物理鐵磁質(zhì)教學(xué)與工程教育素材相結(jié)合

時(shí)間:2022-05-30 08:51:00

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物理鐵磁質(zhì)教學(xué)與工程教育素材相結(jié)合

在大學(xué)物理課程關(guān)于鐵磁質(zhì)內(nèi)容的教學(xué)中,按照理論聯(lián)系實(shí)際的教育原則,結(jié)合所講授的知識點(diǎn),引入與該知識點(diǎn)相關(guān)的工程實(shí)踐內(nèi)容,深入營造與該知識點(diǎn)相對應(yīng)的工程教育情境,有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣,實(shí)現(xiàn)在大學(xué)物理課堂教學(xué)中,幫助學(xué)生樹立工程和實(shí)踐意識的目的.

1鐵磁質(zhì)理論知識點(diǎn)教學(xué)基本要求

我們知道,鐵磁質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的磁介質(zhì).其主要特點(diǎn)有兩個(gè)方面:高磁導(dǎo)率和磁滯.這兩個(gè)特點(diǎn)是鐵磁質(zhì)應(yīng)用特別廣泛的主要原因[1].對照《理工科非物理類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》,對鐵磁質(zhì)理論知識的講解,要使學(xué)生理解鐵磁質(zhì)的基本理論,掌握磁場在磁介質(zhì)中的分布規(guī)律,了解鐵磁質(zhì)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用以及相關(guān)的科技前沿問題[2].鐵磁質(zhì)理論知識是大多數(shù)理工科學(xué)生專業(yè)理論的重要基礎(chǔ)知識.以電類專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)為例,鐵磁質(zhì)及其理論是學(xué)生后續(xù)課程如介質(zhì)物理、電機(jī)、變壓器等諸多課程的基礎(chǔ).如果將這個(gè)知識點(diǎn)放在比較突出的位置,就能夠更好地促進(jìn)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的緊密銜接.同時(shí)通過營造相應(yīng)工程教育情境,能夠引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,幫助學(xué)生以工程和實(shí)踐應(yīng)用的視角來學(xué)習(xí)這個(gè)知識點(diǎn).因此,通過挖掘鐵磁質(zhì)在工程中的應(yīng)用實(shí)例,并將應(yīng)用實(shí)例融入到課堂教學(xué)中,將有助于提高課堂教學(xué)效果.

2傳統(tǒng)鐵磁質(zhì)理論工程教育素材在課堂教學(xué)中的融入

2.1軟磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

文向?qū)W生介紹軟磁材料在工程實(shí)踐中的一些應(yīng)用.由于筆者的授課對象是電氣專業(yè)的學(xué)生,在講解時(shí)突出展示了在電力工業(yè)中,從電能的產(chǎn)生(發(fā)電機(jī))、傳輸(變壓器)到利用(電動機(jī))的過程中,軟磁材料所起到的能量轉(zhuǎn)換作用的實(shí)例;同時(shí)也展示了從通信(濾波器和傳感器)、自動控制(繼電器、磁放大器、變換器)、廣播、電視等領(lǐng)域內(nèi),軟磁材料起到的信息的變換、傳遞等作用的案例.通過上述軟磁材料一系列應(yīng)用的介紹,使學(xué)生在獲得感性知識的同時(shí),也會主動思考或想象硬磁材料的相關(guān)應(yīng)用.這對于硬磁材料的講解創(chuàng)造了很自然很有效的教學(xué)情境.

2.2硬磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

硬磁材料由于矯頑力高,它能長期保持很強(qiáng)的磁性,因此硬磁材料又稱永磁材料或恒磁材料[4].硬磁材料的應(yīng)用較廣泛,結(jié)合電類專業(yè)特點(diǎn),筆者在講授時(shí)融入了這樣一些素材:如利用永磁鐵磁極間的相互作用力可實(shí)現(xiàn)磁傳動、磁懸浮、磁起重、磁分離等應(yīng)用實(shí)例.筆者在講述這部分內(nèi)容時(shí),還向?qū)W生強(qiáng)調(diào)永磁功能器件具有節(jié)能、高效、與系統(tǒng)兼容、便于操作及可靠性高的優(yōu)點(diǎn),而這些優(yōu)點(diǎn)與當(dāng)今生產(chǎn)實(shí)踐中的高效節(jié)能環(huán)保等理念是相符的.

2.3矩磁材料工程教育素材在課堂教學(xué)中融的入

矩磁材料是磁信息材料的一種,磁信息材料是用磁學(xué)方法存儲和記錄信息的磁載體材料[5].按所采用的磁學(xué)原理和方法的不同,分為矩磁性存儲、磁泡存儲、磁記錄和磁光記錄.課堂上,利用圖文展示磁存儲是隨著計(jì)算機(jī)的興起而發(fā)展起來的,磁記錄則是從錄音開始的,接著擴(kuò)展到錄像和數(shù)碼,形成了廣闊的磁信息技術(shù)領(lǐng)域,磁信息材料在當(dāng)代信息社會中有著廣泛而重要的應(yīng)用.矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以組成計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲器,它利用矩磁材料的矩形磁滯回線的兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài),構(gòu)成計(jì)算機(jī)二進(jìn)位制的“0”和“1”雙穩(wěn)態(tài),進(jìn)而再利用脈沖磁場存取信息.講授時(shí),輔以存儲原理方面的圖文,吸引學(xué)生的注意力.

