張華林

摘 要 從解決問題的思想和具體知識(shí)點(diǎn)兩方面，探討大學(xué)物理教學(xué)與土木類專業(yè)課相結(jié)合的問題，并對(duì)如何結(jié)合提出幾點(diǎn)建議。將大學(xué)物理與土木類專業(yè)課程結(jié)合起來教學(xué)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，也有助于學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理；土木類專業(yè)課；理工科院校

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）14-0100-03

Combination of College Physics Teaching and Civil Engineering Professional Courses//ZHANG Hualin

Abstract The combination of college physics teaching and civil engineering professional courses is discussed from the aspects of solving problem idea and specific knowledge， and some suggestions on how to combine are put forward. The combination can improve the interest of students in college physics， and also help to learn the following specialized courses.

Key words college physics teaching； civil engineering professional courses； science and technology universities

1 前言

大學(xué)物理作為理工科院校的一門基礎(chǔ)課，在整個(gè)大學(xué)教育中非常重要。目前關(guān)于大學(xué)物理與各專業(yè)相結(jié)合的教學(xué)的研究還比較少。李丹等[1]探討建筑類獨(dú)立院校的大學(xué)物理教學(xué)，認(rèn)為要做好大學(xué)物理與專業(yè)課的銜接工作，針對(duì)不同的專業(yè)需求，大學(xué)物理課程內(nèi)容的開設(shè)要有所調(diào)整。陳麗等[2]研究了與專業(yè)相結(jié)合的大學(xué)物理教學(xué)問題，指出通過加強(qiáng)專業(yè)思想教育，制訂不同的授課計(jì)劃，合理決定教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，可以進(jìn)一步提升大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量，使物理教學(xué)內(nèi)容滿足專業(yè)課的教學(xué)需要，及時(shí)有效地把物理知識(shí)向相近專業(yè)知識(shí)遷移，從而達(dá)到物理教學(xué)為專業(yè)課教學(xué)服務(wù)的目的。王萍[3]研究了在材料類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)中引入新材料概念的問題，指出通過新材料的介紹，可使材料類專業(yè)的學(xué)生了解現(xiàn)代材料科學(xué)與大學(xué)物理的聯(lián)系，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

長沙理工大學(xué)是一所以理工為主的大學(xué)，設(shè)有不少土木類專業(yè)，每年有大量學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程，而大學(xué)物理與土木類專業(yè)課程聯(lián)系緊密。因此，研究大學(xué)物理與土木類專業(yè)課程的結(jié)合教學(xué)非常有意義。本文從解決問題的思想和具體知識(shí)點(diǎn)兩方面，探索大學(xué)物理教學(xué)與土木類專業(yè)課程相結(jié)合的問題。

2 解決問題的思想的結(jié)合

在大學(xué)物理教學(xué)中，需要解決很多具體的問題，在解決問題的時(shí)候會(huì)講到解決問題的思想。而大學(xué)物理解決問題的思想與很多專業(yè)課解決問題的思想是相通的，因此在大學(xué)物理教學(xué)中講解解決問題的思想時(shí)，可以適當(dāng)結(jié)合土木類課程中相關(guān)的問題來講解。下面以提出理想化的模型來解決實(shí)際問題的思想和微元法為例來說明。

任何一個(gè)真實(shí)的物理過程都十分復(fù)雜，為了尋找某過程中最本質(zhì)、最基本的規(guī)律，總是根據(jù)所提出的問題對(duì)真實(shí)過程進(jìn)行簡化，然后經(jīng)過抽象，提出理想化的物理模型。因此在物理學(xué)中提出很多物理模型，如在力學(xué)中提出了質(zhì)點(diǎn)、剛體等物理模型[4]。這種為簡化實(shí)際問題而提出理想化模型的思想同樣適用于土木類專業(yè)課程。下面簡單介紹質(zhì)點(diǎn)、剛體模型。若物體的線度比它運(yùn)動(dòng)的空間范圍小很多時(shí)，或當(dāng)物體作平動(dòng)時(shí)，物體上各部分的運(yùn)動(dòng)情況完全相同。這時(shí)可以忽略物體的形狀、大小，而把它看成一個(gè)具有一定質(zhì)量的點(diǎn)，稱之為質(zhì)點(diǎn)。而在很多實(shí)際問題中，又有些物體不能看成質(zhì)點(diǎn)，也就是不能忽略物體的形狀、大小對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。如在研究物體的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)模型已不適用。但若在所研究的問題中，物體的微小形變可以忽略不計(jì)時(shí)，則又可以引入剛體模型。剛體，是指在任何情況下都沒有形變的物體。

