大学物理铁磁质教学中工程教育素材的融入

郭铁梁 李海宝

（黑龙江科技学院理学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

大学物理铁磁质教学中工程教育素材的融入

郭铁梁 李海宝

（黑龙江科技学院理学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

在大学物理课程铁磁质知识点的教学中，结合工程实践教育，使讲授的知识点能够理论联系实际，在提高教学效果的同时，使学生认识到理论知识在工程实践中的应用，进而使学生树立正确的知识价值观，提高学习兴趣，增强主动学习的意识.

铁磁质；巨磁阻效应；工程教育；大学物理

引言

在大学物理课程关于铁磁质内容的教学中，按照理论联系实际的教育原则，结合所讲授的知识点，引入与该知识点相关的工程实践内容，深入营造与该知识点相对应的工程教育情境，有助于提高学生学习的积极性，培养学习兴趣，实现在大学物理课堂教学中，帮助学生树立工程和实践意识的目的.

1 铁磁质理论知识点教学基本要求

我们知道，铁磁质是一种性能特异、用途广泛的磁介质.其主要特点有两个方面：高磁导率和磁滞.这两个特点是铁磁质应用特别广泛的主要原因［1］.对照《理工科非物理类专业大学物理课程教学基本要求》，对铁磁质理论知识的讲解，要使学生理解铁磁质的基本理论，掌握磁场在磁介质中的分布规律，了解铁磁质在工程实践中的应用以及相关的科技前沿问题［2］.

铁磁质理论知识是大多数理工科学生专业理论的重要基础知识.以电类专业学生的知识结构为例，铁磁质及其理论是学生后续课程如介质物理、电机、变压器等诸多课程的基础.如果将这个知识点放在比较突出的位置，就能够更好地促进基础课、专业基础课和专业课的紧密衔接.同时通过营造相应工程教育情境，能够引导学生理论联系实际，帮助学生以工程和实践应用的视角来学习这个知识点.因此，通过挖掘铁磁质在工程中的应用实例，并将应用实例融入到课堂教学中，将有助于提高课堂教学效果.

2 传统铁磁质理论工程教育素材在课堂教学中的融入

2.1 软磁材料工程教育素材在课堂教学中融的入

铁磁质中的软磁材料是电力工业和电子工业中广泛应用的重要材料［3］.这里应通过多媒体图文向学生介绍软磁材料在工程实践中的一些应用.由于笔者的授课对象是电气专业的学生，在讲解时突出展示了在电力工业中，从电能的产生（发电机）、传输（变压器）到利用（电动机）的过程中，软磁材料所起到的能量转换作用的实例；同时也展示了从通信（滤波器和传感器）、自动控制（继电器、磁放大器、变换器）、广播、电视等领域内，软磁材料起到的信息的变换、传递等作用的案例.通过上述软磁材料一系列应用的介绍，使学生在获得感性知识的同时，也会主动思考或想象硬磁材料的相关应用.这对于硬磁材料的讲解创造了很自然很有效的教学情境.

2.2 硬磁材料工程教育素材在课堂教学中融的入

硬磁材料由于矫顽力高，它能长期保持很强的磁性，因此硬磁材料又称永磁材料或恒磁材料［4］.硬磁材料的应用较广泛，结合电类专业特点，笔者在讲授时融入了这样一些素材：如利用永磁铁磁极间的相互作用力可实现磁传动、磁悬浮、磁起重、磁分离等应用实例.

笔者在讲述这部分内容时，还向学生强调永磁功能器件具有节能、高效、与系统兼容、便于操作及可靠性高的优点，而这些优点与当今生产实践中的高效节能环保等理念是相符的.

2.3 矩磁材料工程教育素材在课堂教学中融的入

矩磁材料是磁信息材料的一种，磁信息材料是用磁学方法存储和记录信息的磁载体材料［5］.按所采用的磁学原理和方法的不同，分为矩磁性存储、磁泡存储、磁记录和磁光记录.课堂上，利用图文展示磁存储是随着计算机的兴起而发展起来的，磁记录则是从录音开始的，接着扩展到录像和数码，形成了广阔的磁信息技术领域，磁信息材料在当代信息社会中有着广泛而重要的应用.矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以组成计算机的内存储器，它利用矩磁材料的矩形磁滞回线的两个稳定的剩磁状态，构成计算机二进位制的“0”和“1”双稳态，进而再利用脉冲磁场存取信息.讲授时，辅以存储原理方面的图文，吸引学生的注意力.

3 巨磁阻效应工程教育素材在课堂教学中的融入

巨 磁 阻 效 应 （Giant Magneto－Resistive，GMR）是指磁性材料在不同的磁化状态下电阻率存在巨大差异的现象.这是一种量子力学效应，属于铁磁质理论的一个科技前沿领域.为了让学生了解这一科技前沿，应向学生介绍巨磁阻效应.如何融入呢？笔者借助一个教学案例，说明如何将巨磁阻效应融入到课堂教学当中.

