现科学发展过程、研究方法和思维方式的学科。相比较数学课程和工科专业课程，大学物理是最合适来承担科学通识教学的课程。

情形越来越清楚，大学物理课程不转变为科学通识教学，将会成为一个高校专业建设者和学生眼中越来越边缘化的学科，将会继续“无趣”且“无用”下去，广大的大学物理授课从业者将会处于“空有满腹经纶，却无人可与交流”的尴尬境地，唯有主动变革，放弃以公式为基础的教学而转变为以提高科学素养为目的的教学，才能为大学教育做出应有的贡献。

参考文献：

[1]李辉，李聪，袁超，曹晴，贾芳，朱保安.大学物理课程改革与大学生科学素养的提升[J].电子制作，2013，（5）.

[2]秦吉红，梁颖.在大学物理教学中应加强科学素养的案例剖析[J].大学物理，2015，34（2）.

[3]包景东.格物致理・批判性科学思维[M].2014，北京：科学出版社.

[4]高宏斌.第八次中国公民科学素养调查[J].中国科学基金，2011，（1）.

[5]林健.“卓越工程师培养计划”学校方案研究[J].高等教育工程研究，2010，（5）.

[6]冯惠敏，胡拓.自然科学通识课程教学质量评价指标构建[J].宏观质量研究，2014，2（3）.

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关键词 半导体物理学 课程探索

中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）02-0001-01

信息技术的基础是微电子技术，随着半导体和集成电路的迅猛发展，微电子技术已经渗透到电子信息学科的各个领域，电子、通信、控制等诸多学科都融合了微电子科学的基础知识。《半导体物理学》是微电子技术的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。但是，《半导体物理学》具有理论性强、教学模式单一、教学内容更新慢等特点，使得学生在学习过程中存在一定的难度。因此，本文从课堂教学实践出发，针对目前教学过程中存在的问题与不足，对微电子专业的《半导体物理学》课程进行探索。

一、教学内容的设置

重庆邮电大学采用的教材为电子工业出版社刘恩科主编的《半导体物理学》，该教材具有知识体系完善、涉及知识点多、理论推导复杂、学科交叉性强等特点，需要学生有扎实的固体物理、量子力学、统计物理以及数学物理方法等多门前置学科的基础知识。另外，我们开设的学生对象为微电子相近专业的学生，因而在课程内容设置时有必要考虑学生知识水平及其知识结构等问题。虽然微电子学相近专业开设了大学物理等课程，但是大部分专业未开设量子力学、固体物理及热力学统计物理等前置课程，学生缺少相应的背景知识。因此，我们在《半导体物理学》课程内容设置上，需要将部分量子力学、固体物理学及统计物理学等相关知识融合贯穿在教学中，避免学生在认识上产生跳跃。

从内容上，依据课程大纲《半导体物理学》主要分为两大部分，前半部分着重介绍半导体的电子状态及对应的能带结构，电子有效质量、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布，半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上进一步阐述了费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；后半部分对典型的半导体元器件及其性能进行了深入分析。基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，需要教师采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，注重理论推导与结论同相关电子元器件的实际相结合，使学生较好地理解并掌握相关知识。

二、教学方法与教学手段

为了让学生能较好地掌握《半导体物理学》中涉及的理论及模型，需要采用多样化的教学方法和手段。基于《半导体物理学》课程的特点，在传统黑板板书基础上，充分利用PPT、Flash等多媒体软件，实物模型等多种信息化教学手段，模拟微观过程，使教学信息具体化，逻辑思维形象化，增强教学的直观性和主动性，从而达到提高课堂教学质量的目的。

三、考核方式的改革

为了客观地评价教学效果和教学质量，改革考核方式是十分必要的。针对《半导体物理学》课程特点，对考核方式作如下尝试：（1）在授课过程中，针对课程的某些重点知识点，设计几个小题目，进行课堂讨论，从而增强学生上课积极性及独立思考能力；（2）学期末提交针对课程总结的课程论文，使学生在对课程有更深入了解的同时激发学生的创造积极性。

《半导体物理学》是微电子技术专业重要的专业基础课，为后续专业课程的学习打下理论基础。要实现《半导体物理学》这门课的全面深入的改革，还有待与同仁一道共同努力。

参考文献：

[1]汤乃云.微电子专业“半导体物理”教学改革的探索[J].中国电力教育，2012，（13）.

