與專業(yè)相銜接的“大學(xué)物理”緒論課教學(xué)設(shè)計
——土木篇

謝 東 樊代和

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

大學(xué)物理是世界各國理工科大學(xué)都要開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程，而緒論課是大學(xué)物理的第一堂課，緒論課教學(xué)的成功與否直接關(guān)系到學(xué)生對這門課程的興趣和重視程度。在大學(xué)物理的緒論課上講什么？以什么方式講？并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。解世雄[1]認(rèn)為緒論課要解決好學(xué)生學(xué)習(xí)目的問題，要讓學(xué)生領(lǐng)略教師的教學(xué)思想；周史薇[2]認(rèn)為大學(xué)物理緒論課上要完成中學(xué)物理到大學(xué)物理的過渡；何偉巖[3]認(rèn)為大學(xué)物理緒論課上要解決“什么是物理、為什么學(xué)物理、物理學(xué)什么、怎樣學(xué)物理”4個問題。

當(dāng)前專業(yè)認(rèn)證已成為我國高等教育質(zhì)量評價的一個發(fā)展趨勢和中國高校發(fā)展新的風(fēng)向標(biāo)[4]。在工程教育專業(yè)認(rèn)證中，“課程體系是如何支撐學(xué)生畢業(yè)要求”是一項重要的評估內(nèi)容。物理學(xué)被稱為科技之母，是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)之畢業(yè)要求中的3.1工程知識、3.2問題分析[5]就需要大學(xué)物理課程的強支撐作用。在此背景下，在大學(xué)物理的緒論課中開篇名義地闡明物理學(xué)對工程技術(shù)的支撐作用、闡明大學(xué)物理與后繼專業(yè)課程的銜接關(guān)系，將有利于提高學(xué)生對這門課程的重視程度和學(xué)習(xí)積極性。

筆者受到易偉松[6]采用“嫦娥工程”這根主線將大學(xué)物理內(nèi)容貫穿起來組織緒論課教學(xué)的啟發(fā)，針對我校土木專業(yè)學(xué)生，設(shè)計了一堂基于“川藏鐵路工程”的大學(xué)物理緒論課案例。西南交通大學(xué)的土木工程專業(yè)是1896年建校時最早設(shè)立的專業(yè)之一，1949年以前學(xué)校培養(yǎng)的畢業(yè)生中，土木學(xué)生占到了67%。2016年，土木工程專業(yè)每年招生規(guī)模已達到1130人。已畢業(yè)的學(xué)生中就有很多正奮戰(zhàn)在川藏鐵路的第一線，未來幾年必將還有更多的學(xué)生投入到川藏鐵路的建設(shè)中。在大學(xué)物理的緒論課中，聚焦國家這一重大工程，介紹鐵路建設(shè)相關(guān)的工程技術(shù)問題及其背后的物理學(xué)原理；介紹“川藏鐵路”的政治、經(jīng)濟、軍事意義，介紹建設(shè)者的奮斗精神，不僅有利于提高學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)積極性和重視程度，還能進一步培養(yǎng)他們的愛國主義情懷，達到課程思政的目的。

1 川藏鐵路工程簡介[7]

川藏鐵路是繼青藏鐵路之后，第二條進藏“天路”。起于四川省成都市，經(jīng)雅安、甘孜，昌都、林芝等地，最終抵達西藏自治區(qū)首府拉薩市。全線分3個路段進行推進：成都至雅安段、拉薩至林芝段，雅安至林芝段。鐵路總長約1700km，80%以上將以隧道和橋梁的方式建設(shè)，設(shè)計速度為200km/h，部分路段限速160km/h，投資約2700億元。川藏鐵路中的成雅段和拉林段兩頭都在2014年底開工，成雅鐵路已在2018年底建成通車，拉林段預(yù)計2021年建成，而川藏鐵路全線通車則計劃要到2026年。到時成都至拉薩的運行時間有望縮短至13h，而目前兩地間運行時間在48h左右。

川藏鐵路線路“八起八落”，累計爬升高度達16000多米，相當(dāng)于在最艱險、最復(fù)雜的高山峽谷之間，修建世界上技術(shù)難度最大的“巨型過山車”。建設(shè)者將面臨高烈度地震和地質(zhì)斷裂、高地應(yīng)力、高地?zé)崃Α⒏呙苈咽瘜?、高地質(zhì)災(zāi)害以及隧道供氧不易等6大難題。川藏鐵路建成后將承擔(dān)起超過48%的進出藏客運量和41%的貨運量，并徹底改變川西甘孜藏族自治州、西藏昌都、林芝地區(qū)、山南地區(qū)落后的交通運輸條件。川藏鐵路的建成對促進民族團結(jié)、維護國家統(tǒng)一、鞏固邊疆穩(wěn)定都具有非常重要的意義。

