材料力學課程思政教學實踐1)—— 以“壓桿穩(wěn)定” 為例

曲淑英 盧龍玉 宋 良， 費迎紅

*(工程力學國家級虛擬仿真實驗教學中心(煙臺大學)，山東煙臺 264005)

?(煙臺大學機電汽車工程學院，山東煙臺 264005)

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議的講話中明確指出：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治理論親和力和針對性，滿足學生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課程要守好一段渠，種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應[1]”?？倳浀闹匾撌?，為我們開展課程思政建設提供了根本遵循，指明了努力方向。

立德樹人是高等教育的根本任務，課程思政建設是教育教學的重要內(nèi)容。高校所有教師都應履行育人職責，所有課程都應發(fā)揮育人功能。思想政治課與學科專業(yè)課程同向同行，形成協(xié)同效應是立德樹人的內(nèi)在要求，挖掘理工類課程育人價值是同向同行、協(xié)同效應的重要途徑[2]。

2020 年6 月教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出：“落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可分割。全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，這是人才培養(yǎng)的應有之義，更是必備內(nèi)容”，“要結合專業(yè)特點分類推進課程思政建設。理學、工學類專業(yè)課程要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養(yǎng)結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力”。與思政課程不同，課程思政主要發(fā)掘各門課程所蘊涵的思政教育元素，實現(xiàn)思政教育與知識傳授的有機統(tǒng)一，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀[3]。

1 基礎力學課程思政建設中存在的問題

材料力學是土木、機械、交通等理工科專業(yè)的核心課，也是工程領域進行創(chuàng)新研發(fā)的理論基礎，許多工程領域的核心技術問題往往可以歸納為力學問題[4]。該課程概念抽象、假設多、公式繁[5]，原本精英教育下的學生就不易學好，對擴招后地方高校的學生來說更是一門頭疼課。要在材料力學課程的教學過程中，既要綜合培養(yǎng)學生知識能力、明辨思維、價值判斷、審美情趣、人文情懷、科學精神、國際視野、責任意識等[6]，又要讓學生通過課程的學習，從科學經(jīng)典中求“真”，哲學經(jīng)典中問“善”，藝術經(jīng)典中見“美”，從而陶冶情操，提升境界，達到“腹有詩書氣自華” 的效果[7-8]，這是教育部力學基礎課程教學指導分委員會承擔的“中國高?！鹫n’ 建設推進平臺計劃”子課題“基礎力學課程思政建設的研究與實踐”的主要研究內(nèi)容，也是本屆中國力學學會力學史與方法論專業(yè)委員會探討的重要課題之一。

在承擔這些課題的調研過程中，力學基礎課程教指委發(fā)現(xiàn)目前高校的基礎力學課程思政建設中還存在“傳道” 與“授業(yè)” 相分離、“德育” 與“智育”相脫節(jié)的現(xiàn)象；課程思政建設還存在不平衡、不充分的問題，部分教師對課程思政的認識僅停留于基礎性認知層面，只簡單地喊口號、貼標簽，課程思政建設形式多于內(nèi)容，質量有待提高；部分教師簡單地認為課程思政就是在課程教學中增加思政課內(nèi)容，有違課程思政的初衷。

2 知識講授中融入課程思政元素

在實施思政教育與課程目標的融合中，堅持做到思政元素要像鹽溶于湯中，渾然一體，而不是物理焊接，更不是堆砌，從而使學生自然接受思政理念，引起情感共鳴，激勵其學習的內(nèi)生動力，有效促進課程知識的理解、掌握、拓展與深化。以下是本次課堂的開展情況。

2.1 目標導向與引入

壓桿穩(wěn)定是課程內(nèi)容的重點、難點。通過本節(jié)內(nèi)容的學習，要使學生能準確理解壓桿失穩(wěn)的概念，熟練掌握壓桿臨界壓力的計算方法和分析手段，全面提高學生解決復雜工程問題的應用能力。但與材料力學課程前置內(nèi)容中學生熟悉的解決強度、剛度問題的分析方法白箱法(層層剝筍法) 不同，在復習構件強度、剛度綜合設計的基礎上，為調動學生的主動性，我們的做法是先通過網(wǎng)上預習，給學生一些生活、工程中常見的現(xiàn)象、問題。例如，讓學生以已有的知識按強度條件計算鋼板尺的承壓能力，對于一長為300 mm 的鋼板尺，學生按強度條件計算得到鋼板尺所能承受的軸向壓力可以到達4 000 N，而實質上使用40 N 的壓力時，鋼尺就已經(jīng)被壓彎而失去承載能力。通過對比分析，引導學生提出穩(wěn)定性的概念。同時結合任務驅動法，通過觀看網(wǎng)絡教學平臺上小鋼球在凹面、平面、凸面的運動特性演示動畫，讓學生整理實驗現(xiàn)象，查閱相關內(nèi)容，初步分析本次課堂要討論的“壓桿穩(wěn)定” 的問題。

