农科大学物理可视化教学探索

大学物理是理工科大学面向全体学生的一门基础课, 其教学内容有力学、热学、电磁学、光学和近代物理等关于自然界许许多多的现象和规律。其具体的教学目标就是让学生理解基本的物理概念和常用的物理规律去揭示现实生活中的一些物理现象, 并且培养学生的科学素养、创新意识和动手能力。然而在教学的具体实践中常常出现理论与实际脱离、大学物理教学与现代科学技术发展不相适应的情况, 而且,学生在学习过程中普遍

农科大学物理可视化教学探索

豆根生李波袁超

（河南农业大学理学院河南郑州４５０００２）

摘要】就当前农业院校中大学物理教学现状。对农科大学物理提出可视化教学。主要利用当前学校流行的ｍａｔｌａｂ和ｌａｂｖｉｅｗ来实现可【

视化功能。

关键词】可视化；ｍａｔｌａｂ；

ｌａｂｖｉｅｗ【

１．引言

大学物理是各个学科重要的基础课程。她首先是给学生提供了一种解释世界的一种工具。物理的知识是很多学科发展的起源，所以她在各个学科研究中是最基础的知识。其次物理给学生了提供了一种认识和探索世界的方法。大学物理课程本身就是一门科学发展史，学生在学习物理知识同时也学到了科技发展的历程和科学家研究对象的方法，这些方法对学生在今后的科学研究和实际工作中会具有重要的指引作用。

不同的学科对物理课程有不同的要求。物理在工科的重要作用是

而对一些不言而喻的，在教学上她的理论学时长，物理实验学时也多。

文科专业的人文物理，主要讲解物理发展史和一些常用的物理常识。

而在农科专业，对物理通过这种学习，学生可以学到一种思维的方式。

在学科的定位是很模糊的，她既不像在工科中有明显的学科基础作用也不像在文科中作为一种科学思维方法指导作用。所以物理在农科院校的教学计划中一直在变动的。

下：图－１演示的向表面法向向量。

图－１表面法向向量

２．农科物理教学现状

在农科院校中许多农学专业对她的作用认识不够，再加上学生的总学时是固定的。农科大学物理的学时是一次又一次的被压缩，更有甚者有些院系取消了农科物理实验。有的原因是农科物理中很多理论知识和实验在它们本学科中是有重复的，所以在认识上就忽略了物理在其学科的作用。

在这种情形之下，农科物理老师就不得不缩减教学内容，把一些与农科关系不大的部分删去，而是讲解一些与之相关的内容。在教学方法上也是把一些复杂而精美的推倒省略，直接去解释物理现象。这种教学方法与学科相互交融的趋势是相违背的。同时学生也会觉得从物理学到的东西少，对物理知识的理解也不会深刻，如果连基本的物理实验都取消了，那么这种教学效果是可想而知的。

如何在短学时甚至没有物理实验的情况下取得良好的教学效果是摆在所有农科物理老师面前的一道难题。笔者具有多年的农科物理教学经验，并对原有教学方法不断探索，提出了可视化教学，并在教学过程中取得了不错的教学效果。

此例是在ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ中通过ＶＢＡ对控件进行设置来调用ｍａｔｌａｂ程序，在放映状态下老师可以在文本框（Ｔｅｘｔｂｏｘ）里实时修改代码，然后运行显示出结果。当然结果有也有文本形式的。笔者认为在农科物理中采用图形显示效果更好些，对学生而言更直观些，老师对这图形讲解也将结论更加的清晰些。

实时更改程序运算的运行的时间较长。如果在课堂上频繁的更改程序就有可能影响教学的进度。另外在文本框输入程序时是没有错误提示的。所以笔者建议在可能上最好不要在框架上更改程序，而做些参数的调整。这样才能准确生动的推倒和演示理论。

３．可视化教学方案

由于近些年来，大量的科学软件（ｍａｔｌａｂ、ｌａｂｖｉｅｗ等）的涌现以及在高校中的普及，为可视化教学提供了可能。物理精美之处就在与其严谨的推到，物理的创新之处就在于多样的实验。笔者就从她的精美和创新之处进行改进。