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关键词:建筑物理;课程;教学模式;改革

1建筑物理课程介绍

建筑物理课程是基于物理原理来提升建筑质量的一门课程,该课程交叉了物理知识与建筑知识,通常重点研究建筑物在光学、热力学以及声学等方面的应用.通过研究建筑设计中光学、热力学以及声学方面的知识,使得建筑物获得更好的采光能力、隔热保温以及建筑降噪等优势.建筑物理课程作为建筑类专业的基础课程,是提升建筑艺术性,充分发挥建筑舒适性和适用性的重要学科,下文重点分析该学科教学模式现状以及改革思路.

2建筑物理课程教学模式现状分析

2．1课程教授模式传统,不适应学科发展要求

建筑类专业课程通常理论性较强,对于学生实践能力也有一定的要求,而当前高校开展建筑物理课程教学模式依旧大量的以传统的理论讲解为主,学生被动学习的现象非常普遍,一方面是由于建筑类课程是一个体系性的学科,需要大量的专业学科反复堆积,学生往往缺乏必要的理论知识积累,造成学科的碎片化严重,另一方面,传统的教学模式,展现给学生的往往都是一个个的推导过程或者是知识点,学生不能通过理论的学习获得直接的知识应用,久而久之学生学习的兴趣以及积极性容易受挫,从而影响教学质量.

2．2动手实践不足,忽视建筑类专业的本质

建筑类专业对学生动手实践能力有着较高的要求,而具体教学实践实施的时候,往往受到教学条件、教学设计等方面的原因,造成学生真正的动手实践操作不足,而仅有的实践课程还常以验证性的实验为主,在既定的“实验条件和实验结论”的前提下,建筑类学科的创新性和发展性受到了较大的限制,而,这也是建筑物理学科教学模式过程中存在的重大问题.

2．3对于现代化教学辅助设备应用不足

建筑物理教学除了上述两个方面的不足,对于现代化教学设备应用不足也是比较突出的现状.在实际的教学过程中,对于多媒体教学设备的应用往往仅局限于教学讲稿的演示,而对于教学软件以及建筑模型多角度、多层次的展示则很少出现在具体的教学过程中,造成了现代化教学设备的极大浪费.一方面这于教师对于现代化教学设备的应用能力有关,另一方面是高校建筑物理教学建设的欠缺.

3建筑物理课程教学模式改革与探索

3．1创新教学模式,契合学科发展要求

提升建筑物理学科建设,首先应创新教学思路,改变传统的以讲为主的教学模式,充分调动学生学习的积极性,挖掘建筑类专业学科特点,顺应教学发展要求.具体而言应从以下几个方面入手:其一,做好学科定位,建筑物理作为建筑类专业的基础公共课程,对于不同专业方向要求和侧重点都不尽相同,因此在具体的教学实施过程中,应对其进行细化,适应不同专业方向的学科要求;其二,提升实践教学环节比重以及现代化的教学手段的应用水平,充分发挥现代教学设施的优势,使得理论教学与实践教学齐头并进;其三,在具体教学过程中应突出学生学习的主体性、主动性,毕竟学生是教学实施的对象,应充分尊重“生本”教学理念,在教学过程中调动学生的学习积极性,促进建筑物理教学发展水平的提升.

3．2提升学生动手实践能力

建筑物理教学过程中做好学生动手实践能力的培养,可以尝试当前非常流行的“项目式”教学,以具体的小项目代替传统的验证性实验,教师做好项目课题的设定,而具体的项目实施则由学生去完成,以理论指导实践,在反复的动手实践中发现理论学习漏洞,使得二者都能得到有效的提升,项目的评价过程本文建议可以通过学生之间的交叉评价来完成,一方面锻炼了学生发现问题的能力,同时也培养了学生总结评价能力.当然,教师可以在项目结束之后,进行普遍性的一个评价,真正将理论和实践融入到建筑物理教学实施过程中来.

