与专业相衔接的“大学物理”绪论课教学设计——土木篇

谢 东 樊代和

(西南交通大学物理科学与技术学院，四川 成都 610031)

大学物理是世界各国理工科大学都要开设的一门基础课程，而绪论课是大学物理的第一堂课，绪论课教学的成功与否直接关系到学生对这门课程的兴趣和重视程度。在大学物理的绪论课上讲什么？以什么方式讲？并没有统一的标准。解世雄[1]认为绪论课要解决好学生学习目的问题，要让学生领略教师的教学思想；周史薇[2]认为大学物理绪论课上要完成中学物理到大学物理的过渡；何伟岩[3]认为大学物理绪论课上要解决“什么是物理、为什么学物理、物理学什么、怎样学物理”4个问题。

当前专业认证已成为我国高等教育质量评价的一个发展趋势和中国高校发展新的风向标[4]。在工程教育专业认证中，“课程体系是如何支撑学生毕业要求”是一项重要的评估内容。物理学被称为科技之母，是其他自然科学和工程技术的基础。工程教育专业认证通用标准之毕业要求中的3.1工程知识、3.2问题分析[5]就需要大学物理课程的强支撑作用。在此背景下，在大学物理的绪论课中开篇名义地阐明物理学对工程技术的支撑作用、阐明大学物理与后继专业课程的衔接关系，将有利于提高学生对这门课程的重视程度和学习积极性。

笔者受到易伟松[6]采用“嫦娥工程”这根主线将大学物理内容贯穿起来组织绪论课教学的启发，针对我校土木专业学生，设计了一堂基于“川藏铁路工程”的大学物理绪论课案例。西南交通大学的土木工程专业是1896年建校时最早设立的专业之一，1949年以前学校培养的毕业生中，土木学生占到了67%。2016年，土木工程专业每年招生规模已达到1130人。已毕业的学生中就有很多正奋战在川藏铁路的第一线，未来几年必将还有更多的学生投入到川藏铁路的建设中。在大学物理的绪论课中，聚焦国家这一重大工程，介绍铁路建设相关的工程技术问题及其背后的物理学原理；介绍“川藏铁路”的政治、经济、军事意义，介绍建设者的奋斗精神，不仅有利于提高学生对这门课程的学习积极性和重视程度，还能进一步培养他们的爱国主义情怀，达到课程思政的目的。

1 川藏铁路工程简介[7]

川藏铁路是继青藏铁路之后，第二条进藏“天路”。起于四川省成都市，经雅安、甘孜，昌都、林芝等地，最终抵达西藏自治区首府拉萨市。全线分3个路段进行推进：成都至雅安段、拉萨至林芝段，雅安至林芝段。铁路总长约1700km，80%以上将以隧道和桥梁的方式建设，设计速度为200km/h，部分路段限速160km/h，投资约2700亿元。川藏铁路中的成雅段和拉林段两头都在2014年底开工，成雅铁路已在2018年底建成通车，拉林段预计2021年建成，而川藏铁路全线通车则计划要到2026年。到时成都至拉萨的运行时间有望缩短至13h，而目前两地间运行时间在48h左右。

川藏铁路线路“八起八落”，累计爬升高度达16000多米，相当于在最艰险、最复杂的高山峡谷之间，修建世界上技术难度最大的“巨型过山车”。建设者将面临高烈度地震和地质断裂、高地应力、高地热力、高密卵石层、高地质灾害以及隧道供氧不易等6大难题。川藏铁路建成后将承担起超过48%的进出藏客运量和41%的货运量，并彻底改变川西甘孜藏族自治州、西藏昌都、林芝地区、山南地区落后的交通运输条件。川藏铁路的建成对促进民族团结、维护国家统一、巩固边疆稳定都具有非常重要的意义。

