本文摘要：下面是兩篇物理學教育論文投稿期刊,第一篇論文介紹了物理學知識如何建構求解數學問題舉例，是復雜的數學問題迎刃而解，達到事半功倍的效果。第二篇論文介紹了物理學專業光學課程教學改革研究，注重提高學生學習的興趣和探索的欲望，培養學生分析和解決問題的
下面是兩篇物理學教育論文投稿期刊,第一篇論文介紹了物理學知識如何建構求解數學問題舉例，是復雜的數學問題迎刃而解，達到事半功倍的效果。第二篇論文介紹了物理學專業光學課程教學改革研究，注重提高學生學習的興趣和探索的欲望，培養學生分析和解決問題的能力。
《物理學知識如何建構求解數學問題舉例》
[摘要]數學與物理學聯系密切，通常使用數學知識求解物理學問題。筆者從相反的視角，以例題的方式闡述巧妙使用物理學知識建構求解數學問題，可使復雜的數學問題迎刃而解，達到事半功倍的效果。
[關鍵詞]物理學知識;數學解題
我們應強調各學科相互交叉滲透融合求解問題的思維和方法。筆者以例題的方式闡述巧妙借助物理學知識建構求解一些數學問題，以達到加強學科間知識滲透，培養和提高學生數學解題能力的目的。
1以物理模型為基礎建構求解數學題
數學是解決物理學科的工具，即將一個具體的物理問題抽象成為一個純粹的數學問題進行解決。相反，求解數學題也常用物理學中的方法和原理，通過建立物理模型進行求解。題目：在銳角ΔABC的三邊上各找一點，連成三角形，使ΔABC的周長最短。分析：利用物理學中的光行最速原理建模求解。如圖1所示，設想AB、BC、CA表示三塊兩兩相交的平面鏡，AB面上有一點光源位于點X處，向BC面發出光線XY，在點Y反射后到達CA面的點Z處，最后光線回到AB面上的光點位于點P處。
一般情況下，X和P不重合，但可以調整X的位置及XY的方向，總能使X和P重合，構成光線三角形。根據物理學中光行速原理，可以知道在ΔABC的所有內接三角形中，以光線三角形的周長最短。解答：如圖2所示，設ΔXYZ為ΔABC的內接光線三角形，則根據光的反射原理，設∠XYB=∠ZYC=α，∠YZC=∠XZA=β，∠ZXA=∠YXB=γ，則容易求得α+β+γ=π，∠A=α，∠B=β，∠C=γ。連接AY、BZ、CX，由∠YXB=∠A可知X、Y、C、A四點共圓。同理，可得Y、Z、A、B四點共圓，Z、X、B、C四點共圓，易證AY⊥BC、BZ⊥CA、CX⊥AB，即ΔXYZ為ΔABC的垂足三角形。
因此，我們只須作ΔABC三邊的高，三個垂足就是所求的點。題目：給出一內角均小于23π的三角形，求作一點，使該點到該三角形的各頂點距離之和最小。分析：對物理系統的熱能分析求解該問題。解答：如圖3所示，在ΔABC的三個頂點A、B、C處安裝三個光滑滑輪，取有公共端點X的三條等長細繩，使其分別繞過三個滑輪，在末端系有相同質量的法碼，放手直至系統靜止。此時，系統的熱能最低，即P、Q、R三點都盡可能的低，即AP、BQ、CR盡可能的長，從而AP+BQ+CR最長。此時，AX+BX+CX最短。研究發現，當∠AXB=∠BXC=∠CXA=23π時，AX+BX+CX最短。此時，點X即為所求的點。
2以物理學物理量矢量性建構求解數學題
題目：設三個不為零的復數Z1、Z2、Z3滿足Z1+Z2+Z3=0，|Z1|=|Z2|=|Z3|，試判斷由Z1、Z2、Z3對應的點可以組成怎樣的三角形。分析：該題涉及數學復數知識，可以與物理學力的矢量性聯系進行求解。解答：如圖4所示，把復數Z1、Z2、Z3分別看成物理中的三個力F1、F2、F3，由于|Z1|=|Z2|=|Z3|，則力的大小|F1|=|F2|=|F3|，由Z1+Z2+Z3=0，可得合力F1+F2+F3=0。由力的合成與分解平行四邊形法則可知三個大小相等的力作用于一個質點A，若要保持該質點的平衡，只要這三個力兩兩之間的夾角均為23π即可，因此由Z1、Z2、Z3對應的點可以組成一個等邊三角形。