3巨磁阻效應(yīng)工程教育素材在課堂教學(xué)中的融入

巨磁阻效應(yīng)(GiantMagneto-Resistive,GMR)是指磁性材料在不同的磁化狀態(tài)下電阻率存在巨大差異的現(xiàn)象.這是一種量子力學(xué)效應(yīng),屬于鐵磁質(zhì)理論的一個(gè)科技前沿領(lǐng)域.為了讓學(xué)生了解這一科技前沿,應(yīng)向?qū)W生介紹巨磁阻效應(yīng).如何融入呢?筆者借助一個(gè)教學(xué)案例,說明如何將巨磁阻效應(yīng)融入到課堂教學(xué)當(dāng)中.筆者先營造了這樣一個(gè)情境:通過圖文展示最早的磁頭,這是一種采用錳鐵磁體制成并通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)的磁頭.但使用這種傳統(tǒng)磁頭的硬盤由于存儲密度低,要想制造大容量的磁盤,體積也相對較大,從而影響存儲器的便攜性.要想使硬盤體積不斷變小,容量卻不斷變大,勢必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小,相應(yīng)地這些區(qū)域所記錄的磁信號就會越來越弱.這就要求磁頭的設(shè)計(jì)體積應(yīng)越來越小,靈敏度應(yīng)越來越高.通過上述問題情境的營造,學(xué)生對該問題必然十分感興趣.這時(shí)筆者又以圖片展示了1997年由IBM公司投放到市場的全球首個(gè)基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,然后結(jié)合圖文說明這一新式磁頭的工作原理:它是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的數(shù)據(jù),使用了具有巨磁阻效應(yīng)的材料和多層薄膜結(jié)構(gòu),即相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化,產(chǎn)生更加靈敏的電流,從而可以實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度.然后通過列表比對現(xiàn)有的電磁感應(yīng)磁頭與GMR磁頭的存儲密度的很大差別:使用電磁感應(yīng)磁頭所能夠達(dá)到的盤片密度為3~5千兆位每平方英吋,而GMR磁頭可以達(dá)到每平方英吋10~40千兆位.為突出理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則,筆者通過圖文列舉了學(xué)生所使用的電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP4播放器等利用巨磁阻效應(yīng)技術(shù)進(jìn)行存儲的各種數(shù)碼產(chǎn)品.接下來就展示這樣的情境:2007年10月,科學(xué)界的最高盛典—瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎揭曉,法國科學(xué)家阿爾貝•費(fèi)爾(AlbertFert)和德國科學(xué)家彼得•格林貝格爾(PeterGrunberg)因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎.瑞典皇家科學(xué)院在評價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示,今年的諾貝爾物理學(xué)獎主要獎勵“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù),得益于這項(xiàng)技術(shù),硬盤在近年來迅速變得越來越小”[6].和學(xué)生一起看過圖文后,教師提示學(xué)生:看看計(jì)算機(jī)硬盤存儲能力有多大,就知道上述兩位科學(xué)家的貢獻(xiàn)有多大了.筆者又利用兩張圖片進(jìn)行對比:一臺1954年體積占滿整間屋子的電腦,和一個(gè)如今非常普通、手掌般大小的硬盤.最后和學(xué)生一起來感受:司空見慣的筆記本電腦、MP3、U盤等消費(fèi)品,這些都閃爍著耀眼的科學(xué)光芒.諾貝爾獎并不總是代表著深奧的理論和艱澀的知識,它往往就在我們身邊,在我們不曾留意的日常生活中.另外,在介紹上述內(nèi)容之后,筆者還向?qū)W生列舉我國在此方面的研究工作:中國科學(xué)院物理研究所及北京大學(xué)等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究;中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲器、薄膜磁頭、金屬夾層(MIG)磁頭的研制方面成果顯著;北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平……列舉的目的是讓學(xué)生了解我國在此領(lǐng)域的研究狀況.

4結(jié)語

通過工程教育情境的營造,背景的勾勒,使學(xué)生看到了是科學(xué)興趣和實(shí)際生產(chǎn)生活的需要推動了科技的發(fā)展,體會了細(xì)致的觀察和執(zhí)著的必要性,提高了學(xué)學(xué)物理的興趣和動力.上述教學(xué)手段及教學(xué)方法的實(shí)際效果,通過學(xué)期末的考試成績及問卷調(diào)查,學(xué)生給予了積極反饋,取得了良好的教學(xué)效果.有關(guān)鐵磁質(zhì)知識及理論所涉及的工程教育素材,已經(jīng)編入了我們的教材中[7].

總之,按照理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則,在大學(xué)物理鐵磁質(zhì)知識的講解中,融入工程教育素材,實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合,強(qiáng)化了學(xué)生工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識,拉近了學(xué)生與工程應(yīng)用領(lǐng)域的距離,符合在大學(xué)物理課堂教學(xué)中注重工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識培養(yǎng)的要求.