接觸力學教學中課程思政探討

王高琦 孫玉晶 王守仁 劉文濤

（1.濟南大學機械工程學院 山東·濟南 250022；2.齊魯工業大學（山東省科學院） 山東·濟南 250353）

近年來，課程思政已經成為高等教育及素質教育階段必不可少的組成部分[1]。機械工程學科的多門研究生課程也開展課程思政教改研究[2]。課程思政教改中需針對不同專業、不同課程的特點，擬定思政目標，以進行專業知識與思政的結合。本校為機械工程學科研究生開設接觸力學必修課，因此在該課程的思政教育方面進行了探討。

接觸力學是以彈塑性力學為基礎，研究固—固及固—液之間宏觀、微觀接觸中力學行為的基礎性學科，與摩擦學、表面工程聯系緊密，在結構安全設計、節能設計中必不可少[3]。接觸能夠傳遞機械力、表面力，能夠導電導熱，以及防止材料的流失等，其應用十分廣泛，例如軸承，齒輪，輪軌，離合器，剎車片，壓縮機，機加工，冷成型，人體植入物等。通過該課程的學習，使學生對接觸力學具有全面、系統的認識，為摩擦、潤滑及結構設計奠定理論基礎，能夠利用相關理論進行機械工程中關鍵零部件表面與結構設計。國內高校如清華大學、重慶大學、西南交通大學等均在機械學院為研究生開設該門課程。作為接觸、摩擦與潤滑的基礎理論之一，該門課程的學習將極大提高研究生的理論素養，提高學生解決工程問題的理論思維能力。為摩擦學方向的學生開設接觸力學課程，將摩擦學問題與經典力學結合起來，既反映了摩擦學領域接觸、黏著、毛細力、摩擦、潤滑和磨損等問題的研究進展，又著重介紹了從接觸力學角度認識摩擦學的新成果。

本門課程的授課對象是“摩擦潤滑理論及工程應用”“機械裝備設計與分析”“先進制造技術與裝備”等方向的研究生，無論學生畢業后是從事制造產業還是勇攀科研高峰，創新精神、科學觀、責任心等對于職業生涯的發展必不可少[4]。因此結合課程特點提出了接觸力學的思政目標為：創新精神、科學精神、工匠精神及愛國主義精神。為達到思政目標，將以下幾個思政元素有機融入接觸力學知識點中。

1 力學大師事跡

接觸力學中的很多公式是從彈塑性力學、材料力學中的基本公式推導而來，高等數學又是力學的基礎[5]。庫倫、赫茲、布拉德利等科學家在接觸力學這門力學分支的發展中做出巨大貢獻，這其中很多科學家不僅在接觸力學中，在數學、物理等其他學科中都有很大影響力。如，接觸力學中最著名的赫茲接觸公式來源于1882年德國理學家、力學家海因里希·魯道夫·赫茲發表的論文“On the contact of elastic solids（關于彈性固體的接觸）”。而赫茲最為大眾熟知的貢獻是他實驗證明了電磁波的存在，電磁波及其他所有波動頻率的單位赫茲（Hz）就是以他名字命名。他還發現了光電效應，是光量子理論的基礎。提出電荷間相互作用庫侖定律的C.A.de庫侖通過大量實驗建立了著名的滑動摩擦定律。因微積分中拉格朗日中值定理等數學公式而被學生熟知的法國著名數學家、物理學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）在彈性力學、接觸力學中也有歷史性的貢獻。通過對科學家生平故事的講述，可以使學生明白各個學科之間是相互聯系的，從而促進正確科學觀和科學精神的養成。而通過對力學理論建立過程的分析，可以讓學生了解公式背后的故事，深刻理解枯燥的公式的來歷，通過復盤科學家的思考、實驗及推理推導過程，使學生對力學的理論有更加生動形象的認識，對于理論創新過程有深刻的認識，產生學習興趣和動力。如赫茲發展接觸力學基本公式理論的過程就很有啟發意義，首先赫茲進行了實驗觀察，在棱鏡上放置一個玻璃球，在玻璃球和棱鏡的相互作用下，出現了象征彈性變形的橢圓形牛頓環。他假設二者之間的壓力亦為橢圓形分布，根據假定的橢圓形壓力推導出棱鏡的位移，并計算出牛頓環。將實驗觀察到的牛頓環尺寸形狀與理論計算出的進行對比，驗證了理論的準確性。最終，赫茲通過實驗與基于彈性理論的公式推導，建立了經典的接觸力學的基本公式，得到了載荷、接觸物體形狀及彈性性質、接觸應力、應變及位移之間的關系，并沿用至今。

