張華林

摘 要 從解決問題的思想和具體知識點兩方面，探討大學物理教學與土木類專業(yè)課相結合的問題，并對如何結合提出幾點建議。將大學物理與土木類專業(yè)課程結合起來教學，可以提高學生學習大學物理的興趣，也有助于學習后續(xù)的專業(yè)課程。

關鍵詞 大學物理；土木類專業(yè)課；理工科院校

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：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

大學物理作為理工科院校的一門基礎課，在整個大學教育中非常重要。目前關于大學物理與各專業(yè)相結合的教學的研究還比較少。李丹等[1]探討建筑類獨立院校的大學物理教學，認為要做好大學物理與專業(yè)課的銜接工作，針對不同的專業(yè)需求，大學物理課程內容的開設要有所調整。陳麗等[2]研究了與專業(yè)相結合的大學物理教學問題，指出通過加強專業(yè)思想教育，制訂不同的授課計劃，合理決定教學側重點，可以進一步提升大學物理教學質量，使物理教學內容滿足專業(yè)課的教學需要，及時有效地把物理知識向相近專業(yè)知識遷移，從而達到物理教學為專業(yè)課教學服務的目的。王萍[3]研究了在材料類專業(yè)大學物理教學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)的學生了解現代材料科學與大學物理的聯系，開闊學生視野，激發(fā)學生的學習積極性。

長沙理工大學是一所以理工為主的大學，設有不少土木類專業(yè)，每年有大量學生學習大學物理課程，而大學物理與土木類專業(yè)課程聯系緊密。因此，研究大學物理與土木類專業(yè)課程的結合教學非常有意義。本文從解決問題的思想和具體知識點兩方面，探索大學物理教學與土木類專業(yè)課程相結合的問題。

2 解決問題的思想的結合

在大學物理教學中，需要解決很多具體的問題，在解決問題的時候會講到解決問題的思想。而大學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，因此在大學物理教學中講解解決問題的思想時，可以適當結合土木類課程中相關的問題來講解。下面以提出理想化的模型來解決實際問題的思想和微元法為例來說明。

任何一個真實的物理過程都十分復雜，為了尋找某過程中最本質、最基本的規(guī)律，總是根據所提出的問題對真實過程進行簡化，然后經過抽象，提出理想化的物理模型。因此在物理學中提出很多物理模型，如在力學中提出了質點、剛體等物理模型[4]。這種為簡化實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。下面簡單介紹質點、剛體模型。若物體的線度比它運動的空間范圍小很多時，或當物體作平動時，物體上各部分的運動情況完全相同。這時可以忽略物體的形狀、大小，而把它看成一個具有一定質量的點，稱之為質點。而在很多實際問題中，又有些物體不能看成質點，也就是不能忽略物體的形狀、大小對運動的影響。如在研究物體的轉動時，質點模型已不適用。但若在所研究的問題中，物體的微小形變可以忽略不計時，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、結構力學和彈性力學等課程中，一開始就都提出本課程所研究的問題的理想化模型。工程中實際材料的物質結構各不相同，各種材料的物質結構都具有不同程度的空隙，并可能存在氣孔、雜質等缺陷。在材料力學里進行理想化處理，把實際材料看作均勻、連續(xù)、各向同性的可變形固體，且在大多數場合下局限在彈性變形范圍內和小變形條件下進行研究[5]。

在結構力學中，在計算前需要對實際結構進行簡化處理，表現其主要特點，略去次要因素，用一個簡化圖形來代替實際結構，即做出結構的計算簡圖[6]。常用桿件的軸線代表桿件，將荷載簡化為集中荷載及線分布荷載，將空間結構簡化為平面結構，將支座簡化為活動鉸支座、固定鉸支座、固定支座和滑動支座，將結點簡化為鉸結點、剛結點和組合結點等。在彈性力學中也對材料性質進行簡化處理，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]?？梢娫诖髮W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際問題的思想是相通的。

大學物理中的微元法思想也可用于解決土木類問題。如在大學物理中討論剛體力學時，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點，這些小部分叫作剛體的質元。而整個剛體則可看成由無數個連續(xù)分布的質元所組成的特殊質點系，各質元之間無相對位移。然后將質點系力學規(guī)律應用于剛體，即可歸納出剛體所服從的力學規(guī)律[4]。將剛體劃分為無限個質元的思想，可以與彈性力學中的有限元方法聯系起來。有限元法，簡單地說，就是用結構力學方法求解彈性力學問題，即首先將連續(xù)體變成離散化結構，然后用結構力學的方法進行求解[7]。將連續(xù)體變成離散化結構，也就是將連續(xù)體劃分為有限多個有限大小的單元，這些單元僅在一些結點連接起來。

3 具體知識點的結合

大學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，只是符號變了，意義略有改變。因此，在大學物理教學過程中可以將某些具體的知識點與土木類專業(yè)課程中的某些具體知識點結合起來，使得學生明白學習大學物理有助于學習專業(yè)課程，以便提高學習大學物理的興趣。

