工程力学课程思政案例四则

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如何在专业课教学中开展课程思政教学一线教师所必须面对的问题,如果仅仅是为了满足课程思政的教学要求,强行在专业课教学中引入思政内容,将会使得课程思政“表面化”和“形式化”。这可能会使得课程思政达不到它的育人目标。本文尝试给出可融入工程力学课程的课程思政四例,请各位老师和同学批评指正。

案例一  低碳钢拉伸曲线的育人启示

低碳钢拉伸曲线是材料力学部分的重要知识点,是认识材料力学性能的重要基础知识。相关知识点说明:低碳钢在拉伸时会表现出弹性阶段、屈服流动、强化阶段和颈缩阶段四个典型特征。如果把材料变形视为人才培养中的可塑性表现,将人才培养中老师的引导作用视为外力、学生的学习状态视为内部变形,人才培养也存在如同低碳钢变形的四阶段。

如图所示,首先,学生学习一门知识一般是他发现了知识的有用性(生存需求,或者是取悦自己),本阶段的教学特征是必须让学生明白所学的东西有用他才学,所谓学以致用,如果意识不到有用学生就很难去学习,我们称这一阶段为人才培养的“致用阶段”。致用阶段如弹性变形,教师引导多一点学生的学习就会多一点,如果没有教师引导,学生的学习有可能回到原点。

其次,当学生经过第一阶段对知识有用性的认识之后,学生开始产生一定的兴趣,这时学生对教师的依赖作用相对减弱,学生可以自学为主,我们称这一阶段为“兴趣阶段”。兴趣阶段如塑形流动,学生对某一问题产生兴趣后,教师就不需要再增加引导的强度,学生会在一定范围内自己学习,并对他产生终生影响。

再其次,随着学习的深入,学生有可能因学习难度增加,再加之自身疲惫,出现厌学状态,我们称这一阶段为“厌学阶段”。这一时期对于师生双方都是困难期,老师将要付出比平时更多的耐心引导和鼓励学生,但也在注意到这一阶段对学生的影响最大。

最后,学生经历了厌学阶段之后的再次突破,实现了被动学习向主动学习的转变,这一阶段即便在没有教师引导的情况下,也可以实现自主学习,我们将该阶段称之为“主动学习阶段”。

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将学生的学习态度划分为致用、兴趣、厌学、主动四个典型阶段,可帮助教师和学生理解学生心智的发展历程、遵循学生学习状态的转变规律,在不同阶段做出合理的调整。同时也让学生了解自己的成才规律,做到心中有数,不轻言放弃。

学习就是这四个阶段不断演变、发展、转换的过程。例如,对于某一门课,学生在学习中经历了四个阶段,实现了主动学习,而再学一门课又可能需要重新再经历一次;在A课程上已经进入了兴趣阶段,结果在B课程上的厌学又影响到A课程的学习。人才培养本就是一个反复磨砺的过程,正如一件上好的兵器需要千锤百炼一样,高校要培养一流的人才社会于服务更需要千锤百炼。

案例二  应力集中与“防怨于未然

应力集中是材料力学部分的重要概念,它指在构件沟槽、孔和圆角等局部变化位置,应力急剧增大的现象,此时构件中的最大应力将远远超过平均应力,如图7所示,定义应力集中下最大应力与平均应力的比值为应力集中系数,可见,应力集中系数越大,对构件造成潜在威胁也越大。

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有趣的是,我国北齐时期文学家刘昼(字孔昭,514-565)对此有深入的观察,他在《慎隙》中写道:“墙之崩隤,必因其隙;剑之毁折,皆由于璺。”这里,隙和璺都表示裂纹,说明墙的倒塌、剑的毁折,都是由于其中的裂纹所引起的。

当然,刘昼提到裂纹时,并不是在讲应力集中的危害,而是将人的“怨”视为一个人成长过程中的“裂纹”,指出“过者,怨之梯也;怨者,祸之府也。”人生中的灾祸,多因积怨过多而成。“防怨不密而祸害臻(意思是到达)焉”,如果不严密防范自己心中的“怨”,祸害很快就会全部来到。

韩信年少时受胯下之辱,在他做了将军之后,讲起当年的事说:我当时并不是怕他,而是没有道理杀他,如果杀了他,也就不会有我的今天了。人在成长中总会遇到一些不如意的事。正如别人的批评、质疑、遭遇不公,甚至是羞辱,如果因此而生“怨”,任由“怨”之生长,就如同任由裂纹之生长,那么自身的“强度”也将会降低很多,极易被摧毁。