3．3充分应用现代化教学手段提升学科质量

现代化教学手段的有效应用也是提升建筑物理教学实施效果的重要思路,杜绝对多媒体等教学设施的单一化应用(幻灯片的播放),充分应用各种教学软件以及其他工程类软件(如AUTOCAD),在理论讲解时通过配套的软件模型演示,二维模型展示、3D模型展示,透视图展示等等,使得学生能够对知识点有深层次的把握,同时还可以通过一些Flash软件将具体的建筑实施过程进行展示,使得学生能够非常直观的感受具体的建筑实施过程.当然,对于现代化教学设施的应用,必然对教师的计算机应用水平有着较高的要求,一些软件的运行对于计算机的运行环境也有一定的要求,这都是在具体实施过程中容易出现的一些问题.总之,建筑物理课程教学模式的改革,应从教学创新、教学实践和现代化教学辅助设备的应用等诸多方面共同加强,多角度、多层次提升建筑物理教学质量,促进学科发展.

参考文献

[1]尹振江．应用型本科院校建筑物理课程教学改革研究[J]．门窗,2014,(09):418＋422．

[2]黄伟,黄安永,漆玲玲．应用型工程管理专业建筑智能化与管理课程教学模式的改革与实践[J]．高等建筑教育,2015,(02):68G72．

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关键词: 大学物理教学 认知结构 正迁移

1.引言

大学物理学作为高校理工科学生的一门必修课,不仅具有科学的严谨性和很强的实践性,而且具有广泛的应用性和不断的创新性。学生在学习新的物理知识时总是以原有的学习为基础,原有的学习可能促进也可能干扰后继的学习。这种原有的知识结构作用于所学新知识的情况在很大程度上影响到学习效果,因此受到教育学家和心理学家的普遍重视,这就是高等教育心理学中的“认知结构”及“学习迁移”的问题,其成为学习问题研究中的一个重要方面。

所谓“认知结构”[1],简单来说就是学生在学习过程中在其头脑中已经建立起来的知识结构;而“学习迁移”[2]指的是已经获得的知识、方法、技能对学习新知识的影响。积极的影响称之为正迁移,而消极的影响称之为负迁移。可辨别性是认知结构的一个重要的因素,如果我们在大学物理实际教学工作中采取科学的方法调节并优化这一因素,就能够促使正迁移产生,从而促进教学工作,提高教学效果,极大地促进大学物理的教学工作。

2.“认识结构”的可辨别性与“正迁移”

美国著名认知教育心理学家奥苏伯尔认为学生的学习主要是有意义的接受学习[3]。学生在有意义的接受学习过程中在其头脑中必然会建立一定的知识结构,这就是高等教育心理学中所称的“认知结构”。具体地说,“认知结构”就是指学生在某一学科的特殊知识领域内观念的全部内容及其组织。可辨别性是“认知结构”的一个重要因素,是指新的学习内容与同化它的起固定作用的原有内容的分化程度。如果一个学生的原有知识是按一定的结构、分层次严密组织好的,则他在遇到新的学习任务时,不仅能迅速在原有的认知结构中找到新知识的固定点,而且易于辨别新旧知识的异同。

奥苏伯尔在有意义的接受学习基础之上提出了一种新的“学习迁移”理论,称为认知结构说[4]。认知结构说认为在有意义的接受学习中,学生的认知结构是有效影响学习迁移的重要因素。学生应该积极地利用旧知识理解新知识,把新知识纳入到己有的认知结构中,这个过程实际上就是有效的正迁移过程。因此,教师通过调节可辨别性,使学生的“认知结构”组织有序、层次分明,易于实现正迁移,是至关重要的。

3.采取知识类比的策略,提高“认知结构”的可辨别性,促进学习正迁移

“类比”是人们认识事物本质特征的一种基本方法,是一种必须由原有“认知结构”来积极心理参与的认知行为,是学习主体在探究中求同辨异,在已有的认知基础上,突破固有的认识束缚,建立新的认知结构,获得新的本质的认识过程。而知识类比策略本身就是一种很好的学习方法。