2 學科發展史

力學伴隨著人類的發展，在生產實踐過程中人們對其認識逐漸加深。在日常生活中、機械裝備中，物體間的接觸與相對摩擦是不可避免的，接觸力是無處不在的。所以授課過程中講述力學發展史，通俗地闡述各個力學分支之間的關系，不但讓學生了解人類對力學認知過程，還能讓學生理解接觸力學的內涵和應用范圍，從而形成正確的力學觀和科學觀。從達·芬奇在1490年代對于兩個物體件接觸與摩擦現象的實驗觀察以及1690年代阿蒙頓對于接觸摩擦理論的探索開始，接觸力學已有幾百年的歷史。這幾百年中，胡克定律、牛頓經典力學的提出促進了接觸力學的發展，歐拉、庫倫、赫茲、布拉德利等力學大師不斷將接觸、摩擦中的力學理論進行完善，近幾十年中，接觸力學發展迅速，我國力學科學家徐芝綸、徐秉業等功不可沒。以接觸力學為基礎的摩擦學在近年來也得到快速發展，如溫詩鑄院士建立了彈流潤滑、薄膜潤滑理論，推動了現代摩擦潤滑設計的發展。

3 接觸力學與摩擦學前沿

接觸力學作為一門基礎力學，其應用也非常廣泛。隨著我國航空航天、載人深潛、武器裝備等對于現今裝備的需求不斷提高，適合于真空、高壓、高溫、極寒等特殊環境的先進復合材料、非均質材料、功能梯度材料、復合涂層等不斷出現。國內外力學家也致力于探索各種新材料類型在復雜受力環境下的接觸力學行為，新理論、新模型、新成果不斷涌現。清華大學摩擦學重點實驗室對于超滑的研究一直走在世界前沿，蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室關于固體潤滑的研究為我國航空航天事業作出了重要貢獻，江雷院士等科學家對于超浸潤表界面的基礎研究催生了大量顛覆性的前沿技術。在授課時為學生講述接觸力學與摩擦學的最新進展，可以開闊學生的視野，極大激發學生投入科學研究的興趣和決心。

4 制造業工匠精神榜樣

早在我國傳統經典著作《莊子》中，就出現了推崇工匠精神的庖丁解牛、匠石運斧等故事，古代匠人的能具有至高技藝，主要源于他們通過日復一日的訓練與思考，把握了勞動對象的根本規律。當代大國工匠胡雙錢、高鳳林、桑仁龍等，也在其行業中達到了古代匠人鬼斧神工的境界。在接觸力學的講授中，可以講述這些工匠的事跡，讓學生們明白，求解力學問題的過程中也要秉承工匠精神，嚴謹、認真，參透每一個公式、原理，才能融會貫通，在遇到實際問題的時候才能如“庖丁解牛”一般游刃有余。

5 科學家的愛國主義情懷

經過七十多年的奮斗和探索，中國已經逐漸擺脫了貧窮、落后的半殖民地半封建社會，迅速成長為世界第二大經濟體，充滿了經濟活力與創新動力。特別是進入二十一世紀，科技創新成為我國發展的強大推力，而科學家是創新的主要群體。在接觸力學教學中，可以講述推動我國科技發展的愛國力學家，如錢學森、錢偉長、郭永懷等愛國奮斗的故事，激發學生的愛國主義情懷。

6 結束語

將力學大師事跡、學科發展史、接觸力學與摩擦學前沿、制造業工匠精神榜樣、科學家的愛國主義情懷等融入接觸力學教學，可進一步激發學生的創新精神、科學精神、工匠精神、愛國主義等優良品質，為國家培養擔當作為、求真求實、勇于創新、具有家國情懷的力學人才，為世界文明發展貢獻中國智慧。