3以物理學的一些原理建構求解數學題
題目：一個球從100m高處自由落下，每次著地后，又跳回到原高度的一半再落下。假定球與地面每次碰撞過程中沒有能量損失，空氣平均阻力大小不變，問等到球停止運動，停留在地面上時，球總共經過的距離為多少米?分析：此題是數學中的一個求無窮等比數列各項和的問題，如果用數學知識來計算求解比較復雜，現利用物理學中功能原理則容易求解。解答：設球的質量為m(kg)，空氣平均阻力大小為f(N)，g為重力加速度，s為球總共經過的距離。球從100m高處自由落下，著地后只回到50m處，說明球的重力勢能(E=mgh)減少了，減少的原因是克服空氣阻力做功，有fd=ΔE，代入數值得f×(100+50)=100mg-50mg，求得f=13mg，同理，由功能原理有fs=13mgs=100mg，解得s=300。因此球總共經過的距離為300m。
4以物理學物理量某一特性建構求解數學題
題目：有一列隊伍長100m，通信員站在隊尾。由于要傳遞某一要令，他勻速跑向隊首，然后又以速度大小不變返回到隊尾。假定隊伍勻速前進并恰好行進了100m，問通信員的跑步距離是多少?分析：本題是數學應用題，如果僅僅用數學思想，忽視通信員、隊伍速率和時間這幾個物理學上的量來求解有一定難度。反過來，若以物理學中時間這個不變量建構得到方程，可以快速解答。解答：設通訊員的跑步距離為Sm，其速率為V1，隊伍速率為V2，則通訊員從隊尾跑到隊首所花時間T1=100/(V1-V2)。然后通訊員從隊首跑到隊尾所花時間T2=100/(V1+V2)，隊伍前進100m所花時間T=100/V2。因為通訊員往返時間等于隊伍前進所花時間，即T=T1+T2，抓住時間不變建構數學方程100/(V1-V2)+100/(V1+V2)=100/V2，解得V1/V2=1+2。故通訊員的跑步距離S=V1T=V1×(100/V2)=100×(V1/V2)=100×(1+2)m。
5以物理學實驗數據處理方法“線性內插法”為基礎建構求解數學題
物理學實驗已測量第一次數據數值(x1，y1)，第二次測量數據數值(x2，y2)，待測物理量數值結果(x，y)可能出在第一次與第二次測量數值區間。
作者：謝國權 單位：廣東省江門中醫藥學校
《物理學專業光學課程教學改革研究》
摘要近些年來，光學在科學與技術應用中的不斷發展，迫切需要培養適合當前社會發展需求的光學專業人才。文章分別從光學教學內容、教學方法及考核方式等方面提出了一些改革的方法和措施，注重提高學生學習的興趣和探索的欲望，培養學生分析和解決問題的能力，取得了良好的教學效果。
關鍵詞光學;教學;改革
光學課程是物理學專業最重要的基礎課程之一，同時也是現代科學技術迅速發展、崛起的重要支柱。以激光為基礎的現代光學的知識，已經滲透到日常生活中的眾多領域，在工業、農業、交通、能源、醫藥、信息等領域發揮著越來越重要的作用。光學作為基礎性學科具有很強的學術性，同時，光學課程的知識覆蓋面廣，應用性和可操作性也較強，它能夠較好地鍛煉學生的思維能力及理論與實際相結合的能力。而在傳統的光學課程教學中，存在著重理論輕實踐，理論與實際相脫離，缺乏創新，無法適應社會及專業領域的需求等問題。如何培養不僅具有扎實理論基礎，還具備較強工程應用能力的光學類技術人才，是我們教學改革研究的重點問題。