３．１理论讲解可视化理论推倒是最能体现物理学科美的地方，当学生发现他们所处世界能过用数学符号来描述时，他们会感受到科学家的智慧并有认识世界的冲动。但在实际教学过程中理论的推到并不能引起学生的兴趣，这中间关键是学生并不能充分的理解数学符号。所以必须使数学符号“会说话”。老师在推倒公式大多是在黑板上

最近几年，教学中很多老师采用推到，并且有些结果是很不好描述的。

课件教学。而大部分的课件是在放映，很多学生认为课件教学和自己看书没什么两样。而ｍａｔｌａｂ和ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ的结合为改变这一现状提供了一个较好的方法。

ｍａｔｌａｂ是现最流行的科学计算软件，它在不断的发展，同时应用的学科领域也很广泛。并且它具有应用程序接口，能够调用Ｃ、ＶＣ／Ｃ＋＋等外部应用程序，并能调用ＡｃｔｉｖｅＸ、ＤＤＥ等技术。ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ是很多

在ｗｉｎｄｏｗｓ这个平台老师制作课件的软件，其是微软ｏｆｆｉｃｅ产品之一。

之下，我们就可以在通过ａｃｔｉｖｅｘ和ＤＤＥ技术在ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ中调用和运行ｍａｔｌａｂ程序，这样老师就可以实时推到公式，并且由于ｍａｔｌａｂ具有强大的数据可视化功能。我们就可以清晰的描述许多物理现象。如

图－２数字信号发生器

物理实验对学习物理来说十分重要，对学生理

解课本讲述的知识有个验证的作用。同时它也是提高学生动手能力和创新能力的一个重要平台。随着农科物理实验课时的减少甚至取消，原来让学生坐在实验室里学习仪器，记录数据，分析数据的做法已经行不通了。而现在大力发展的虚拟仪器（ＶＩ）为老师实现上述教学目的提供了可能，并且现在有很多学者都在研究虚拟仪器在教学中的应用。

其倡导的口号是虚拟仪器的概念是由美国国家仪器（ＮＩ）提出的。

软件就是仪器”“，其最重要的开发平台ｌａｂｖｉｅｗ很适合非仪器专业的学生进行仪器学习和开发。因为其采用图形化语言（Ｇ语言）进行编程，在设计仪器时就像堆积木样。在ｌａｂｖｉｅｗ中可以设计出和现实使用仪器面板功能一样的虚拟仪器，这样学生可以不进实验室就能学习仪器的功能和使用。同时ＮＩ在ｌａｂｖｉｅｗ中提供了大量的函数，学生完全可以根据自己本专业来设计自己所需要的仪器，这样可（下转第１２５页）

３．２虚拟实验平台

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大学物理是理工科大学面向全体学生的一门基础课, 其教学内容有力学、热学、电磁学、光学和近代物理等关于自然界许许多多的现象和规律。其具体的教学目标就是让学生理解基本的物理概念和常用的物理规律去揭示现实生活中的一些物理现象, 并且培养学生的科学素养、创新意识和动手能力。然而在教学的具体实践中常常出现理论与实际脱离、大学物理教学与现代科学技术发展不相适应的情况, 而且,学生在学习过程中普遍

施工，则应采取材料降温措施来控制混凝土入模温度。

２．３施工质量由于施工质量原因而产生的裂缝发生率在９５％以上。如果在施工阶段控制住了裂缝，则在使用阶段开裂的可能性就很小了。因此，施工阶段是裂缝预防的主要阶段，在施工阶段要注意以下几个问题：首先混凝土要有合适的配合比，选择合适的配合比，不仅要满足强度要求、施工要求，还要从防止产生裂缝的需要出发。适当地选

其次钢择好水灰比，在满足强度要求的原则下，尽可能减少水泥用量。

钢筋上的污筋的成型和模板安装位置要准确、牢固，以免施工中变形。

物和氧化铁皮要清除，以免影响粘结力。第三是浇筑、振捣操作合理，特别是振捣操作技术，往往不被人们重视。过分地振捣对混凝土均匀性有害，振捣不足也不能保证混凝土应有的密实度，要恰到好处。

