自然辯證法與結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)

摘要：自然辯證法與結(jié)構(gòu)力學(xué)課程關(guān)系密切，將自然辯證法融入結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，運(yùn)用辯證法分析和解決問(wèn)題。文章通過(guò)幾個(gè)具體事例，探討了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法與自然辯證法三大規(guī)律的融合。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；自然辯證法；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G6420；TU311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2012）06011604結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)課程（理論力學(xué)和材料力學(xué)）與工程設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程（鋼筋混凝土設(shè)計(jì)原理、鋼結(jié)構(gòu)、橋梁工程、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)抗震等）的橋梁與紐帶，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中占有重要地位。目前，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)改革僅從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及考核方式等方面提出改革思路［1-4］，而對(duì)自然辯證法的哲學(xué)原理與方法論［5］如何應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)核心知識(shí)體系［6］的研究較少。教師在力學(xué)課程教學(xué)中，也只注重力學(xué)知識(shí)的傳授，習(xí)題的講解，忽略了力學(xué)課程教學(xué)與自然辯證法的聯(lián)系，不利于學(xué)生全面發(fā)展與教師教學(xué)水平提高。自然辯證法［7］從19世紀(jì)70～80年代恩格斯創(chuàng)立以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)自然科學(xué)、人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)與思維科學(xué)相交叉的哲學(xué)性質(zhì)學(xué)科。自然辯證法從辯證唯物主義的自然觀、認(rèn)識(shí)論、方法論與價(jià)值觀方面，研究辯證唯物主義自然觀、科學(xué)觀與科學(xué)方法論、技術(shù)觀與技術(shù)方法論、科學(xué)技術(shù)與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，是科學(xué)技術(shù)研究的思想理論基礎(chǔ)，是培養(yǎng)有深厚理論基礎(chǔ)、有戰(zhàn)略眼光、具備文理綜合素質(zhì)高級(jí)人才的思想理論基礎(chǔ)［8］，同時(shí)也契合《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范》提及的具有人文、科學(xué)與工程綜合素質(zhì)面向未來(lái)的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才的培養(yǎng)要求［9］。因此，文章將自然辯證法理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)，順應(yīng)社會(huì)與時(shí)代發(fā)展的要求，是教學(xué)改革與時(shí)俱進(jìn)的結(jié)果。

一、對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律

在自然辯證法的三大規(guī)律中，對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律（也稱(chēng)為矛盾規(guī)律）處于核心地位，矛盾是指客觀事物本身所固有的既對(duì)立又統(tǒng)一的本性及其在人們頭腦中的正確反映。矛盾的統(tǒng)一性和對(duì)立性相互聯(lián)系，不可分割，在分析矛盾和處理矛盾時(shí)，必須把統(tǒng)一性和對(duì)立性有機(jī)結(jié)合，在對(duì)立中把握統(tǒng)一，在統(tǒng)一中把握對(duì)立，反對(duì)形而上學(xué)的片面性。

例如，在講結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析的三個(gè)規(guī)則時(shí)，既要看到三剛片規(guī)則、兩剛片規(guī)則和二元體規(guī)則在分析問(wèn)題上的不同，又要學(xué)會(huì)看到三個(gè)規(guī)則之間的聯(lián)系，即可以看成一個(gè)整體——三角形規(guī)則。針對(duì)具體問(wèn)題，既要看到有些問(wèn)題只能利用其中一種規(guī)則分析的對(duì)立性，又要看到一些問(wèn)題均可以用三個(gè)規(guī)則分析的統(tǒng)一性，分別舉例講解，避免學(xué)生“不識(shí)三則真面目，只緣身在一則中”的困惑。

又如，講到超靜定結(jié)構(gòu)2種基本計(jì)算方法：力法和位移法時(shí)，既要讓學(xué)生看到這2種方法計(jì)算原理上的對(duì)立性，又要讓學(xué)生看到計(jì)算步驟上的統(tǒng)一性。二者的對(duì)立統(tǒng)一如圖1所示。

圖1力法與位移法的對(duì)立統(tǒng)一特性

二、質(zhì)量互變規(guī)律

辯證法認(rèn)為，事物的發(fā)展是通過(guò)量變和質(zhì)變及其相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的。質(zhì)量互變規(guī)律揭示了事物發(fā)展的形式和狀態(tài)。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