2.2 思政元素切入點

在“壓桿穩(wěn)定”知識內(nèi)容講授過程中，按傳統(tǒng)課堂講授模式和邏輯順序，本文總結出以下幾個遞進性知識點和思政切入點。

(1)穩(wěn)定現(xiàn)象。穩(wěn)定性概念對于初學者來說是相對抽象的概念，蘊含著深刻的辯證法原理：自然界和人類社會中萬事萬物多處于靜止的穩(wěn)定狀態(tài)中，事物及系統(tǒng)狀態(tài)會隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)展演化，表現(xiàn)出穩(wěn)定平衡、隨遇平衡、不穩(wěn)定平衡。這里包含“隨遇平衡”這一過渡、臨界狀態(tài)的初步闡述，為后面歐拉臨界力的分析與應用打基礎。

(2)失穩(wěn)啟發(fā)。依據(jù)三種平衡形態(tài)的分析來判斷壓桿的穩(wěn)定性，必須使研究對象偏離原來的平衡位置，即干擾力的作用是壓桿穩(wěn)定分析的切入點。這里要引導學生注意軸向壓力和橫向干擾力的關系，即內(nèi)因和外因的關系問題，使學生養(yǎng)成以動態(tài)的眼光多視角看問題，培養(yǎng)透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質規(guī)律的能力。引導學生得出，在穩(wěn)定問題的分析中，應先根據(jù)約束情況及變形形態(tài)設想結構的一種失穩(wěn)狀態(tài)(極限狀態(tài))，然后在失穩(wěn)狀態(tài)中通過考慮力和矩的平衡去分析判斷臨界載荷。

(3) 力學建模。結合任務式、啟發(fā)式和討論式教學法，設置開放性作業(yè)題目，鼓勵學生課下整理和查閱相關知識，讓學生思考從剛性球到剛性桿的穩(wěn)定性問題，再引出理想壓桿的穩(wěn)定性建模過程，通過發(fā)散性聯(lián)想，讓學生可以透過各種現(xiàn)象探討其力學本質，鍛煉其從實際工程中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和進一步抽象出科學問題的能力，這也是馬克思主義哲學的基本思維方法，將科學研究方法有機融入教學過程之中，激發(fā)學生探索、解決新問題的興趣。

(4)臨界狀態(tài)。通過學生比較容易理解的剛性桿的失穩(wěn)模型，讓學生充分理解臨界狀態(tài)的概念，臨界狀態(tài)是一個混沌狀態(tài)，如同液固共融的零度的水和冰，這里可以聯(lián)系生活實際，以中國共產(chǎn)黨十八大以來打掉的“老虎和蒼蠅”為例，聯(lián)想起少數(shù)官員的腐敗行為，這些官員剛開始也有著遠大理想信念，后來由于外部環(huán)境的誘惑和干擾，理想信念動搖甚至發(fā)生了質變和腐敗，人生面對每個紅燈和每條紅線都不能有絲毫內(nèi)心動搖和逾越。

(5)抓住主要矛盾。在解決了臨界平衡狀態(tài)概念的基礎上，對理想壓桿微彎的平衡狀態(tài)進行分析和計算，這是一個二階微分方程問題，求解微分方程的條件是理想壓桿假設，這種理想化思維方法，是研究復雜問題中“抓住主要矛盾或矛盾的主要方面”的科學思維方法。

創(chuàng)新類課程[3]為完全學分制下的一種特色選修課，存在一個教學班級的學生年級、專業(yè)背景不同的情況，不能和常規(guī)基礎課班級采用相同教學方法。本文在完全學分制環(huán)境下，采用多模式教學方法，對如何提高“創(chuàng)新類”課程的教學效果進行探討。

(6)內(nèi)因是變化的根據(jù)。當壓力逐漸增大并達到一定數(shù)值，受壓桿會產(chǎn)生突然的失穩(wěn)現(xiàn)象。這也是唯物辯證法的由量變到質變，量變引起質變的原理應用。在枯燥的理想壓桿臨界力公式推導中，辯證法原理的應用既減緩了學生的學習壓力，又提高了課程討論的興趣。失穩(wěn)現(xiàn)象是軸力的大小變化引起了平衡系統(tǒng)的性質變化(由穩(wěn)定到失穩(wěn))，在這個由量變到質變的發(fā)展過程中，軸力是壓桿失穩(wěn)的內(nèi)因(關鍵)，橫向干擾力是壓桿失穩(wěn)的外因，外因是變化的條件，提醒未來的工程師必須深刻記住，壓桿的軸壓值在設計時必須嚴格控制。

