浅谈大学物理结合土木类专业课教学问题

张华林

摘 要 从解决问题的思想和具体知识点两方面，探讨大学物理教学与土木类专业课相结合的问题，并对如何结合提出几点建议。将大学物理与土木类专业课程结合起来教学，可以提高学生学习大学物理的兴趣，也有助于学习后续的专业课程。

关键词 大学物理；土木类专业课；理工科院校

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：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

大学物理作为理工科院校的一门基础课，在整个大学教育中非常重要。目前关于大学物理与各专业相结合的教学的研究还比较少。李丹等[1]探讨建筑类独立院校的大学物理教学，认为要做好大学物理与专业课的衔接工作，针对不同的专业需求，大学物理课程内容的开设要有所调整。陈丽等[2]研究了与专业相结合的大学物理教学问题，指出通过加强专业思想教育，制订不同的授课计划，合理决定教学侧重点，可以进一步提升大学物理教学质量，使物理教学内容满足专业课的教学需要，及时有效地把物理知识向相近专业知识迁移，从而达到物理教学为专业课教学服务的目的。王萍[3]研究了在材料类专业大学物理教学中引入新材料概念的问题，指出通过新材料的介绍，可使材料类专业的学生了解现代材料科学与大学物理的联系，开阔学生视野，激发学生的学习积极性。

长沙理工大学是一所以理工为主的大学，设有不少土木类专业，每年有大量学生学习大学物理课程，而大学物理与土木类专业课程联系紧密。因此，研究大学物理与土木类专业课程的结合教学非常有意义。本文从解决问题的思想和具体知识点两方面，探索大学物理教学与土木类专业课程相结合的问题。

2 解决问题的思想的结合

在大学物理教学中，需要解决很多具体的问题，在解决问题的时候会讲到解决问题的思想。而大学物理解决问题的思想与很多专业课解决问题的思想是相通的，因此在大学物理教学中讲解解决问题的思想时，可以适当结合土木类课程中相关的问题来讲解。下面以提出理想化的模型来解决实际问题的思想和微元法为例来说明。

任何一个真实的物理过程都十分复杂，为了寻找某过程中最本质、最基本的规律，总是根据所提出的问题对真实过程进行简化，然后经过抽象，提出理想化的物理模型。因此在物理学中提出很多物理模型，如在力学中提出了质点、刚体等物理模型[4]。这种为简化实际问题而提出理想化模型的思想同样适用于土木类专业课程。下面简单介绍质点、刚体模型。若物体的线度比它运动的空间范围小很多时，或当物体作平动时，物体上各部分的运动情况完全相同。这时可以忽略物体的形状、大小，而把它看成一个具有一定质量的点，称之为质点。而在很多实际问题中，又有些物体不能看成质点，也就是不能忽略物体的形状、大小对运动的影响。如在研究物体的转动时，质点模型已不适用。但若在所研究的问题中，物体的微小形变可以忽略不计时，则又可以引入刚体模型。刚体，是指在任何情况下都没有形变的物体。

在土木类专业课中同样提出很多理想化的模型。比如在材料力学、结构力学和弹性力学等课程中，一开始就都提出本课程所研究的问题的理想化模型。工程中实际材料的物质结构各不相同，各种材料的物质结构都具有不同程度的空隙，并可能存在氣孔、杂质等缺陷。在材料力学里进行理想化处理，把实际材料看作均匀、连续、各向同性的可变形固体，且在大多数场合下局限在弹性变形范围内和小变形条件下进行研究[5]。

在结构力学中，在计算前需要对实际结构进行简化处理，表现其主要特点，略去次要因素，用一个简化图形来代替实际结构，即做出结构的计算简图[6]。常用杆件的轴线代表杆件，将荷载简化为集中荷载及线分布荷载，将空间结构简化为平面结构，将支座简化为活动铰支座、固定铰支座、固定支座和滑动支座，将结点简化为铰结点、刚结点和组合结点等。在弹性力学中也对材料性质进行简化处理，只讨论理想弹性体的小变形问题，即假定物体是均匀、连续、各向同性和完全弹性的，并假定位移和形变是微小的[7]。可见在大学物理和土木类专业课中，这种提出理想化的模型来解决实际问题的思想是相通的。

大学物理中的微元法思想也可用于解决土木类问题。如在大学物理中讨论刚体力学时，通常将刚体分割成许多微小部分，每一部分都小到可以被看作质点，这些小部分叫作刚体的质元。而整个刚体则可看成由无数个连续分布的质元所组成的特殊质点系，各质元之间无相对位移。然后将质点系力学规律应用于刚体，即可归纳出刚体所服从的力学规律[4]。将刚体划分为无限个质元的思想，可以与弹性力学中的有限元方法联系起来。有限元法，简单地说，就是用结构力学方法求解弹性力学问题，即首先将连续体变成离散化结构，然后用结构力学的方法进行求解[7]。将连续体变成离散化结构，也就是将连续体划分为有限多个有限大小的单元，这些单元仅在一些结点连接起来。

3 具体知识点的结合

大学物理中有些原理与土木类专业课中的原理完全相同，可以直接用于土木类课程中解决相关问题；有些公式与土木类专业课中某些公式非常相似，只是符号变了，意义略有改变。因此，在大学物理教学过程中可以将某些具体的知识点与土木类专业课程中的某些具体知识点结合起来，使得学生明白学习大学物理有助于学习专业课程，以便提高学习大学物理的兴趣。