笔者先营造了这样一个情境：通过图文展示最早的磁头，这是一种采用锰铁磁体制成并通过电磁感应的方式读写数据的磁头.但使用这种传统磁头的硬盘由于存储密度低，要想制造大容量的磁盘，体积也相对较大，从而影响存储器的便携性.要想使硬盘体积不断变小，容量却不断变大，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，相应地这些区域所记录的磁信号就会越来越弱.这就要求磁头的设计体积应越来越小，灵敏度应越来越高.通过上述问题情境的营造，学生对该问题必然十分感兴趣.

这时笔者又以图片展示了1997年由IBM公司投放到市场的全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头，然后结合图文说明这一新式磁头的工作原理：它是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，使用了具有巨磁阻效应的材料和多层薄膜结构，即相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，产生更加灵敏的电流，从而可以实现更高的存储密度.然后通过列表比对现有的电磁感应磁头与GMR磁头的存储密度的很大差别：使用电磁感应磁头所能够达到的盘片密度为3～5千兆位每平方英吋，而GMR磁头可以达到每平方英吋10～40千兆位.

为突出理论联系实际的教学原则，笔者通过图文列举了学生所使用的电脑、数码相机、MP4播放器等利用巨磁阻效应技术进行存储的各种数码产品.接下来就展示这样的情境：2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔物理学奖揭晓，法国科学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得·格林贝格尔（Peter Grunberg）因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖.瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”［6］.

和学生一起看过图文后，教师提示学生：看看计算机硬盘存储能力有多大，就知道上述两位科学家的贡献有多大了.笔者又利用两张图片进行对比：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘.最后和学生一起来感受：司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，这些都闪烁着耀眼的科学光芒.诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中.

另外，在介绍上述内容之后，笔者还向学生列举我国在此方面的研究工作：中国科学院物理研究所及北京大学等高校在巨磁阻多层膜、巨磁阻颗粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究；中国科学院计算技术研究所在磁膜随机存储器、薄膜磁头、金属夹层（MIG）磁头的研制方面成果显著；北京科技大学在原子和纳米尺度上对低维材料的微结构表征的研究及对大磁矩膜的研究均有较高水平……列举的目的是让学生了解我国在此领域的研究状况.

4 结语

通过工程教育情境的营造，背景的勾勒，使学生看到了是科学兴趣和实际生产生活的需要推动了科技的发展，体会了细致的观察和执著的必要性，提高了学习大学物理的兴趣和动力.上述教学手段及教学方法的实际效果，通过学期末的考试成绩及问卷调查，学生给予了积极反馈，取得了良好的教学效果.有关铁磁质知识及理论所涉及的工程教育素材，已经编入了我们的教材中［7］.总之，按照理论联系实际的教学原则，在大学物理铁磁质知识的讲解中，融入工程教育素材，实现了理论与实际应用的紧密结合，强化了学生工程实践和科技创新意识，拉近了学生与工程应用领域的距离，符合在大学物理课堂教学中注重工程实践和科技创新意识培养的要求.

［1］ 郑怡，陈宏希.铁磁质的特性与应用［J］.甘肃科技，2000.（4）：45～58

［2］ 教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求［M］.北京：高等教育出版社，2010

［3］ 孙玉魁，张长安，董学智.金属软磁材料及其应用［M］.北京：冶金工业出版社，1986

［4］ 周寿增，董清飞.超强永磁体：稀土铁系永磁材料［M］.2版.北京：冶金工业出版社，2004

［5］ 耿冰，马桂荣.磁信息材料的特点与应用 ［J］.电大理工，2007，（4）：11～15

［6］ 殷婷，杨辰.巨磁阻效应及其应用［J］.科海故事博览·科教论坛，2010，（8）：169

［7］ 刘炳胜，李海宝，郭铁梁等.大学物理基础［M］.北京：化学工业出版社，2011

ENGINEERING EDUCATION ABOUT FERROMAGNETIC MATERIALS IN UNIVERSITY PHYSICS TEACHING

Guo Tieliang Li Haibao
（College of Science，Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin，Heilongjiang 150027）

Combining with engineering practice education，the teaching about ferromagnetic materials can achieve the result of linking theory with practice in university physics course.It can improve the teaching effect and make students to understand the application of theory knowledge.Moreover，the combination can help to realize the values of the knowledge，which can encourage students to improve the interest and strengthen the consciousness of active learning.

ferromagnetic materials；giant magnetoresistance；engineering education；university physics

2011－09－05；

2011－11－28）

黑龙江科技学院青年才俊计划资助；2011年度黑龙江省新世纪高等教育改革工程项目资助.

郭铁梁（1971年出生），男，黑龙江双城人，副教授，硕士，哈尔滨工程大学在读博士，从事信息与通信工程及基础物理研究.