(7) 內(nèi)因、外因的相互轉化。這里對軸向壓力和橫向干擾力的探討，又可以適時地引導學生對前置課程內(nèi)容進行回顧總結。在前面構件的強度、剛度設計中，載荷是外因。而壓桿穩(wěn)定設計中，載荷為內(nèi)因，橫向干擾力為外因，在桿件失效分析中要注意內(nèi)因和外因的相互轉化。同時借助信息化教學手段，用工程中大量的失穩(wěn)案例說明，壓桿失穩(wěn)的危險性比材料強度破壞的危險性更大。因此，工程師必須有足夠的、扎實的專業(yè)知識，更需要有大局觀，應對矛盾轉化、準確把握內(nèi)外因轉換的條件和時機，在工程構件設計時要統(tǒng)籌考慮，同樣的情況，穩(wěn)定性安全系數(shù)要比強度安全系數(shù)大得多，要加強未來工程師的責任意識教育。

(8)見微知著的道理。軸壓力由小到大的量變導致了桿件平衡性質的質變，即系統(tǒng)由穩(wěn)定平衡到不穩(wěn)定平衡。經(jīng)過前面的啟發(fā)引導，學生很容易理解理想壓桿力學模型的簡化問題和見微知著的道理。讓學生結合當今社會正在經(jīng)歷的百年未有之大變局，認識到社會在變、國家在變，生活方式、學習方式都在時刻發(fā)生變化，作為引領未來設計的工程師該怎樣思考怎樣應變，即“惟有道者，能備患于未形也”。

3 應用分析中踐行課程思政理念

3.1 案例教學

壓桿的臨界壓力與抗彎剛度成正比，與桿件長度的平方成反比，桿件長度是影響壓桿穩(wěn)定性的重要因素。在公式分析應用過程中，可以列舉袁隆平水稻培育、果樹培育和修剪、煙臺登海玉米的培育和選種、舉重運動員的選拔培養(yǎng)等生活案例，再到土木工程專業(yè)“結構設計中的仿生學”。例如，臺北101 大樓外形結構借鑒了竹節(jié)，提高了抗失穩(wěn)能力。大自然給建筑設計帶來靈感，可以引導學生留意身邊的科學，敬畏自然的同時向自然學習，在工程設計過程中，既要考慮高(長) 度的影響，也要考慮不同方向抗彎剛度的影響，從生活到現(xiàn)實，力學就在我們周圍，說明力學基礎地位的重要性。由此，可設置開放性作業(yè)題，從學生完成的大作業(yè)和小論文等反饋情況來看，學生對壓桿穩(wěn)定性的認識相比以往更加深刻，獲得感強，土木工程專業(yè)認證專家反饋效果好。

3.2 發(fā)展史與科學家介紹

對壓桿穩(wěn)定理論發(fā)展做出巨大貢獻的科學家歐拉及歐拉公式，更是非常好的課程思政的教學內(nèi)容[7]，歐拉在數(shù)學(數(shù)學分析、變分法、拓撲學) 和力學(固體力學、剛體動力學、流體力學) 的許多領域都有著開創(chuàng)性的貢獻。他是迄今為止世界上最為多產(chǎn)的科學家之一，他一生的著作多達八百余部。他以驚人的毅力和頑強的精神，克服貧困和疾病的重重困難，甚至在雙目失明的情況下，仍然堅持科學研究，他的科學造詣和為科學而獻身的精神，永記史冊。僅以歐拉在1744 年出版的《柱的屈曲問題》為例，壓桿失穩(wěn)的機理困擾了科學界很長時間，歐拉歷經(jīng)13 年，悟出了一種捕捉和顯化干擾力的巧妙方法，即用干擾力產(chǎn)生的初始變形代替干擾力，予以隱式處理，既解決了理想壓桿失穩(wěn)臨界值問題，又開啟了分岔和混沌兩門新科學，很好地說明了科學發(fā)現(xiàn)必須具備的科學精神。綜上，在壓桿穩(wěn)定公式推導、應用過程中，可引導學生總結以下幾點。