注重新知识与新知识、新知识与旧知识之间的类比,能够增强学生“认知结构”的可辨别性。而“认知结构”的可辨别性又是影响学习迁移的重要因素。事实上大多数学生的“认知结构”并不总是条理清晰可辨的,有时甚至是组织无序、层次混乱的。因此,采取知识类比的策略可以有效地提高可辨别性,增强“认知结构”的条理性和可利用性。我们在大学物理实际教学过程中,着重运用了类比的教学策略,优化了学生的“认知结构”,使之组织有序、层次分明,有效地增强了认知结构的可辨别性,实现了最大限度的学习正迁移。

我们在大学物理教学过程中主要采用了以下四种类比策略。

3.1概念类比法

在大学物理课堂教学中,教师应当扎扎实实抓好物理概念等基础知识的讲解,通过类比不同的物理概念,加深学生对概念本质属性的理解,对容易混淆、认识模糊的概念加以区别、判断,有意识地引导学生对概念进行比较区别,认识规律的本质特征。还可以通过类比法,加深理解大学物理“力、热、电、光”四大部分之间不同物理量与概念的异同点,可以总结归纳知识网络,提高对物质的整体认识。

例如,我们在教授学生学习光波的某些知识时,完全可以类比机械波的一些概念。首先复习机械波的相关知识――波的叠加原理,波具有独立传播性(两波相遇后分开,仍保持各自原来的特征),还具有运动叠加原理(相遇区内任一质元的位移,是各波单独在该点引起的振动位移的合成),频率相同、振动方向相同、相差恒定的两列波为相干波,在两列相干波的交汇处会呈现出明暗相间的稳定图像,与时间无关,这种现象称为干涉现象。机械波的干涉分为干涉相涨和干涉相消,当波程差为半波长的偶数倍即波长的整数倍时为干涉相涨,而波程差为半波长的奇数倍时为干涉相消。以上的关于机械波的知识已经是学生认知结构中的一部分,完全可以作为学习光波知识在学生已有认知结构中的固着点,完全可以类比于光波的相关知识。光波也同样具有波的独立传播性和叠加原理,频率相同、振动方向相同、相差恒定的两列光为相干光,光的干涉条纹也是明暗相间的,且当光程差为半波长的偶数倍即波长的整数倍时为干涉相涨,呈现为亮条纹,而光程差为半波长的奇数倍时为干涉相消,呈现为暗条纹。

再如,力学中的惯性和热学中的比热容这两个概念,表面上它们之间毫无联系,但通过类比,就可以发现它们还是有一定联系的。惯性是物质本身的属性,与物体的速度、加速度无关。“惯性”可以看作是物体反抗改变运动状态的一种“惰性”,那么无论物体是处于静止状态还是运动状态,这种性质都是有的。这时学生已经很好地理解了“惯性”的概念,“惯性”已经成为学生认知结构中的一部分,完全可以作为学习“比热容”在学生已有认知结构中的固着点,完全可以类比于“比热容”的相关知识。如此说来,而热学中的比热容同样是描述物质本身的一种属性,它与物质的温度、质量、运动状态无关。同样,比热容可以通俗地看成是物质的“惰性”,是物质对改变温度的反抗,比热容越大,则它“惰性”越大。教师通过以上深层次的引申与类比,可以加深学生对惯性和比热容这两个概念的深刻理解。

又如,在学习量子物理的基本概念的波函数所满足的条件时,其条件之一为有限性,函数的模的平方在整个空间内出现的几率为一,即归一化条件。这些关于量子物理波函数归一化的知识已经成为学生认知结构中的一部分,完全可以作为学习热学中的理想气体麦克斯韦速率分布的归一化性质在学生已有认知结构中的固着点,完全可以类比于量子物理波函数归一化的相关知识。这一知识点可以类比热学中的理想气体的麦克斯韦速率分布中的性质,在所有速率区间的分子数占总分子数的百分比的总和为一,亦即归一化条件。诸如此类,在类比的过程中也包含物理知识与方法的迁移,并且教会学生辨认知识的本质特征,帮助学生把新知识纳入自己的认知结构中,实现知识的有效迁移。

3.2列表类比法

列表类比的方法更直观地反映出不同物理本质之间的异同。应用列表类比法一定要讲究文字简洁明了、准确、规范,这样才能突出类比内容的关键,使学生集中注意力,提高教学效果。

