融合課程思政的綜合性力學(xué)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

邵家儒，楊 瑜

（重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，其中理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程是諸多工科專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，在機(jī)械、交通、航空航天、水利等工程技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。新時(shí)代背景下，力學(xué)課程的教學(xué)中面臨著價(jià)值引導(dǎo)和知識(shí)傳授的雙重任務(wù)。堅(jiān)持立德樹(shù)人，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人，是高校在新的歷史時(shí)期肩負(fù)的重要使命。課程思政建設(shè)是構(gòu)建全員、全過(guò)程、全方位育人格局的關(guān)鍵一環(huán)[1]。OBE建設(shè)理念要求教學(xué)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都應(yīng)該是學(xué)生畢業(yè)達(dá)到的學(xué)習(xí)效果，教學(xué)環(huán)節(jié)始終以學(xué)生為中心，對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，并持續(xù)改進(jìn)教育教學(xué)方式[2]。將OBE核心理念及課程思政元素融入力學(xué)課程的教學(xué)，是力學(xué)教師必須解決的問(wèn)題。

一般工科學(xué)生需要學(xué)習(xí)理論力學(xué)、材料力學(xué)，學(xué)習(xí)周期一般為一學(xué)年，知識(shí)點(diǎn)包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等。課程周期長(zhǎng)、知識(shí)點(diǎn)間存在較大跨度，課程的理論性較強(qiáng)，需要一定的邏輯思維能力。要想抓住課程熱點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情就必須堅(jiān)持以應(yīng)用為導(dǎo)向，將知識(shí)點(diǎn)與工程案例持續(xù)深入結(jié)合。除了知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)例題外，還需多個(gè)對(duì)學(xué)生有高度吸引力的工程案例。因此，深入研究力學(xué)課程的特點(diǎn)，探索線上與線下相結(jié)合，理論與應(yīng)用相結(jié)合，知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)相結(jié)合的力學(xué)課程案例庫(kù)，全力打造力學(xué)系列基礎(chǔ)課程思政示范課程，對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才至關(guān)重要。

案例設(shè)計(jì)可以以很多領(lǐng)域?yàn)樗{(lán)本，如汽車(chē)、橋梁、航空等。本文以某通航飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程為例，將力學(xué)課程的知識(shí)點(diǎn)如力系的簡(jiǎn)化與平衡、三種運(yùn)動(dòng)及速度加速度計(jì)算，拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形的基本特征及計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)貫穿始終，通過(guò)實(shí)實(shí)在在的工程案例，逐步拆解分析其蘊(yùn)含的力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，從而使學(xué)生建立課程自信。整個(gè)過(guò)程中課程思政元素隱性?xún)?nèi)化，不忘引導(dǎo)學(xué)生正確的人生觀和價(jià)值觀，激發(fā)其家國(guó)情懷。將相對(duì)枯燥的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中就能夠?qū)⒏髡鹿?jié)課程內(nèi)容對(duì)號(hào)入座，以實(shí)際應(yīng)用刺激其學(xué)習(xí)熱情。

1 以史為鑒，思政元素隱性?xún)?nèi)化

根據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行問(wèn)題創(chuàng)設(shè)，將中國(guó)歷史人物典型成就和貢獻(xiàn)等與課程內(nèi)容有機(jī)融合，著力引導(dǎo)學(xué)生的人生觀和價(jià)值觀。將胸懷大局、貫穿全面，精益求精，情懷擔(dān)當(dāng)，立德垂范等思政元素融入課程之中。進(jìn)一步強(qiáng)化育人意識(shí)，找準(zhǔn)育人角度，提升育人能力。案例講解之前，介紹中國(guó)飛機(jī)發(fā)展史[3]，展示我國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)和發(fā)展過(guò)程的艱辛，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷，并以此引出工程案例。

清朝末年，中國(guó)近代的航空活動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)，1840年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)之后國(guó)門(mén)打開(kāi)，人們逐漸開(kāi)始摸索中國(guó)的航空發(fā)展道路。1887年天津武備學(xué)堂數(shù)學(xué)教習(xí)華蘅芳設(shè)計(jì)了中國(guó)第一個(gè)氫氣球，辛亥革命后，有志于中國(guó)航空發(fā)展的愛(ài)國(guó)志士紛紛投身報(bào)效祖國(guó)。期間愛(ài)國(guó)華僑馮如獨(dú)立設(shè)計(jì)制造了飛機(jī)，并親自駕駛參加了在美國(guó)舊金山舉行的飛行比賽。1912年馮如因飛機(jī)失事而不幸離世，但他在早期世界航空史上為我國(guó)贏得了很高的聲譽(yù)。從1910年清政府在南苑設(shè)廠制造飛機(jī)到1949年新中國(guó)成立的近40年里，中國(guó)雖然有了一定的航空基礎(chǔ)，但從來(lái)算不上是獨(dú)立的航空工業(yè)。后來(lái)抗日戰(zhàn)爭(zhēng)與解放戰(zhàn)爭(zhēng)期間的破壞，使得中國(guó)的航空工業(yè)基礎(chǔ)蕩然無(wú)存。