(1)科學的研究方法。橫向干擾力不直接顯式處理，轉化為受壓桿的初始變形以隱式處理的科學研究方法。橫向干擾力以初始變形隱式處理的科學研究方法是研究近代科學混沌、分岔學科的第一個科學實例，是兩門新學科的開端。

(2)抽象化思維方法。軸向力與干擾力共同作用的橫向變形效應，產(chǎn)生了一個純軸壓時不存在的彎矩，該彎矩決定了平衡的性質，這是抓住主要因素建立力學模型，解決實際問題的抽象化思維方法的靈活應用。

(3)量變質變規(guī)律。軸向壓力由小到大的量變導致系統(tǒng)由穩(wěn)定平衡到不穩(wěn)定平衡的變化，說明了量變引起質變的道理、內(nèi)因與外因的關系。

(4)普遍性與特殊性的關系。雖然梁彎曲與壓桿穩(wěn)定中用了同樣的公式，但其數(shù)學、物理含義不同，一方面在強度剛度設計中，力學層面上是載荷直接引起了彎矩，數(shù)學層面上是求解積分運算問題，桿件平衡是在變形前的位置。另一方面在壓桿穩(wěn)定分析中，力學層面上是載荷在橫向干擾力作用下產(chǎn)生的變形上間接引起了彎矩，數(shù)學層面上是一個求解微分方程的問題，桿件平衡是指變形后的位置。

(5)歐拉公式討論與應用。對歐拉公式的分析從“注重結論” 到“注重分析”，對公式結論中每個變量的引導分析，既能增加師生間的互動，又能讓學生在輕松愉快中增長知識，增強責任意識，從而關注了學生的價值判斷、審美情趣、人文情懷。

3.3 啟發(fā)式教學

本次“壓桿穩(wěn)定”課程思政示范課堂最后，結合啟發(fā)式教學法，引導學生思考壓桿中局部開孔、槽對穩(wěn)定性的影響，綜觀前述歐拉公式的整體分析和討論，可以得出壓桿中局部開孔、槽對穩(wěn)定性的影響很小，但結合“應力集中”這一課程前置內(nèi)容進行創(chuàng)新性探索，啟發(fā)和引導學生思考“局部開孔對構件強度的影響很大”。因此對有局部開孔、槽的受壓桿件的穩(wěn)定性設計時，還必須要考慮孔、槽處的強度問題，提高學生設計過程中的全局觀。

4 結語

材料力學課程中蘊含豐富的思政元素，本文通過深入探索、挖掘、總結和教學設計巧妙地將正確的世界觀、人生觀和價值觀教育引入課堂教學中。教學實踐結果表明，實施課程思政，緩解了力學課大量公式推導的枯燥，引起了學生的興趣和共鳴，深度拓展了課程的教學內(nèi)容，增強了學生的科學精神，形成“課程思政” 與“思政課程” 同向同行、共同育人的新局面。同時，我們也深刻地體會到以下幾點。

(1)課程思政是實現(xiàn)教書育人的重要手段：靈活運用歐拉公式中蘊含的思政點，將思政點和專業(yè)知識有機融合，大大提高了學生的主動性和獨立思考的能力。整堂課的思政內(nèi)容如同鹽溶于菜湯，學生能深刻體會“惟有道者，能備患于未形”“見微知著” 等道理，強化了學生的價值判斷、職業(yè)道德、人文情懷培養(yǎng)。

(2)課程思政是提高學生能力的重要途徑：壓桿穩(wěn)定是材料力學課程的教學難點之一，其具有一定的高階性和挑戰(zhàn)度，通過探索課程思政教學改革，結合任務式、啟發(fā)式和討論式教學法，設置開放性作業(yè)，鼓勵學生課下對相關知識進行整理和查閱，推導不同約束條件下的臨界壓力公式，并定性總結如何判斷壓桿是否存在失穩(wěn)問題、會往什么方向失穩(wěn)、如何失穩(wěn)、是分岔失穩(wěn)還是極值失穩(wěn)、在多大壓力下會失穩(wěn)等系列遞進問題，學生解決復雜工程問題的能力明顯提高。

(3) 課程思政是培養(yǎng)學生科學精神的重要載體：在前置桿件強度、剛度分析的知識學習、能力培養(yǎng)及思維方法訓練基礎上，對比壓桿穩(wěn)定的系統(tǒng)分析方法，通過“從現(xiàn)實問題的提出、力學模型的建立、數(shù)學模型的求解、結果的分析來解決復雜工程問題”對學生的系統(tǒng)訓練，很好地培養(yǎng)了學生的思維方法以及探索未知、追求真理、勇攀高峰的科學精神。