2 基于“川藏铁路”工程的大学物理绪论课设计

绪论课内容主要包含两部分内容(共计2学时)，其一是为什么要开设大学物理这样一门课程？(1.5学时)；其二是怎样才能学好大学物理(0.5学时)。在讲授第1部分内容时，选择与土木专业紧密相关的国家重大工程“川藏铁路”为组织线索，阐明铁路工程、轨道交通相关的物理学知识和原理，对即将学习的大学物理课程内容进行一个概括性的浏览。对于这些物理原理和知识，只需点到为止，并不需要详细展开。课程讲授方式将主要以教师提问、学生回答与学生讨论为主。教师通过一系列的设问，引导学生明白工程技术背后包含的物理学原理以及学好大学物理这门课程对后继专业课程学习的重要性。下面通过实际教案中几张典型的PPT说明设计者思路和目标。

图1 川藏铁路线路图

图1 所示幻灯片为川藏铁路的线路和站点设计图。通过此图扩展介绍川藏铁路的概貌，包括历史沿革，沿途地质地貌特征，以及建成后的政治、经济、军事等方面的重要意义。结合铁路和站点设计图，提出问题：如何确定列车的位置？列车运行时刻表怎么确定？站点之前行车速度有何要求？由此引出运动学中相关概念并加以简略介绍，如：轨迹，路程、速度、加速度、参考系等。

川藏铁路线“八起八落”，80%的路线将以隧道和桥梁的方式修建。隧道桥梁修建前需进行地质、水文勘探。如图2中幻灯片所示，地质水文勘探方法包括电法勘探、磁法勘探、重力勘探、地震波勘探等物理勘探法。在此给学生点明，这些方法的原理将分别在大学物理的电磁学、力学、振动与波动等章节中详细介绍。

图2 隧道、桥梁的物理勘探方法

海拔高度的变化引起气压的变化，隧道内会存在缺氧等问题；隧道修建中还会存在地热高温等问题，如何解决这些问题，可与物理学中的分子运动论、热学方面的知识联系起来。川藏线上的新都桥、理塘还会存在季节性冻土问题。在冻土上修建铁路，会存在地质下陷。如何解决这一问题，将涉及力学知识。但是要给学生点明，大学物理中的力学并不能解决此问题，因为大学物理中的力学研究对象是质点、刚体等模型，而冻土是变形体。给学生说明变形体问题会由后继专业课程中的其他力学课程来研究，如土力学、材料力学、流体力学等，而大学物理课程中的力学则是这些力学课程的基础。

川藏铁路线上将会建造出许多著名桥梁，在介绍这些桥梁时强调中国桥梁工程建造技术在世界的领先地位，激发同学们的爱国热情。然后就桥梁质量检测方面的技术问题进行提问，比如桥梁内部结构如何进行无损检测等，这又可与物理学中的雷达检测技术，涡流检测技术、漏磁检测技术、光学、超声波成像等知识点衔接起来，如图3中的幻灯片所示。

图3 桥梁、钢筋、混凝土的无损检测

图4所示幻灯片为不同年代的铁路机车展示，包括蒸汽机车、内燃机车、电力机车、磁悬浮列车，在此说明轨道交通技术的进步与物理学中热力学、电磁学、超导、量子物理等学科的发展密不可分。然后向同学们介绍川藏线上所用机车、轨道类型。最后介绍未来轨道交通发展趋势——真空磁悬浮列车。介绍真空磁悬浮的原理、优势、国内外研究动态，特别要介绍就在我们身边的西南交大真空磁悬浮的研究情况，如图5中的幻灯片所示，以此激发同学们的学习热情。

图4 不同时代的火车机车

图5 西南交大超级真空磁悬浮列车模型

3 结语

本文针对土木专业学生，在大学物理绪论课中，以“川藏铁路工程”为组织线索，来阐明物理学对工程技术的支撑作用、阐明大学物理与后继专业课程的衔接关系，这是一种新的尝试。实践结果表明教学效果良好，在一定程度上提高了同学们对这门课程重视度和学习极积性。本教学案例的设计思想对其他专业大学物理绪论课的教学也有一定的借鉴作用。