周海龍，等自然辯證法與結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)

量變是事物數(shù)量的增減或者空間排列次序的變化，質(zhì)變是事物根本性質(zhì)的變化，量變和質(zhì)變是辯證統(tǒng)一的。事物的發(fā)展是量變和質(zhì)變、連續(xù)性和間斷性的辯證統(tǒng)一。在實(shí)際教學(xué)中，既要有合理的教學(xué)計(jì)劃，又要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際掌握程度量力而行；既要重視課堂上同類(lèi)型例題的講解，又要注意新內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

例如，在講平面體系的幾何組成分析時(shí)，根據(jù)幾何組成分析規(guī)則，可知原體系為幾何組成且無(wú)多余聯(lián)系，圖2（a）所示。但當(dāng)將EC桿和CF桿分別移動(dòng)到與AE桿和BF桿所在直線上時(shí)，如圖2（b）所示，則體系的性質(zhì)將發(fā)生變化，由原來(lái)的幾何不變體系變?yōu)楝F(xiàn)在的瞬變體系。

這其中蘊(yùn)含質(zhì)量互變規(guī)律的自然辯證法原理：2個(gè)體系中的桿件數(shù)量沒(méi)有發(fā)生變化，只是排列方式變化或者桿件尺寸改變，就會(huì)帶來(lái)不一樣的結(jié)果，前一種體系可以作為結(jié)構(gòu)，后一種體系不可以作為結(jié)構(gòu)。

圖2兩種不同性質(zhì)的體系

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)基本要求（A類(lèi)）指出結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)包括4個(gè)方面：分析能力、計(jì)算能力、判斷能力和自學(xué)能力［10］?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)是對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)中基本計(jì)算方法的掌握和計(jì)算能力的培養(yǎng)，程序結(jié)構(gòu)力學(xué)是對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的使用能力，定性結(jié)構(gòu)力學(xué)是對(duì)結(jié)構(gòu)的理解、分析、判斷和選擇的能力?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)中知識(shí)的學(xué)習(xí)是對(duì)學(xué)生的最初級(jí)要求，是自然科學(xué)知識(shí)體系方面量的積累；程序結(jié)構(gòu)力學(xué)中的知識(shí)幫助學(xué)生學(xué)會(huì)程序閱讀，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是工具知識(shí)體系方面量的積累；定性結(jié)構(gòu)力學(xué)是對(duì)學(xué)生力學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，是對(duì)結(jié)構(gòu)的宏觀理解和本質(zhì)把握，這是結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的最終目標(biāo)，是感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)質(zhì)的飛躍。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容是質(zhì)和量的統(tǒng)一。

三、否定之否定規(guī)律

（一）辯證的否定

唯物辯證法認(rèn)為，否定是事物的自我否定，它是事物發(fā)展過(guò)程中具有決定作用的環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)就是揚(yáng)棄。辯證的否定觀具有重要的方法論和意義，對(duì)事物不能簡(jiǎn)單地肯定一切或否定一切，而要依據(jù)事物的內(nèi)在矛盾運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的規(guī)律具體分析。

例如，在講結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的內(nèi)容時(shí)，首先應(yīng)講解積分法，然后再講圖乘法。通過(guò)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易混淆積分法和圖乘法的區(qū)別與聯(lián)系，認(rèn)為兩者都可以對(duì)同一問(wèn)題求解，不會(huì)有所側(cè)重或互相結(jié)合去解題，甚至有些學(xué)生將軸力圖與剪力圖也進(jìn)行圖乘法運(yùn)算，學(xué)習(xí)了圖乘法，忘掉了積分法，出現(xiàn)這些問(wèn)題就是沒(méi)有理解這2種計(jì)算方法的區(qū)別與聯(lián)系。結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的積分法，是根據(jù)變形體系的虛功原理得出的一般公式：

Δk=∑∫Ndu+∑∫dθ+∑∫Qγ0ds－∑RC。

自然辯證法認(rèn)為任何事物內(nèi)部都包含肯定和否定兩方面。結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算方法也不例外，積分法在計(jì)算結(jié)構(gòu)位移上值得肯定的是應(yīng)用范圍廣。表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）從變形類(lèi)型看，可以考慮彎曲變形、軸向變形、剪切變形和支座位移。