例如在讲述相对论内容时,关于洛仑兹变换在不同的条件下,表现出不同的类型,列表类比如下:

从上表可以简洁明了地看出,在S系中发生的两件事,在不同的时空条件下,在S系中观察会表现出不同的结果。学生在学习这些知识时,通过类比能正确理解洛仑兹变换的整体联系和在一定条件下矛盾的转化,从而把握问题的实质。学生容易找出知识点间的异同,增强知识间的可辨别程度,易于获得精确、可分离性强的知识。

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再如,在讲解热力学第一定律的几个特殊过程时,为了清晰地表示出这几个特殊过种中的“功”、“热”、“内能”三个物理量的变化关系,教师可以列表类比如下:

从上表可以清楚地看出四个特殊过种中的“功”、“热”、“内能”三个物理量的变化关系。学生可以一目了然,更加容易加深理解与记忆。

3.3图解类比法

图解类比法,就是利用两个物理量之间变化分布的关系图把有关的知识点进行类比。类比可以突出某些概念、性质、判定各种关系之间的区别和联系,使各自的特点更为鲜明,使学生更能抓住特点进行认识、了解,从而熟练掌握,做到触类旁通,灵活应用知识。

图解类比法非常直观地比较物理量的性质之间的变化关系。如图1所示为不同温度下绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线。从图中可以清楚地看出,不同温度下绝对黑体单色辐射本领是不同的,温度越高,其温度越高,则最高辐射本领也高;而且绝对黑体单色辐射本领随着波长的分布关系基本是一致的,都呈现出先增大后减小的趋势,都有一个最大辐射峰值点。通过图解类比法,可以使学生很容易把握事物的本质,从而增强知识间的可辨别性。

3.4解题类比法

解题类比法是指类比出不同的解题方法,可以锻炼学生判断、归纳、理解问题的能力,做到举一反三、触类旁通。类比解题训练可以进一步加深学生认知结构中某个知识点的可辨别性。例如:

习题1:气体处于平衡态时,分子任何一个自由度的平均能量为()。

(A)ikT/2 (B)iRT/2 (C)RT/2 (D)kT/2

单独呈现习题1,学生大多都徘徊于C和D之间。但给出习题2作为类比练习后,学生就会清楚应该选C还是D。

习题2:气体处于平衡态时,1mol理想气体任何一个自由度的内能为()。

(A)ikT/2 (B)iRT/2 (C)RT/2 (D)kT/2

通过这种类比练习,学生认知结构中“一个理想气体分子的能量”、“1mol理想气体的能量”知识点的可辨别程度就大大加强了。

我们把类比法运用到学生解题中,就是把相近的或相似的物理事实、物理现象一起呈现在学生面前时,学生就能通过类比,找出它们的共同特点和不同点,找出它们的区别和联系,从而增加学生认知结构的可辨别性,更加深刻理解它们的特点。

4.结语

综上所述,在大学物理教学中,我们通过分析和研究学生认知结构的可辨别性,并采用多种类比的方法进行调节,很好地优化了学生的认知结构,实现了学生学习的正迁移。我在2009年度所教授的一个大学物理实验班中,在实施“调节可辨别性、优化认知结构”的策略之后,班级期末考试成绩大幅度提高,平均成绩提高了11分,由原来的63分提高到74分,提高幅度为17.5%。说明了通过调节认知结构的可辨别性,可以优化学生的认知结构,产生正迁移,提高教学质量。

参考文献:

[1]邵瑞珍.教育心理学[M].上海教育出版社,1997:219-249.

[2]莫雷.教育心理学[M].广东高等教育出版社,2002.

[3]罗伯特・斯莱文著.姚梅林译.教育心理学理论与实践[M].人民邮电出版社,2004.