２．４养护养护的目的是使混凝土正常硬化，强度增长，不受或少受外界影响。技术关键是设法使混凝土温度级慢慢下降到接近外界气温，缩小降温过程中的温差。以便减小温度应力，阻力裂缝的产生。

常规养护方法是喷水，对一般混凝土结构，减小表面收缩，防止龟裂是可行的。大体积混凝土由于块体内外温度不一致，强度增长不同，常常是在强度增长慢的表面开裂，其养护就不能只满足于用常规方法。具体说，尽量晚拆模，拆模后要立即覆盖或及时回填，避开外界气候的影响，养护期应以混凝土强度增长最快的阶段为准，即７至２８天，最好能长些。

强法。结构加固中常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截

采用预应力法加固、粘贴钢板加固、面面积，在构件的角部外包型钢、

增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。

３．４混凝土置换法混凝土置换法是处理混凝土严重损坏的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

３．５电化学防护法电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。

３．６仿生自愈合法仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分，如含粘结剂的液芯纤维或胶囊，在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

４．结语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低结构物的抗渗能力，影响结构物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响结构物的承载能力。因此，要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，从而有效的保证工程质量。科

３．裂缝处理

表面修补法是一种简单、常见的修补方法，它主

要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料，在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。

３．２灌浆、嵌缝封堵法灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

四月份进行。另外，灌浆时间应选择考虑在混凝土温度最低的三、

因为，这时的混凝土张开度最大，灌注效果也最好，这一点应特别注意。

３．３结构加固法因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成的裂缝等影响结构强度可采取结构补

３．１表面修补法

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参考文献】【

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作者简介：蒋沙沙（１９８２年０４月—），女，籍贯：河南焦作市，学位：硕士学位，毕业院校：本科，２００４年毕业于华北水利水电学院，土木工程专业研究生，２００７年毕业于广西大学，水工结构。

高燕（１９８１年０４月—），女，籍贯：河南新乡市，助理工程师，学位：学士学位，毕业院校：２００４年毕业于华北水利水电学院，土木工程专业。

［责任编辑：翟成梁］

（上接第２０２页）以有效的培养学生的创新能力。

在教学中使用ｌａｂｖｉｅｗ就很容易搭建出一个虚拟实验平台。这种平台可以有两种形式：一种是单机形式，让学生在实验室的计算机上取运行和仿真一些物理实验，仿真物理实验可以减少由于学生操作失误而耽误的时间，另外利用计算机记录数据要比手工记录数据快速和准确。通过这种方法可以在短时间内完成物理实验的教学目的，由于这种虚拟的物理实验比较新颖往往还可以引发学生的学习兴趣。笔者就以ｌａｂｖｉｅｗ自带的示波器来演示如：图－２。

另一种形式，利用网络组成一个网络虚拟实验室，由于在ｌａｂｖｉｅｗ具有强大的网络通信功能，所以就很容易开发出一个网络虚拟实验室。通ｌａｂｖｉｅｗ支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，ＵＤＰ协议，还开发了ＤａｔａＳｏｃｋｅｔ技术。过这些功能就能实现远程虚拟仪器。通过网络就可以访问并控制服务器上的虚拟仪器，这样学生就能自由的安排自己物理实验。

忽视基本功。这种思维方式会让学生将来能够成为一个优秀的工程师，但很难成为科学家。而学习物理就是培养基本功。如果让学生能够具有深厚的基本功，笔者认为还是要让学生有充分的时间去练习和实践。科

参考文献】【

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作者简介：豆根生（１９７９．６—），男，河南濮阳人，解放军信息工程大学，在读硕士，主要研究方向：电子与通信工程。

４．结语

农科物理可视化教学可以在一定程度上提高教学的效果。老师在课时少、试验少的情况能更加有效的教授物理知识，并能拓展学生的思维方式。对学生操作实际仪器也具有帮助。但这种教学方法实现的本质是调用不同软件中的各种函数。这种调用的思维方式，会使学生

［责任编辑：翟成梁］

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