（2）從變形原因看，可以考慮荷載作用、溫度改變、支座移動(dòng)等不同原因引起的位移。

（3）從結(jié)構(gòu)類(lèi)型看，可用于計(jì)算梁、剛架、桁架、拱等各種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的位移，靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)都適用。

（4）從材料性質(zhì)上看，可用于彈性材料，也可用于非彈性材料。

否定的方面是積分法計(jì)算需要列出實(shí)際狀態(tài)和虛擬狀態(tài)下的內(nèi)力方程，當(dāng)桿件多、荷載復(fù)雜時(shí)，積分運(yùn)算相當(dāng)復(fù)雜，而且容易出錯(cuò)。于是1925年莫斯科鐵路運(yùn)輸學(xué)院的學(xué)生Vereshagin提出圖乘法概念，他發(fā)現(xiàn)利用積分法計(jì)算荷載作用下梁和剛架等以彎曲變形為主的結(jié)構(gòu)位移時(shí)，可以將積分運(yùn)算轉(zhuǎn)化為代數(shù)和的運(yùn)算形式：

Δkp=∑∫MkMPds12EI=∑ωyC12EI。

圖乘法不需要列出實(shí)際狀態(tài)與虛擬狀態(tài)的內(nèi)力表達(dá)式，利用2種狀態(tài)下的彎矩圖進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算速度快，而且應(yīng)用非常方便。同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到圖乘法的局限性，即應(yīng)用時(shí)要滿(mǎn)足一定的條件：（1）桿件為等截面直桿；（2）EI為常數(shù)；（3）Mk、Mp圖形中至少有1個(gè)為直線圖形。

計(jì)算梁和剛架在荷載作用下的位移時(shí)，圖乘法保留了這種結(jié)構(gòu)的主要變形——彎曲變形，而軸向變形和剪切變形從工程應(yīng)用角度對(duì)位移的影響很小，可以忽略，這從哲學(xué)角度上稱(chēng)為“揚(yáng)棄”。把握了否定的實(shí)質(zhì)，是正確理解辯證否定的關(guān)鍵。

例如，結(jié)構(gòu)力學(xué)中桁架位移計(jì)算法包括結(jié)點(diǎn)法、截面法、結(jié)點(diǎn)截面聯(lián)合應(yīng)用法，其中結(jié)點(diǎn)截面聯(lián)合應(yīng)用法是對(duì)前兩種方法的一種辯證否定。超靜定結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的基本方法有力法和位移法，根據(jù)具體情況，可以采用力矩分配法、無(wú)剪力分配法、矩陣位移法等，力矩分配法、無(wú)剪力分配法和矩陣位移法，其理論基礎(chǔ)都是位移法。計(jì)算連續(xù)梁和無(wú)結(jié)點(diǎn)線位移的剛架時(shí)，采用力矩分配法更方便；對(duì)有結(jié)點(diǎn)線位移的剛架，可以考慮位移法與力矩分配法聯(lián)合應(yīng)用求解；除無(wú)側(cè)移桿外，其余桿為剪力靜定桿時(shí)，采用無(wú)剪力分配法更適宜；利用計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力時(shí)，則體現(xiàn)出矩陣位移法優(yōu)勢(shì)。這些知識(shí)點(diǎn)都滲透著自然辯證法中辯證否定的思想，去其糟粕，取其精華，保留新事物中一切有利于事物發(fā)展的積極因素，從而保證發(fā)展過(guò)程的連續(xù)性。

（二）否定之否定

事物的發(fā)展都是通過(guò)否定實(shí)現(xiàn)的，辯證的否定不是一次完成，而是事物自我發(fā)展、自我完善的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，事物的發(fā)展經(jīng)過(guò)三個(gè)階段兩次否定，即由肯定到否定，再由否定到否定之否定。在這個(gè)周期中，事物的發(fā)展經(jīng)過(guò)兩次辯證的否定，表現(xiàn)為螺旋式上升和波浪式前進(jìn)［11］。