2 基于“川藏鐵路”工程的大學(xué)物理緒論課設(shè)計

緒論課內(nèi)容主要包含兩部分內(nèi)容(共計2學(xué)時)，其一是為什么要開設(shè)大學(xué)物理這樣一門課程？(1.5學(xué)時)；其二是怎樣才能學(xué)好大學(xué)物理(0.5學(xué)時)。在講授第1部分內(nèi)容時，選擇與土木專業(yè)緊密相關(guān)的國家重大工程“川藏鐵路”為組織線索，闡明鐵路工程、軌道交通相關(guān)的物理學(xué)知識和原理，對即將學(xué)習(xí)的大學(xué)物理課程內(nèi)容進行一個概括性的瀏覽。對于這些物理原理和知識，只需點到為止，并不需要詳細展開。課程講授方式將主要以教師提問、學(xué)生回答與學(xué)生討論為主。教師通過一系列的設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生明白工程技術(shù)背后包含的物理學(xué)原理以及學(xué)好大學(xué)物理這門課程對后繼專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性。下面通過實際教案中幾張典型的PPT說明設(shè)計者思路和目標(biāo)。

圖1 川藏鐵路線路圖

圖1 所示幻燈片為川藏鐵路的線路和站點設(shè)計圖。通過此圖擴展介紹川藏鐵路的概貌，包括歷史沿革，沿途地質(zhì)地貌特征，以及建成后的政治、經(jīng)濟、軍事等方面的重要意義。結(jié)合鐵路和站點設(shè)計圖，提出問題：如何確定列車的位置？列車運行時刻表怎么確定？站點之前行車速度有何要求？由此引出運動學(xué)中相關(guān)概念并加以簡略介紹，如：軌跡，路程、速度、加速度、參考系等。

川藏鐵路線“八起八落”，80%的路線將以隧道和橋梁的方式修建。隧道橋梁修建前需進行地質(zhì)、水文勘探。如圖2中幻燈片所示，地質(zhì)水文勘探方法包括電法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震波勘探等物理勘探法。在此給學(xué)生點明，這些方法的原理將分別在大學(xué)物理的電磁學(xué)、力學(xué)、振動與波動等章節(jié)中詳細介紹。

圖2 隧道、橋梁的物理勘探方法

海拔高度的變化引起氣壓的變化，隧道內(nèi)會存在缺氧等問題；隧道修建中還會存在地?zé)岣邷氐葐栴}，如何解決這些問題，可與物理學(xué)中的分子運動論、熱學(xué)方面的知識聯(lián)系起來。川藏線上的新都橋、理塘還會存在季節(jié)性凍土問題。在凍土上修建鐵路，會存在地質(zhì)下陷。如何解決這一問題，將涉及力學(xué)知識。但是要給學(xué)生點明，大學(xué)物理中的力學(xué)并不能解決此問題，因為大學(xué)物理中的力學(xué)研究對象是質(zhì)點、剛體等模型，而凍土是變形體。給學(xué)生說明變形體問題會由后繼專業(yè)課程中的其他力學(xué)課程來研究，如土力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)等，而大學(xué)物理課程中的力學(xué)則是這些力學(xué)課程的基礎(chǔ)。

川藏鐵路線上將會建造出許多著名橋梁，在介紹這些橋梁時強調(diào)中國橋梁工程建造技術(shù)在世界的領(lǐng)先地位，激發(fā)同學(xué)們的愛國熱情。然后就橋梁質(zhì)量檢測方面的技術(shù)問題進行提問，比如橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何進行無損檢測等，這又可與物理學(xué)中的雷達檢測技術(shù)，渦流檢測技術(shù)、漏磁檢測技術(shù)、光學(xué)、超聲波成像等知識點銜接起來，如圖3中的幻燈片所示。

圖3 橋梁、鋼筋、混凝土的無損檢測

圖4所示幻燈片為不同年代的鐵路機車展示，包括蒸汽機車、內(nèi)燃機車、電力機車、磁懸浮列車，在此說明軌道交通技術(shù)的進步與物理學(xué)中熱力學(xué)、電磁學(xué)、超導(dǎo)、量子物理等學(xué)科的發(fā)展密不可分。然后向同學(xué)們介紹川藏線上所用機車、軌道類型。最后介紹未來軌道交通發(fā)展趨勢——真空磁懸浮列車。介紹真空磁懸浮的原理、優(yōu)勢、國內(nèi)外研究動態(tài)，特別要介紹就在我們身邊的西南交大真空磁懸浮的研究情況，如圖5中的幻燈片所示，以此激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情。

圖4 不同時代的火車機車

圖5 西南交大超級真空磁懸浮列車模型

3 結(jié)語

本文針對土木專業(yè)學(xué)生，在大學(xué)物理緒論課中，以“川藏鐵路工程”為組織線索，來闡明物理學(xué)對工程技術(shù)的支撐作用、闡明大學(xué)物理與后繼專業(yè)課程的銜接關(guān)系，這是一種新的嘗試。實踐結(jié)果表明教學(xué)效果良好，在一定程度上提高了同學(xué)們對這門課程重視度和學(xué)習(xí)極積性。本教學(xué)案例的設(shè)計思想對其他專業(yè)大學(xué)物理緒論課的教學(xué)也有一定的借鑒作用。