在土木類專業(yè)課中同樣提出很多理想化的模型。比如在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等課程中，一開始就都提出本課程所研究的問題的理想化模型。工程中實(shí)際材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)各不相同，各種材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都具有不同程度的空隙，并可能存在氣孔、雜質(zhì)等缺陷。在材料力學(xué)里進(jìn)行理想化處理，把實(shí)際材料看作均勻、連續(xù)、各向同性的可變形固體，且在大多數(shù)場合下局限在彈性變形范圍內(nèi)和小變形條件下進(jìn)行研究[5]。

在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，在計(jì)算前需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，表現(xiàn)其主要特點(diǎn)，略去次要因素，用一個(gè)簡化圖形來代替實(shí)際結(jié)構(gòu)，即做出結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖[6]。常用桿件的軸線代表?xiàng)U件，將荷載簡化為集中荷載及線分布荷載，將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)，將支座簡化為活動(dòng)鉸支座、固定鉸支座、固定支座和滑動(dòng)支座，將結(jié)點(diǎn)簡化為鉸結(jié)點(diǎn)、剛結(jié)點(diǎn)和組合結(jié)點(diǎn)等。在彈性力學(xué)中也對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行簡化處理，只討論理想彈性體的小變形問題，即假定物體是均勻、連續(xù)、各向同性和完全彈性的，并假定位移和形變是微小的[7]。可見在大學(xué)物理和土木類專業(yè)課中，這種提出理想化的模型來解決實(shí)際問題的思想是相通的。

大學(xué)物理中的微元法思想也可用于解決土木類問題。如在大學(xué)物理中討論剛體力學(xué)時(shí)，通常將剛體分割成許多微小部分，每一部分都小到可以被看作質(zhì)點(diǎn)，這些小部分叫作剛體的質(zhì)元。而整個(gè)剛體則可看成由無數(shù)個(gè)連續(xù)分布的質(zhì)元所組成的特殊質(zhì)點(diǎn)系，各質(zhì)元之間無相對(duì)位移。然后將質(zhì)點(diǎn)系力學(xué)規(guī)律應(yīng)用于剛體，即可歸納出剛體所服從的力學(xué)規(guī)律[4]。將剛體劃分為無限個(gè)質(zhì)元的思想，可以與彈性力學(xué)中的有限元方法聯(lián)系起來。有限元法，簡單地說，就是用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解彈性力學(xué)問題，即首先將連續(xù)體變成離散化結(jié)構(gòu)，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行求解[7]。將連續(xù)體變成離散化結(jié)構(gòu)，也就是將連續(xù)體劃分為有限多個(gè)有限大小的單元，這些單元僅在一些結(jié)點(diǎn)連接起來。

3 具體知識(shí)點(diǎn)的結(jié)合

大學(xué)物理中有些原理與土木類專業(yè)課中的原理完全相同，可以直接用于土木類課程中解決相關(guān)問題；有些公式與土木類專業(yè)課中某些公式非常相似，只是符號(hào)變了，意義略有改變。因此，在大學(xué)物理教學(xué)過程中可以將某些具體的知識(shí)點(diǎn)與土木類專業(yè)課程中的某些具體知識(shí)點(diǎn)結(jié)合起來，使得學(xué)生明白學(xué)習(xí)大學(xué)物理有助于學(xué)習(xí)專業(yè)課程，以便提高學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣。

大學(xué)物理中有不少知識(shí)點(diǎn)可以與土木類專業(yè)課中的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合起來，其中有些公式與土木類專業(yè)課中某些公式非常相似，如在大學(xué)物理中講彈力時(shí)可與材料力學(xué)中的應(yīng)力聯(lián)系起來。大學(xué)物理中說的彈力是指物體因形變而產(chǎn)生的恢復(fù)力[4]。彈簧作為彈性體的代表，其形變時(shí)產(chǎn)生的彈力，在彈性限度內(nèi)遵從胡克定律，其大小關(guān)系可表示為：

F=kx （1）

式中k為彈簧的勁度系數(shù)，F(xiàn)為彈力，x為彈簧拉伸或壓縮的形變。

材料力學(xué)中講到拉（壓）桿的變形時(shí)，會(huì)講到單軸應(yīng)力下的胡克定律[5]，其表達(dá)式寫為：

σ=Eε （2）

其中E為彈性模量，σ為桿橫截面上的正應(yīng)力，ε為桿的縱向線應(yīng)變。

材料力學(xué)中講到薄壁圓筒的扭轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)講到材料的剪切胡克定律，其表達(dá)式寫為：

τ=Gγ （3）

其中G為切變模量，τ為薄壁圓筒橫截面上任一點(diǎn)的切應(yīng)力，γ為薄壁圓筒表面上的切應(yīng)變。這兩門課程中說到的胡克定律，名稱相同，形式上也非常相似，只是符號(hào)變了，不過其代表的意義也有所變化。在大學(xué)物理中講力矩時(shí)也可與材料力學(xué)中的扭矩聯(lián)系起來。