篇10

【关键词】计算机模拟；MATLAB编程；傅立叶变换；计算全息

0 引言

数字模拟是伴随着计算机的出现和发展而逐步形成的一门学科，是集物理、数学和计算机三者相结合的产物，主要运用计算机对所要研究的复杂问题进行数值计算或模拟实验，一方面，便于我们深刻认识和理解物理现象，另一方面，帮助我们并从中探索和发现新的物理规律。如今，自然科学和技术的发展的各个分支领域，大量物理问题的求解都离不开计算机的辅助，很多未知的科学问题都是通过数字模拟手段进行预测和可行性分析，其重要性已经不言而喻了[1]。

在高等教育中，大学物理已经成为一门普遍的公共基础课，要求本科生对基本物理原理和规律有正确和深刻的认识，从而形成辩证的思维方法和科学的世界观。然而，很多物理学的概念和原理通常涉及到较为复杂的数学知识，如傅立叶变换、线性代数、偏微方程等。在传统的教学方式中，教师必须通过口授笔演、解析推导的繁复过程来描述和解释复杂的物理过程，令许多学生感到晦涩难懂、枯燥乏味，渐渐失去对物理学的兴趣。如今随着多媒体教学手段的介入和辅助授课，使得许多复杂和抽象的物理原理和实验可以通过计算机模拟或数字模拟的手段来帮助学生进行理解和掌握相关知识，同时极大地刺激本科生对物理学的广泛兴趣，对日后从事相关科研工作奠定一个良好的基础和技能。其中，基于MATLAB编程的数字模拟手段日益成为大学物理教学工作者首选的软件平台[2]。

MATLAB是美国Mathworks公司于1984年推出的一种集数值计算、符号预算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的优秀图形化软件。MATLAB这个名字由Matrix和Laboratory两词的前三个字母组合而成，即“矩阵实验室”（Matrix Laboratory），也是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，具有以下特点：一是，简捷和智能化，MATLAB适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，它用解释方式工作，键入程序后可立即得到结果，人机交互性能好，它不要求使用者像使用C或语言一样，先编写源程序，然后对其进行编绎、连接，最终形成可执行文件，这无疑使得编程和调试效率大大提高。二是，功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理。三是，MATLAB具有丰富的内部函数，MATLAB程序是由主程序和各种工具包组成的，其中主程序包含了数百个内部核心函数，能适应不同使用者的需要，当前已成为美国和其他发达国家中大学教学和科学研究中必不可少的工具[3]。

为了进一步分析和探讨基于MATLAB编程的计算机模拟在物理教学中的应用和重要意义，本文将利用MATLAB编程来对某些光学现象及其物理过程进行了数字模拟，展示出采用MATLAB编程的简捷直观的图形化方式来加深学生对物理原理和概念的认识和理解，从而揭示其重要的现实意义和巨大的潜在价值，相信一定会成为现代物理教学中不可或缺的辅助工具。

1 利用MATLAB编程模拟物理光学中的衍射规律及应用

1.1 利用离散快速傅立叶变换模拟夫琅和费衍射光强分布的数字模拟

傅立叶变换在物理学中有着广泛的应用，傅立叶分析方法使得许多复杂的物理问题得到了简化和分解，从而提供了一条有效而普遍的解决方案，在光学、电学、热力学等众物理学多分支领域中日益发挥着约越来越重要作用。在衍射光学中，我们知道夫琅和费衍射场的强度分布就等于衍射屏函数的功率谱[4]，可以直接将衍射屏进行傅立叶变换，然后处理得到衍射图样。根据衍射光学可知，夫琅和费衍射场的复振幅分布U（x，y）在空域中是个复杂的卷积公式，其形式如下：

因此，在空域中复杂的夫琅和费衍射光场的复振幅分布公式就可以利用MATLAB编程进行直观的图形化模拟，衍射屏的生成可以直接由MATLAB矩阵运算生成，也可利用Windows下的画图工具生成，计算机模拟流程图如图1所示：

图1 夫琅和费衍射的数字模拟流程图

针对一些常见衍射光屏的夫琅和费衍射光强分布的计算机模拟结果如图2所示：首先，从图2（a）和（b）可以明显看出圆孔的艾里斑，且孔径越小，衍射现象越明显。其次，从图2（c）和（d）明显看出方孔的衍射花样分布，且衍射光强的分布方向沿着孔径直边的法线方向扩展，孔径越小，衍射越明显。最后，图2（e）和（f）模拟出一些有趣的字母和符号形状的衍射屏的夫琅和费衍射光强分布，其空间矢量的分布与孔径大小和形状的变化规律，和物理推导公式完全吻合，从而正确直观地展现出夫琅和费衍射的普遍物理性质和规律。