大学物理中有不少知识点可以与土木类专业课中的知识点结合起来，其中有些公式与土木类专业课中某些公式非常相似，如在大学物理中讲弹力時可与材料力学中的应力联系起来。大学物理中说的弹力是指物体因形变而产生的恢复力[4]。弹簧作为弹性体的代表，其形变时产生的弹力，在弹性限度内遵从胡克定律，其大小关系可表示为：

F=kx （1）

式中k为弹簧的劲度系数，F为弹力，x为弹簧拉伸或压缩的形变。

材料力学中讲到拉（压）杆的变形时，会讲到单轴应力下的胡克定律[5]，其表达式写为：

σ=Eε （2）

其中E为弹性模量，σ为杆横截面上的正应力，ε为杆的纵向线应变。

材料力学中讲到薄壁圆筒的扭转时，会讲到材料的剪切胡克定律，其表达式写为：

τ=Gγ （3）

其中G为切变模量，τ为薄壁圆筒横截面上任一点的切应力，γ为薄壁圆筒表面上的切应变。这两门课程中说到的胡克定律，名称相同，形式上也非常相似，只是符号变了，不过其代表的意义也有所变化。在大学物理中讲力矩时也可与材料力学中的扭矩联系起来。

大学物理中某些原理可以直接用于土木类课程中解决相关的问题。如大学物理中的电桥原理就可直接用于土木类专业的电测法测应变。大学物理中的单臂电桥原理[8]是将四个电阻R1、R2、Rs和Rx通过导线连接组成一个四边形，在四边形的两个对角线上分别连接检流计G和电源，如图1所示。当检流计指示无电流时，表明电桥处于平衡状态。其中电阻R1、R2和Rs是已知的，由即可计算出待测电阻Rx。

在土木类专业可用电桥原理来测量应变[9]，只是将R1和R2换成电阻应变片。将R1贴于构件上，使之与构件同时变形；将R2贴于不受力的地方，与R1处于相同温度下，作为温度补偿片。另外，两桥臂接入仪器内部的精密无感电阻。这时应变仪的读数就等于构件测点的实际应变值。可见在大学物理中学好电桥原理，就可在土木类专业中直接利用它来解决实际问题。

另外，还有将大学物理中的偏振光的知识直接应用于土木类专业的光弹性实验等。总之，大学物理中有很多知识点可以与土木类专业相关知识相结合，或者直接用于解决土木类的实际问题。

4 几点建议

笔者长期从事大学物理教学工作，多年给土木类专业讲授大学物理课程，也学习过部分土木类课程，在此结合多年的教学经验提出几点建议。

1）土木类专业培养计划的制订人员不要过度压缩大学物理课的学时，否则难以满足土木类专业课学习需要的大学物理知识，进而不利于专业课程的学习。如土木类专业原来将大学物理设定为六学分，课时相对充裕，讲授的内容包括力学、热学、电磁学、光学和近代物理学；后来设定为四学分，课时相对较少，只能省略部分内容，其中光学知识包括偏振光就被省略了。偏振光正好就是光弹性实验的基础知识，而且该实验对土木专业非常重要，在隧道工程、桥梁工程、铁道工程和道路工程等方面都有广泛应用。

2）大学物理教学方案要注意做好与专业课的衔接，其内容需针对不同专业需求有所侧重。假如土木类专业培养计划过度压缩大学物理课的学时，大学物理教学方案又没有做好与专业课的衔接工作，结果可能导致专业课很需要的基础知识也被省略掉。

3）大学物理授课教师可适当了解相关的专业课程，并在大学物理授课过程中适当将专业课中的知识与大学物理知识联系起来。

4）当讲到与专业课相关的大学物理内容时，可以要求学生适当预览相关的专业课程，让学生明白，学习大学物理对以后学习相关的专业课是有帮助的，有助于提高学生学习大学物理的兴趣。

5 结语

从解决问题的思想和具体知识点两方面，分析了大学物理教学与土木类专业课程相结合的问题。首先以提出理想化的模型来解决实际问题的思想和微元法为例，说明大学物理解决问题的思想与很多专业课解决问题的思想是相通的；其次以胡克定律和电桥原理为例，说明大学物理中有些公式与土木类专业课中某些公式非常相似，有些原理可以直接用于土木类课程中解决相关问题；最后对结合教学问题提出几点建议。将大学物理与土木类专业课程结合起来教学，可以让学生明白学习大学物理有助于学习专业课程，提高学生学习大学物理的兴趣。

虽然只讨论了大学物理教学与土木类专业课的结合问题，但是可以类似考虑大学物理与其他专业课的结合问题，以及其他公共课与专业课的结合问题。

参考文献

[1]李丹，姜广军，付静，等.建筑类独立院校大学物理教学探讨[J].赤峰学院学报：自然科学版，2015（7）：253-254.

[2]陈丽，陈巧玲.与专业相结合的大学物理教学探索[J].中国教育技术装备，2010（12）：42-43.

[3]王萍.在材料类专业大学物理教学中引入新材料概念[J].科技信息，2010（1）：112-113.

[4]唐立军，黄祖洪.大学物理学[M].上海：复旦大学出版社，2010：3-75.

[5]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2002：3-53.

[6]李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2004：

2-5.

[7]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2002：6-109.

[8]唐贵平，何兴，王晓平.大学物理实验[M].上海：复旦大学出版社，2007：58-62.

[9]徐飞鸿，韦成龙.材料力学实验[M].长沙：湖南教育出版社，2004：88-100.