大學物理中有不少知識點可以與土木類專業(yè)課中的知識點結合起來，其中有些公式與土木類專業(yè)課中某些公式非常相似，如在大學物理中講彈力時可與材料力學中的應力聯系起來。大學物理中說的彈力是指物體因形變而產生的恢復力[4]。彈簧作為彈性體的代表，其形變時產生的彈力，在彈性限度內遵從胡克定律，其大小關系可表示為：

F=kx （1）

式中k為彈簧的勁度系數，F為彈力，x為彈簧拉伸或壓縮的形變。

材料力學中講到拉（壓）桿的變形時，會講到單軸應力下的胡克定律[5]，其表達式寫為：

σ=Eε （2）

其中E為彈性模量，σ為桿橫截面上的正應力，ε為桿的縱向線應變。

材料力學中講到薄壁圓筒的扭轉時，會講到材料的剪切胡克定律，其表達式寫為：

τ=Gγ （3）

其中G為切變模量，τ為薄壁圓筒橫截面上任一點的切應力，γ為薄壁圓筒表面上的切應變。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，只是符號變了，不過其代表的意義也有所變化。在大學物理中講力矩時也可與材料力學中的扭矩聯系起來。

大學物理中某些原理可以直接用于土木類課程中解決相關的問題。如大學物理中的電橋原理就可直接用于土木類專業(yè)的電測法測應變。大學物理中的單臂電橋原理[8]是將四個電阻R1、R2、Rs和Rx通過導線連接組成一個四邊形，在四邊形的兩個對角線上分別連接檢流計G和電源，如圖1所示。當檢流計指示無電流時，表明電橋處于平衡狀態(tài)。其中電阻R1、R2和Rs是已知的，由即可計算出待測電阻Rx。

在土木類專業(yè)可用電橋原理來測量應變[9]，只是將R1和R2換成電阻應變片。將R1貼于構件上，使之與構件同時變形；將R2貼于不受力的地方，與R1處于相同溫度下，作為溫度補償片。另外，兩橋臂接入儀器內部的精密無感電阻。這時應變儀的讀數就等于構件測點的實際應變值。可見在大學物理中學好電橋原理，就可在土木類專業(yè)中直接利用它來解決實際問題。

另外，還有將大學物理中的偏振光的知識直接應用于土木類專業(yè)的光彈性實驗等。總之，大學物理中有很多知識點可以與土木類專業(yè)相關知識相結合，或者直接用于解決土木類的實際問題。

4 幾點建議

筆者長期從事大學物理教學工作，多年給土木類專業(yè)講授大學物理課程，也學習過部分土木類課程，在此結合多年的教學經驗提出幾點建議。

1）土木類專業(yè)培養(yǎng)計劃的制訂人員不要過度壓縮大學物理課的學時，否則難以滿足土木類專業(yè)課學習需要的大學物理知識，進而不利于專業(yè)課程的學習。如土木類專業(yè)原來將大學物理設定為六學分，課時相對充裕，講授的內容包括力學、熱學、電磁學、光學和近代物理學；后來設定為四學分，課時相對較少，只能省略部分內容，其中光學知識包括偏振光就被省略了。偏振光正好就是光彈性實驗的基礎知識，而且該實驗對土木專業(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用。

2）大學物理教學方案要注意做好與專業(yè)課的銜接，其內容需針對不同專業(yè)需求有所側重。假如土木類專業(yè)培養(yǎng)計劃過度壓縮大學物理課的學時，大學物理教學方案又沒有做好與專業(yè)課的銜接工作，結果可能導致專業(yè)課很需要的基礎知識也被省略掉。

3）大學物理授課教師可適當了解相關的專業(yè)課程，并在大學物理授課過程中適當將專業(yè)課中的知識與大學物理知識聯系起來。

4）當講到與專業(yè)課相關的大學物理內容時，可以要求學生適當預覽相關的專業(yè)課程，讓學生明白，學習大學物理對以后學習相關的專業(yè)課是有幫助的，有助于提高學生學習大學物理的興趣。

5 結語

從解決問題的思想和具體知識點兩方面，分析了大學物理教學與土木類專業(yè)課程相結合的問題。首先以提出理想化的模型來解決實際問題的思想和微元法為例，說明大學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問題；最后對結合教學問題提出幾點建議。將大學物理與土木類專業(yè)課程結合起來教學，可以讓學生明白學習大學物理有助于學習專業(yè)課程，提高學生學習大學物理的興趣。

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

參考文獻

[1]李丹，姜廣軍，付靜，等.建筑類獨立院校大學物理教學探討[J].赤峰學院學報：自然科學版，2015（7）：253-254.

[2]陳麗，陳巧玲.與專業(yè)相結合的大學物理教學探索[J].中國教育技術裝備，2010（12）：42-43.

[3]王萍.在材料類專業(yè)大學物理教學中引入新材料概念[J].科技信息，2010（1）：112-113.

[4]唐立軍，黃祖洪.大學物理學[M].上海：復旦大學出版社，2010：3-75.

[5]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2002：3-53.

[6]李廉錕.結構力學[M].北京：高等教育出版社，2004：

2-5.

[7]徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2002：6-109.

[8]唐貴平，何興，王曉平.大學物理實驗[M].上海：復旦大學出版社，2007：58-62.

[9]徐飛鴻，韋成龍.材料力學實驗[M].長沙：湖南教育出版社，2004：88-100.