大學(xué)物理中某些原理可以直接用于土木類課程中解決相關(guān)的問題。如大學(xué)物理中的電橋原理就可直接用于土木類專業(yè)的電測法測應(yīng)變。大學(xué)物理中的單臂電橋原理[8]是將四個(gè)電阻R1、R2、Rs和Rx通過導(dǎo)線連接組成一個(gè)四邊形，在四邊形的兩個(gè)對(duì)角線上分別連接檢流計(jì)G和電源，如圖1所示。當(dāng)檢流計(jì)指示無電流時(shí)，表明電橋處于平衡狀態(tài)。其中電阻R1、R2和Rs是已知的，由即可計(jì)算出待測電阻Rx。

在土木類專業(yè)可用電橋原理來測量應(yīng)變[9]，只是將R1和R2換成電阻應(yīng)變片。將R1貼于構(gòu)件上，使之與構(gòu)件同時(shí)變形；將R2貼于不受力的地方，與R1處于相同溫度下，作為溫度補(bǔ)償片。另外，兩橋臂接入儀器內(nèi)部的精密無感電阻。這時(shí)應(yīng)變儀的讀數(shù)就等于構(gòu)件測點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變值?？梢娫诖髮W(xué)物理中學(xué)好電橋原理，就可在土木類專業(yè)中直接利用它來解決實(shí)際問題。

另外，還有將大學(xué)物理中的偏振光的知識(shí)直接應(yīng)用于土木類專業(yè)的光彈性實(shí)驗(yàn)等。總之，大學(xué)物理中有很多知識(shí)點(diǎn)可以與土木類專業(yè)相關(guān)知識(shí)相結(jié)合，或者直接用于解決土木類的實(shí)際問題。

4 幾點(diǎn)建議

筆者長期從事大學(xué)物理教學(xué)工作，多年給土木類專業(yè)講授大學(xué)物理課程，也學(xué)習(xí)過部分土木類課程，在此結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出幾點(diǎn)建議。

1）土木類專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的制訂人員不要過度壓縮大學(xué)物理課的學(xué)時(shí)，否則難以滿足土木類專業(yè)課學(xué)習(xí)需要的大學(xué)物理知識(shí)，進(jìn)而不利于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。如土木類專業(yè)原來將大學(xué)物理設(shè)定為六學(xué)分，課時(shí)相對(duì)充裕，講授的內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理學(xué)；后來設(shè)定為四學(xué)分，課時(shí)相對(duì)較少，只能省略部分內(nèi)容，其中光學(xué)知識(shí)包括偏振光就被省略了。偏振光正好就是光彈性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且該實(shí)驗(yàn)對(duì)土木專業(yè)非常重要，在隧道工程、橋梁工程、鐵道工程和道路工程等方面都有廣泛應(yīng)用。

2）大學(xué)物理教學(xué)方案要注意做好與專業(yè)課的銜接，其內(nèi)容需針對(duì)不同專業(yè)需求有所側(cè)重。假如土木類專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃過度壓縮大學(xué)物理課的學(xué)時(shí)，大學(xué)物理教學(xué)方案又沒有做好與專業(yè)課的銜接工作，結(jié)果可能導(dǎo)致專業(yè)課很需要的基礎(chǔ)知識(shí)也被省略掉。

3）大學(xué)物理授課教師可適當(dāng)了解相關(guān)的專業(yè)課程，并在大學(xué)物理授課過程中適當(dāng)將專業(yè)課中的知識(shí)與大學(xué)物理知識(shí)聯(lián)系起來。

4）當(dāng)講到與專業(yè)課相關(guān)的大學(xué)物理內(nèi)容時(shí)，可以要求學(xué)生適當(dāng)預(yù)覽相關(guān)的專業(yè)課程，讓學(xué)生明白，學(xué)習(xí)大學(xué)物理對(duì)以后學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)課是有幫助的，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣。

5 結(jié)語

從解決問題的思想和具體知識(shí)點(diǎn)兩方面，分析了大學(xué)物理教學(xué)與土木類專業(yè)課程相結(jié)合的問題。首先以提出理想化的模型來解決實(shí)際問題的思想和微元法為例，說明大學(xué)物理解決問題的思想與很多專業(yè)課解決問題的思想是相通的；其次以胡克定律和電橋原理為例，說明大學(xué)物理中有些公式與土木類專業(yè)課中某些公式非常相似，有些原理可以直接用于土木類課程中解決相關(guān)問題；最后對(duì)結(jié)合教學(xué)問題提出幾點(diǎn)建議。將大學(xué)物理與土木類專業(yè)課程結(jié)合起來教學(xué)，可以讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)大學(xué)物理有助于學(xué)習(xí)專業(yè)課程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣。

雖然只討論了大學(xué)物理教學(xué)與土木類專業(yè)課的結(jié)合問題，但是可以類似考慮大學(xué)物理與其他專業(yè)課的結(jié)合問題，以及其他公共課與專業(yè)課的結(jié)合問題。

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