1光學課程教學現狀
光學課程教學大綱計劃68學時，教材內容分為干涉、衍射、幾何光學、光學儀器、偏振及現代光學部分[1-3]，內容繁多，教學任務較重。因此，光學一直是一門教師難教、學生難學的課程。在教學過程中，通常更加強調基礎知識的理論性，而對知識的應用性和工程性關注偏少，理論聯系實際顯得不足，教學中不自覺地存在“重理論和基礎，輕工程和應用”的傾向，淡化了光學類課程本身擁有的強烈應用和工程背景特性。另外，學生在大學階段參與實習實踐、接觸實際工程問題和公司企業的機會偏少，教學與光學元器件的工程設計及公司企業的要求聯系還不夠，存在明顯脫節現象。目前教學中教師的主導地位強，而學生的主體地位偏弱;第一課堂強，第二課堂弱;體現學生結合課本知識在“做中學”并培養自身實踐精神、工程意識和創新能力的活動空間不夠。
2光學課程改革的思考
光學課程有其自身的特點，與力學、熱學等學科之間的聯系不太緊密，自身的知識體系比較繁雜。在具體的教學改革與實踐中，主要從教學內容、教學方法、考核方式等幾個方面著手。
2.1教學內容
在教學內容上，首先要優選教材，認真制訂教學計劃。教學中，既要注重講解光學課程中最基本的概念、理論，夯實學生的基礎知識，提高學生的理論水平，又要加強現代光學基礎的教學，增加一些現代光學的前沿知識，了解光學發展的最新動態，引導學生不斷拓寬視野，激發學生的創新意識和科學探索精神，培養學生的科學素養。例如，在講解幾何光學及光學儀器知識時，可以介紹海市蜃樓、掃描隧道顯微鏡。在講解光的干涉時，可以介紹相干探測技術、全息照相、光學薄膜等。在講解偏振現象時，可以介紹3D電影及偏振雷達探測技術等。讓學生體會光學知識在日常生活中應用、發展及科學前景。另外，針對相關科學前沿知識，開展一些專題講座，讓同學們更深入地理解光學科技的發展，同時強化了基礎知識的學習。或讓學生課外查閱相關文獻，提高學生學習興趣，激發學生探索欲望。積極搜集光學在日常生活中應用的實例，引導學生運用已學相關理論知識，解釋日常生活中的光學現象，真正實現從生活走向物理，從物理走向社會。
2.2教學方法
在教學方法上，要注重重點、難點的理解和掌握，注重分析思路和處理問題的方法。積極引導學生理論聯系實際，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力。為了能夠在有限學時內，盡可能多地講解現代光學的內容，可以在課前布置相關的預習作業，既能節約課堂基礎教學的時間，又能鍛煉同學們的自學能力。在教學中，要求學生上課主動提問，培養學生自學及發現、解決問題的能力[4]。教學中針對相關課題讓學生參與討論，在討論的過程中更透徹理解相關理論，并了解其應用，變被動學習為主動探索。在傳統的理論教學基礎上，盡可能多地增加實踐教學的環節，改變教學觀念，以任務為驅動，明確從理論到實踐的具體操作過程，培養學生工程實踐的能力[5]。實踐教學中要求學生進行文獻調研、撰寫小論文及動手制作相關光學儀器，解決一定難度的實際問題、培養自身創新精神、科研意識和綜合能力與素質。
