结合安全类专业背景的大学物理教学研究

汪 舰

（河南理工大学 河南·焦作 454003）

《中华人民共和国高等教育法》第十六条规定：“本科教育应当使学生比较系统地掌握本学科、专业必需的基础理论、基本知识，掌握本专业必要的基本技能、方法和相关知识，具有从事本专业实际工作和研究工作的初步能力”。然而，对于理工科学生来说，学生要想系统地掌握本学科、专业必需的基础理论，就必须要学好大学物理，离开大学物理这个理论基石，学生很难深层次理解专业知识。[1-2]

大学物理是研究自然界中物质结构及其物质运动的最普遍最基本规律的科学，是自然科学的基础。它注重对普遍而基本的物质规律的探究，能够培养和提高学生的科学素养、发展学生科学的思维方法和创新能力。大学物理教学是基础教学，也正因为其基础性，基本上采用所有理工学生无差别教学的方式，没有专业特点。大学物理的授课时间是学生入学后的第二、三学期，此时，学生掌握的专业知识很少，有些学生因此感性地认为：大学物理所学知识与他们未来要学的专业知识关系较小，因而轻视大学物理课程。而且，如果不能在教学过程中将大学物理与专业课程相连接，学生在后续课程中很难做到融会贯通，无法从基础理论上升到专业高度。本文结合安全类学生的专业背景，提出了安全类大学物理教学内容的改革方法，为从事安全类大学物理教学的教师提供相应的理论和知识参考。[3-4]大学物理内容涵盖了力学、热学、波动、光学、电磁学、相对论和量子理论等内容。其中，电学、磁学以及光学部分与矿业类专业课程“机械电气安全技术”“工业通风及除尘”“安全原理”等课程密切相关。[1]具体研究如下：

1 基于电磁学的专业融合

静电场是大学物理的重要章节。大学物理涉及静电场的内容中，介绍了静电场的来源、性质、静电力及其做功。在授课时，该内容主要集中于不同结构带电体的场强计算和电荷在电场中运动时静电力所做的功。将理论加以延伸，将静电场理论向安全专业知识过渡。当两个物体形成的正负带电区域之间的场强足够高时，就会击穿空气而产生闪光和爆裂声的气体放电现象，即我们看到的电火花放电现象。虽然普通的静电火花能量不大，但是极易引起油气场所、煤矿和粉尘场所发生火灾或爆炸。例如：在安全专业里，煤矿井下的安全至关重要，是安全专业学生的必修内容。在瓦斯抽放管路中的瓦斯气体流动时，会与管路内壁摩擦可以产生静电，这一作用有可能会产生火花而引燃管路。为了防止静电火花的发生，不仅对抽放管路的管内外壁的电阻有一定的要求，还要进行接地处理，将产生的电荷导走。将静电场与安全专业背景相结合，阐述静电造成安全事故的原因。从理论上分析静电产生的原因以及如何避免静电事故的发生，为后续专业课程奠定理论基础。在大学物理的电磁学中，互感描述了载流线圈与另一个线圈之间的相互作用，即当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中产生感应电动势，叫做互感现象。该内容是漏电保护器和机场、火车站常用的金属探测器的理论基础。以金属探测器为例，它利用本身线圈所连接的振荡器来产生高频可变磁场，在外界无金属时，两侧接收线圈的感应电压在磁场未受干扰前相互抵消而达到平衡状态。当有金属进入磁场区域，因为互感作用，将在金属中产生电流和二次磁场，两侧接收线圈的平衡将被打破，进而影响接收线圈接收的磁场，发出报警信号。通过深入讲解分析，使学生一方面加深电磁学的理解，另一方面也产生了浓厚的兴趣，同时为后续专业课程进行了理论铺垫。