图2 不同大小孔径衍射屏的夫琅和费衍射光强分布

（a）和（b）分别是圆孔和它对应的衍射光强的分布；（c）和（d）分别是方孔和它对应的衍射光强的分布；（c）和（d）不同字母和符号形状的衍射屏的夫琅和费衍射光强分布。

1.2 菲涅耳衍射光场的传播和边缘增强效应的数字模拟

根据公式（5）和（6），利用快速离散傅立叶变换结合MATLAB编程对二维衍射屏-Lena图像进行菲涅耳衍射光场传播的计算机模拟，其结果如图3所示，可以形象直观地看出菲涅耳衍射传播规律，从（b）到（f）依次随着传播距离Z的不断增大，其边缘增强效应越发显著，边缘振荡不断向外扩展，且展宽不断增大，完全符合并且验证了菲涅耳衍射传播的物理性质。

图3 Lena图像的菲涅耳衍射光场的强度分布随传播距离的变化情况

（a）原始Lena图像；（b）Z=1m；（c）Z=2m；（d）Z=4m；（e）Z=8m；（f）Z=16m.

1.3 采用MATLAB编程制作傅立叶变换计算全息图

利用光波的数学描述，通过计算机对想象中的物体形成模拟干涉图，并将其绘制或复制在透明胶片上，这种计算机合成的全息图称为计算全息图（Computer-Generated Hologram：CGH）[5]。因此，无需实物，只需知道该物体的数学表达式，即可用计算全息记录下物光波，从而再现出二维或三维虚构像，这样可以帮助学生有效理解全息的抽象制作过程，直接在计算机上观察和感受全息的成像原理和成像特点，从而激发学生的学习兴趣和创新精神，制作自已感兴趣的不同傅立叶变换全息图。下面，我们通过MATLAB编程制作一幅傅立叶变换计算全息图，对复数波面采用迂回相位编码方法，直接对抽样点上的复数波面的振幅和相位进行编码，其具体流程如图4所示：

图4 采用MATLAB编程制作傅立叶变换计算全息图的流程

从图5可以明显看出其特点是被记录的复数波面是物波函数的傅立叶变换，由于这种全息图再现的是物波函数的傅立叶谱，所以要得到物光波本身，必须再通过一次傅立叶逆变换，这与光学傅立叶变换全息图原理是一致的。

图5 光字屏傅立叶变换计算全息的制作

（a）光字衍射屏；（b）傅立叶变换全息图；（c）再现所编码的全息图.

2 结论

综上所述，我们可以从不同的应用实例看出，结合MATLAB编程的计算机模拟技术给复杂冗长的物理学公式和原理的讲解中，提供了一个直观清晰的图形化说明，尤其对抽象的物理概念赋予了更丰富的感性认识，使得学生再学习过程中更容易同复杂的公式产生共鸣，刺激物理学习的兴趣和对抽象物理概念的理解。因此，在大学普通物理教学中引入MATLAB计算机模拟技术正日益受到重视和普及。另外，学生们利用MATLAB可以对一些物理问题建立数学模型，给出清晰的图像化解释的过程中，可以极大的培养学生的发散性思维和从模拟中发现问题，拓展想法，发现和总结物理规律，为今后的科研工作打下良好的基础。最后，与Basic、C和Fortran相比，用MATLAB软件对物理实验的模拟，只需要用数学方式表达和描述，省去了大量繁琐的编程过程。基于以上论述，利用和推广MATLAB编程的计算机模拟技术必将会其成为我们大学物理教学过程中不可或缺的有力工具和从事高校科研的有利平台。

【参考文献】

[1]李晓莉，张建飞.计算物理的教学改革研究与实践[J].物理通报，2010（8）：57.

[2]胡守信，李柏年.基于MATLAB的数学实验[M].北京：科学出版社，2004.

[3]张铮，杨文平，石博强，李海鹏.MATLAB程序设计与实例应用[M].北京：中国铁道出版社，2003.