通過(guò)發(fā)展史簡(jiǎn)介，激發(fā)學(xué)生對(duì)飛機(jī)制造的興趣，而飛機(jī)制造過(guò)程中本就包括諸多的力學(xué)元素，抽絲剝繭以此展開(kāi)，逐漸展現(xiàn)力學(xué)世界。

2 靜力分析，模型簡(jiǎn)化與平衡方程

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)計(jì)算、反復(fù)優(yōu)化、反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程。實(shí)際飛機(jī)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，通過(guò)模型簡(jiǎn)化，保留主要因素忽略次要因素則能更好地暴露出其內(nèi)在力學(xué)問(wèn)題。圖1為某固定翼飛機(jī)模型示意圖，由機(jī)身、機(jī)翼、蒙皮等結(jié)果組成。以機(jī)身為例，并不是所有位置都是主承力構(gòu)件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致如圖2所示，包含了很多支架、龍骨和桁條結(jié)構(gòu)。

圖1 某固定翼飛機(jī)模型

圖2 機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖

這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化就變成了力學(xué)中的常見(jiàn)模型，包含了如光滑面約束、光滑鉸鏈約束、固定端約束等，以此引入約束的概念，以及常見(jiàn)約束的約束力描述形式。以其中某個(gè)構(gòu)件為例，進(jìn)行受力分析，有的力是已知的，有的力是未知的，如何求解？由此可以引出力系的平衡計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可以分為匯交力系、平行力學(xué)及任意力系，根據(jù)力系的特點(diǎn)可以建立不同的平衡方程。有時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)需要還要對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，確定重心的位置，進(jìn)而引入空間力系及重心計(jì)算。至此，靜力學(xué)的知識(shí)基本涵蓋。

3 運(yùn)動(dòng)分析，速度與加速度計(jì)算

物體的運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)性，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述就需要先確定一個(gè)參考系，不同的參考系下物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般是不同的。以飛機(jī)為例，某人在飛機(jī)過(guò)道上行走，在不同的參考系下觀察人的運(yùn)動(dòng)，會(huì)得到不同的運(yùn)動(dòng)方程。以地面為參考系定義人的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，在飛機(jī)上觀察人的運(yùn)動(dòng)可稱(chēng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在地面上觀察飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)可稱(chēng)為牽連運(yùn)動(dòng)。以此分別給出三種運(yùn)動(dòng)的速度描述及速度之間的關(guān)系，即絕對(duì)速度=相對(duì)速度+牽連速度。在不同時(shí)間段里，飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)有變化，如何描述速度大小和方向的變化就需要加速度。加速度將力與運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系起來(lái)，并且以點(diǎn)為研究對(duì)象還是以剛體為研究對(duì)象，加速度合成定理是不同的，以此為插入點(diǎn)，引入加速度的計(jì)算方法。

4 模型拆解，常見(jiàn)的基本變形形式

物體在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度變形，在材料力學(xué)課程里，物體已經(jīng)不能再看作是剛體，結(jié)構(gòu)具有一定抵抗破壞、變形或保持直線平衡形態(tài)的能力，也就是所謂的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。不同受力狀態(tài)下物體的變形形式也多種多樣。飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有很多零部件，分別取其中典型的幾個(gè)部件依次解釋拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲及組合變形特征。將發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解，分析其變形特點(diǎn)，這樣學(xué)生在每章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，會(huì)自發(fā)地將知識(shí)點(diǎn)代入實(shí)際應(yīng)用中，一定程度上實(shí)現(xiàn)了以成果為導(dǎo)向，反向設(shè)計(jì)教學(xué)元素。

5 數(shù)值仿真，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)形象化

應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算是材料力學(xué)的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)中往往是各種應(yīng)力應(yīng)變公式的羅列，學(xué)生往往會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)枯燥的公式推導(dǎo)而降低學(xué)習(xí)熱情。因此必須將該部分內(nèi)容設(shè)計(jì)得更加形象。3D打印及數(shù)值模擬技術(shù)可以很好地解決該問(wèn)題。例如可以將飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的某些具有典型變形特征的結(jié)構(gòu)3D打印出來(lái)，同時(shí)應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，把幾種基本變形過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變化展示出來(lái)，如圖3（P134）給出了機(jī)身某位置膠結(jié)、單鉚釘、多鉚釘連接破壞形式。這樣學(xué)生可以有直觀的了解，觀察到結(jié)構(gòu)的力和變形是如何發(fā)生的，而這些應(yīng)力和應(yīng)變又可以通過(guò)課本上的公式計(jì)算出來(lái)，如此交叉融合可以達(dá)到提高學(xué)習(xí)熱情的目的。

圖3 機(jī)身某位置膠結(jié)、單鉚釘、多鉚釘連接破壞形式

6 結(jié)語(yǔ)

力學(xué)課程的教學(xué)中必須堅(jiān)持OBE理念，并融入課程思政元素。這對(duì)力學(xué)教學(xué)案例建設(shè)提出了更高的要求。以實(shí)際工程模型為基礎(chǔ)，反向設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中貫穿理論力學(xué)、材料力學(xué)的主要知識(shí)點(diǎn)，借助3D打印、數(shù)值仿真等技術(shù)將理論形象化，優(yōu)化傳統(tǒng)的力學(xué)案例教學(xué)模式，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)具有重要意義。