2 基于光学的专业融合

煤矿瓦斯中的主要成分为甲烷（CH4），当空气中甲烷达到25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、呼吸和心跳加速，甚至造成窒息死亡。当甲烷含量在5%～15.4%的体积范围内时，遇火花将发生爆炸。煤矿中常用的瓦斯浓度检测试备主要有热催化型、光干涉型和光吸收型几种。光干涉型检测仪是基于大学物理课中光的干涉原理设计的。仪器运行时，光源发出的光经过气室的两个通道后进行干涉，人们将看到彩色条纹，当有瓦斯进入其中一个通道后，因为瓦斯的折射率与空气不同，尽管折射率变化很小，但足以造成光在瓦斯中行走的光程发生变化，因此两个通道光程差发生改变。进而发生干涉条纹的移动。条纹移动的程度取决于甲烷的浓度。这种仪器的原理和大学物理讲述的迈克尔逊干涉的原理基本相同。因此，在讲述迈克尔逊干涉的原理后直接延伸到干涉型甲烷检测仪，使学生明白了大学物理知识在专业课中的应用。除此以外，在大学物理光学部分课程中讲授光谱范围时，可见光的范围是380 nm到760 nm，比760 nm 稍长的是红外光。在可见光中，甲烷是没有吸收的，也就是说，在正常情况下，我们用肉眼是无法观察到甲烷的。可是，甲烷在红外波段存在着强烈的吸收光谱，人们就是利用甲烷在红外光的吸收光谱，利用红外LD或LED作为光源，利用红外检测器作为检测单元，对其吸收光谱的强度变化进行检测，从而获得瓦斯的浓度。至此，我们将甲烷安全问题与光谱学紧密结合到一起。

3 基于热力学的专业融合

在煤矿等安全领域，甲烷可能引发爆炸；在气候安全领域，甲烷浓度的增加会带来地球环境的破坏，也就是“温室效应”，导致全球气候变暖。而且，甲烷的暖化能力比二氧化碳高二十一倍，因此，甲烷浓度的增加会带来严重的环境问题。但对于煤矿而言，为了矿井的安全，只能依靠通风设备将矿井中多余的甲烷气体释放到大气中，这就更加剧了温室效应。在大学物理课程中讲授热力学课程时，提出了“热力学系统”和“外界”这两个概念。所谓热力学系统，即所研究的宏观物体，如气体、液体等。所谓外界：即与热力学系统相互作用的环境。将此概念与地球相联系，地球与大气层可以看作一个热力学系统，而太阳等就是外界。天亮之后，外界的太阳光照射到地球上，被地球表面的物质吸收，当这些物体以红外光的形式向外辐射能量时，却被甲烷和二氧化碳等温室气体吸收。也就是说，当太阳光以可见光的形式进入地球时，这些光可以穿过大气层被地球表面吸收，可是当地表被加热后，以红外光向外辐射能量时，因为甲烷和二氧化碳对红外光有很强的吸收，这些能量被大气层严重吸收，地球与大气层组成的热力学系统吸收了热量，却极少地向外界传递热量，因此升温。其功能类似于温室的作用，因此称为“温室效应”。将大学物理的热力学与安全专业学生特别关注的瓦斯安全、气候安全相结合，能够很好地增加学生对大学物理和后续专业知识的理解，也让学生明白了“温室效应”的由来及热力学系统等概念。

大学物理知识与专业知识相结合还有很长的路要走，对于任课老师也是一个挑战，虽然讲授大学物理课程的老师基本都来自于物理学专业的硕士和博士，但对于其它专业的了解还亟待深入。大学物理教师须与安全专业课教师交流，深入学习安全专业知识的，并长期从事安全专业学生的大学物理教学，最后做到融会贯通。有了连贯的知识体系，才能将物理扩展到专业，再由专业基础上升到科学前沿。学生在整个过程中学到很多普通物理课上无法学到的知识，也增加了学生的知识面。大学物理与安全专业知识的结合能够让学生初步了解自己所学专业涉及哪些物理知识，以及安全专业知识如何在大学物理知识的基础上衍生和发展的，以此激发学生对大学物理和专业知识的兴趣，使学生树立起牢固的物理思想，促进学生在专业领域有较大的发展和进步。[5]在当今学科交叉日益突出的形势下，我们应该努力实现基础教育与专业教育相互融合、相互渗透、相互交叉、相互转化和共同发展。