例如，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)手段的發(fā)展過(guò)程是：“板書(shū)為主”到“多媒體為主、板書(shū)為輔”再到“多媒體為輔、板書(shū)為主”，其體現(xiàn)的就是否定之否定的發(fā)展過(guò)程。過(guò)去計(jì)算機(jī)技術(shù)還不夠成熟，教師的講解主要是通過(guò)板書(shū)，速度較慢，但便于師生交流、利于教學(xué)互動(dòng)，教師從學(xué)生的課堂反應(yīng)中能及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒、理解程度、出現(xiàn)的問(wèn)題及癥結(jié)等，并可及時(shí)采取對(duì)策，發(fā)揮教師的主導(dǎo)性，使學(xué)生可以與教師思維同步。由此可見(jiàn)，“板書(shū)為主”的教學(xué)手段曾在教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

20世紀(jì)末，隨著大土木專(zhuān)業(yè)體系的建立，人才培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂窕A(chǔ)、寬口徑”，結(jié)構(gòu)力學(xué)的授課學(xué)時(shí)也由原來(lái)的120～140學(xué)時(shí)壓縮到80學(xué)時(shí)，原來(lái)教學(xué)大綱的內(nèi)容按傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以完成。隨著新技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)廣泛應(yīng)用，給傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)補(bǔ)充了新內(nèi)容。多媒體教學(xué)由于授課信息量大，可將大量的工程實(shí)例引入課堂，教學(xué)效率高，解決了內(nèi)容多學(xué)時(shí)少的矛盾。對(duì)復(fù)雜的工程實(shí)例，教師無(wú)法用語(yǔ)言來(lái)描述，可以采用多媒體手段演示，把實(shí)際的結(jié)構(gòu)與抽象后的計(jì)算簡(jiǎn)圖相聯(lián)系，加強(qiáng)了教學(xué)良性互動(dòng)，提高了教學(xué)效率，彌補(bǔ)了以“板書(shū)為主”教學(xué)手段的不足，發(fā)展成為“多媒體為主、板書(shū)為輔”的組合式教學(xué)手段。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程計(jì)算量大，基本原理需通過(guò)具體例題講解，宜采用“多媒體為主、板書(shū)為輔”的教學(xué)手段。

近幾年，由于招生規(guī)模擴(kuò)大，學(xué)生整體素質(zhì)下降，學(xué)生的基本計(jì)算能力與分析問(wèn)題能力較差，難以跟上多媒體教學(xué)節(jié)奏，學(xué)生更希望教師利用黑板進(jìn)行公式推導(dǎo)和具體例題講解。另外隨著社會(huì)發(fā)展速度加快，教師的社會(huì)壓力增大，教師待遇又普遍偏低，部分教師在教學(xué)同時(shí)從事一些兼職工作，于是不可能全身心投入教學(xué)，整體教學(xué)質(zhì)量有所下降。在此背景下，學(xué)校鼓勵(lì)教師采用“多媒體為輔，板書(shū)為主”的新形式。

教學(xué)中讓學(xué)生體會(huì)到“板書(shū)—多媒體—板書(shū)”的過(guò)程就是螺旋式上升的過(guò)程，是一個(gè)揚(yáng)棄的過(guò)程。雖然看似回到了板書(shū)的教學(xué)方式，但實(shí)質(zhì)是對(duì)單一板書(shū)的否定，吸取板書(shū)在教學(xué)上的積極因素，消除消極因素，增加了多媒體輔助教學(xué)的內(nèi)容，每經(jīng)過(guò)一次否定，都加進(jìn)了富有生命力的新內(nèi)容，從而使事物達(dá)到更高的水平。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法是在教學(xué)過(guò)程中長(zhǎng)期形成的創(chuàng)造性成果，其中蘊(yùn)含深厚哲理，因此，結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)不僅是知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，更是科學(xué)哲理的探索過(guò)程。教學(xué)中運(yùn)用自然辯證法、美學(xué)理論等將是對(duì)力學(xué)教學(xué)的升華，同時(shí)，也對(duì)專(zhuān)業(yè)課教師的哲學(xué)修養(yǎng)提出了更高要求。

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［9］高等學(xué)校土木工程學(xué)科專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

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