案例三  平衡力系中的团队协作

力与物体平衡是静力学的核心知识点,在知识学习上要求学生掌握物体的受力分析、能建立质点和刚体的平衡方程,并能对简单的工程问题进行定量分析。

学习相关知识点后,为了提高学生的学习兴趣,可选择了马来西亚兰卡威的Gunung Mat Cincang 峰顶的兰卡威天桥(2005年建成)作为力系平衡的例题。如图所示,兰卡威天桥是马拉西亚著名的旅游圣地,桥梁壮美、景色宜人。桥梁全长125m,桥面宽1.8m(中间观景区略宽),由钢桁架和混凝土板组成。

在受力分析中,可分别选择主塔、桥面和桥梁整体为研究对象,进行一题多解,又能增强解决复杂工程问题的能力。依据兰卡威天桥的受力特点,绘出结构示意图。若考察桥塔平衡,可取塔顶节点为研究对象,建立空间共点力系平衡;若考察桥面平衡,可选择桥面为研究对象,可建立空间任意力系的平衡方程;也可以桥梁、主塔、索缆组成的桥梁系统为研究对象分析各约束点的受力情况。

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在题目讲解结束后,请同学们思考:在兰卡威天桥中是主塔成就了桥梁,还是桥梁成就了主塔,得以矗立在群山之中?

显然桥梁与主塔是相互依存关系,它们组成了一个桥梁系统的“命运共同体”,没有主塔的承载就不会有“凌空虚度”的桥面,没有桥面的张拉约束,也不会有“傲然屹立”的主塔,正是主塔与桥梁的相互协作,才成就了彼此,共同展现出了兰卡威天桥的“壮美”。

这给予我们的启示在于,当我们组成一个集体时,一定要有集体意识,通过成员之间的相互协作,让集体在更加宏观的层面展现出一种“壮美”。另一方面,集体成员之间又要彼此关爱,因为作为“命运共同体”的组成部分,对集体任何一分子的损害也会影响到集体内部其它相关成分。这体现了团队协作和彼此关爱的重要性。

 

案例四  力学史中的批判性思维

梁的中性层是研究梁弯曲变形的重要概念。如图所示,梁发生弯曲变形时,下层纤维受拉、上层纤维受压,从受拉一侧到受压一侧必然存在一层既不受拉,又不受压的中间纤维层,这一层上纤维保持与变形前相同、且应力为零,被称为梁的中性层。看似如此简单的概念,在力学发展史,却耗费力学家将近200年的时间,其中每一次的进步都建立在对前人研究的批判与继承。

有关梁理论的发展,最早人们关注的是梁的强度问题,这一时期的代表人物是意大利的伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)和英国的马略特(Edme Mariotte, 1620-1684),由于他们只关心梁的强度问题,伽利略认为梁截面上的应力是平均分配的,没有中性层的概念。

 

马略特虽然考虑了中性层,但他认为梁的中性层是梁的最下面一层。1687年,英国科学家胡克(Robert Hooke, 1635-1703)才指出,梁在弯曲时,一侧纤维伸长,另一侧纤维倍压缩,但胡克并没有对中心层进行深入的研究。

 

直到1713年,法国力学家帕朗(Antoine Parent, 1666-1716)才开始认真的分析梁的中性层,但他认为对于矩形截面梁,受拉一侧与梁总高度的比值为9:11,虽然这一关系仍然不正确,但是相比于他的前人,这已经有了巨大的进步。

 

1773年,库伦(Charles-Augustine de Coulomb, 1736-1806)正确的用静力学方程分析来研究梁的内力,并对梁截面上力的分布有了清晰的认识,这为中性层概念的完善奠定了坚实的基础。随着精确实验技术的发展,人们对中性层的认识越来清晰。

 

到1826年,法国力学家纳维(Claude-Louis Navier, 1785-1836)将梁的变形限定在弹性范围内,正确的给出了梁截面惯性矩的概念,并正确的将中性层定义为:“当材料服从虎克定律时,中性轴通过截面的形心”。至此,关于梁的中性层、以及正确的应力分布问题才算尘埃落定。

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力学概念和理论的发展都是几代力学共同付出的结果,都是后人在前人研究基础上的不断完善和改进。这启示我们,在学习中要敢于和善于发展现有知识体系、或实践应用中的不足,有意识的培养批判性思维。

 

实际上,大多数创新都是先对已有成果“不满意”,然后再提出改进方案,如果能经得住考研,就成为了创新。在基础力学教学中,融入力学史素材,不仅有助于学生理清知识点的来龙去脉,同时也还可以培养学生动态认识知识体系框架,从而形成自身独立思考的能力,最终形成完善的个人思想素质和人格品行。

 

原文始发于微信公众号(力学酒吧):工程力学课程思政案例四则

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slduo
  • 本文由 发表于 2022年5月29日08:30:32
匿名

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