例如，我們在教學中將學生分組，動手制作簡單光學器件，如望遠鏡、放大鏡等，有效地激發了學生的學習興趣、動手能力及團隊合作的精神。科學技術的不斷進步，使得教學方法的多樣性成為可能。在教學中，針對光學課程本身的廣泛應用性和工程背景，可以有針對性地介紹一兩種國內外優秀光學設計軟件，如ZEMAX、OSLO等。其中ZEMAX可進行光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學模型。該軟件還具備對光學系統進行設計、優化、分析的功能。在光學課程第三章幾何光學部分，學完基礎知識后，給出一些利用設計軟件進行相關光學課程中涉及的光學元器件和系統設計的典型實例，如望遠鏡系統設計、8倍觀察鏡系統設計等。同時試著讓同學們分組利用該軟件進行相關光學設計，從而既提高學生的學習興趣，又有效地培養學生的工程設計能力和綜合應用知識的實踐能力。
由于在光學課程的教學過程中，有些光學現象在日常生活中比較難于觀察[6]，比如干涉、衍射的現象，很多感性材料只能從課本圖片中獲得，比如干涉條紋、衍射條紋等。為了能夠使得同學們獲得較多的感性材料，我們在教學過程中，利用一些計算軟件，例如Matlab，將干涉、衍射現象通過程序模擬展示出來，這樣既給同學們提供了清晰的感性材料、直觀的物理圖像，也通過程序中相關參數的調節，讓同學們更加深入地理解光學知識中的相關規律。圖1為利用Matlab軟件編寫的分振幅干涉中牛頓環的干涉圖像，圖2為氫原子光柵光譜圖。物理是以實驗為基礎的科學。在教學過程中，改變理論與實驗分開進行的現狀，從教師指導演示實驗，轉變為學生在實驗室自主實驗。設置相關開放性實驗課題，讓學生分成實驗小組，將學生自己的設計思想和實驗內容相結合，鼓勵學生自主創新，使課堂成為師生互動的場所。這樣，即有利于將枯燥、抽象的理論生動化、具體化，又有助于對基礎理論的深入理解及應用，充分調動學生學習的主動性和熱情，提高了教學效果。實驗室也在不斷完善，力爭提供更好的資源，取得更好的教學效果。
2.3考核方式
教學考核中，擯棄一次考試決定最終成績的做法，將平時課堂表現和論文及動手制作部分納入最后成績測評，關注學生學習過程而非單一的最后考試結果。充分利用學院網絡資源，建立網上習題庫，建立有特色的個人主頁，并通過此與學生進行定期的網上交流及作業的布置和批改。網上交流的方式可以更有效地與學生溝通，實時解決學生提出的相關問題，提高了學生學習的效率。
3結語
伴隨著科技的快速進步，物理教學的手段也正在不斷更新。如何培養適應新時代發展的光學專業人才，是我們教學改革的目標和方向。通過以上教學改革的探討和在實際教學過程中的運用，使得教學活動充滿了活力，極大地調動了學生學習的興趣和探索的欲望，培養了學生自己動手實踐的能力及團隊合作的精神，大大提高了教學效果。
參考文獻
[1]姚啟鈞.光學教程[M].北京:高等教育出版社,1993.
[2]趙凱華.新概念物理教程:光學[M].北京:高等教育出版社,2011.
[3]郭光燦,吳強.光學[M].合肥:中國科技大學出版社,2003.
[4]許曉賦,廖珊珊,高忠堅.《光學設計》課程教學模式的探索與實踐[J].福建教育學院學報,2014(4):69-71.
[5]陳傳盛,陳曙光,李富進.培養大學生科技創新能力的課堂教學改革實踐[J].教育教學論壇,2014(4):51-52.
[6]曹躍祖,李福蕓.物理光學課程中的可視化研究[J].北京印刷學院學報,2013,21(4):76-78.
作者：李娟 章禮華 張杰 單位：安慶師范大學物理與電氣工程學院
推薦閱讀：《師范教育》是一本師范教育刊物，創刊于1984年。
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