接觸力學(xué)教學(xué)中課程思政探討

王高琦 孫玉晶 王守仁 劉文濤

（1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東·濟(jì)南 250022；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 山東·濟(jì)南 250353）

近年來，課程思政已經(jīng)成為高等教育及素質(zhì)教育階段必不可少的組成部分[1]。機(jī)械工程學(xué)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(yè)、不同課程的特點(diǎn)，擬定思政目標(biāo)，以進(jìn)行專業(yè)知識與思政的結(jié)合。本校為機(jī)械工程學(xué)科研究生開設(shè)接觸力學(xué)必修課，因此在該課程的思政教育方面進(jìn)行了探討。

接觸力學(xué)是以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，研究固—固及固—液之間宏觀、微觀接觸中力學(xué)行為的基礎(chǔ)性學(xué)科，與摩擦學(xué)、表面工程聯(lián)系緊密，在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)中必不可少[3]。接觸能夠傳遞機(jī)械力、表面力，能夠?qū)щ妼?dǎo)熱，以及防止材料的流失等，其應(yīng)用十分廣泛，例如軸承，齒輪，輪軌，離合器，剎車片，壓縮機(jī)，機(jī)加工，冷成型，人體植入物等。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對接觸力學(xué)具有全面、系統(tǒng)的認(rèn)識，為摩擦、潤滑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，能夠利用相關(guān)理論進(jìn)行機(jī)械工程中關(guān)鍵零部件表面與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國內(nèi)高校如清華大學(xué)、重慶大學(xué)、西南交通大學(xué)等均在機(jī)械學(xué)院為研究生開設(shè)該門課程。作為接觸、摩擦與潤滑的基礎(chǔ)理論之一，該門課程的學(xué)習(xí)將極大提高研究生的理論素養(yǎng)，提高學(xué)生解決工程問題的理論思維能力。為摩擦學(xué)方向的學(xué)生開設(shè)接觸力學(xué)課程，將摩擦學(xué)問題與經(jīng)典力學(xué)結(jié)合起來，既反映了摩擦學(xué)領(lǐng)域接觸、黏著、毛細(xì)力、摩擦、潤滑和磨損等問題的研究進(jìn)展，又著重介紹了從接觸力學(xué)角度認(rèn)識摩擦學(xué)的新成果。

本門課程的授課對象是“摩擦潤滑理論及工程應(yīng)用”“機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與分析”“先進(jìn)制造技術(shù)與裝備”等方向的研究生，無論學(xué)生畢業(yè)后是從事制造產(chǎn)業(yè)還是勇攀科研高峰，創(chuàng)新精神、科學(xué)觀、責(zé)任心等對于職業(yè)生涯的發(fā)展必不可少[4]。因此結(jié)合課程特點(diǎn)提出了接觸力學(xué)的思政目標(biāo)為：創(chuàng)新精神、科學(xué)精神、工匠精神及愛國主義精神。為達(dá)到思政目標(biāo)，將以下幾個思政元素有機(jī)融入接觸力學(xué)知識點(diǎn)中。

1 力學(xué)大師事跡

接觸力學(xué)中的很多公式是從彈塑性力學(xué)、材料力學(xué)中的基本公式推導(dǎo)而來，高等數(shù)學(xué)又是力學(xué)的基礎(chǔ)[5]。庫倫、赫茲、布拉德利等科學(xué)家在接觸力學(xué)這門力學(xué)分支的發(fā)展中做出巨大貢獻(xiàn)，這其中很多科學(xué)家不僅在接觸力學(xué)中，在數(shù)學(xué)、物理等其他學(xué)科中都有很大影響力。如，接觸力學(xué)中最著名的赫茲接觸公式來源于1882年德國理學(xué)家、力學(xué)家海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澃l(fā)表的論文“On the contact of elastic solids（關(guān)于彈性固體的接觸）”。而赫茲最為大眾熟知的貢獻(xiàn)是他實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，是光量子理論的基礎(chǔ)。提出電荷間相互作用庫侖定律的C.A.de庫侖通過大量實(shí)驗(yàn)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(shù)學(xué)公式而被學(xué)生熟知的法國著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）在彈性力學(xué)、接觸力學(xué)中也有歷史性的貢獻(xiàn)。通過對科學(xué)家生平故事的講述，可以使學(xué)生明白各個學(xué)科之間是相互聯(lián)系的，從而促進(jìn)正確科學(xué)觀和科學(xué)精神的養(yǎng)成。而通過對力學(xué)理論建立過程的分析，可以讓學(xué)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(fù)盤科學(xué)家的思考、實(shí)驗(yàn)及推理推導(dǎo)過程，使學(xué)生對力學(xué)的理論有更加生動形象的認(rèn)識，對于理論創(chuàng)新過程有深刻的認(rèn)識，產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和動力。如赫茲發(fā)展接觸力學(xué)基本公式理論的過程就很有啟發(fā)意義，首先赫茲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xiàn)了象征彈性變形的橢圓形牛頓環(huán)。他假設(shè)二者之間的壓力亦為橢圓形分布，根據(jù)假定的橢圓形壓力推導(dǎo)出棱鏡的位移，并計(jì)算出牛頓環(huán)。將實(shí)驗(yàn)觀察到的牛頓環(huán)尺寸形狀與理論計(jì)算出的進(jìn)行對比，驗(yàn)證了理論的準(zhǔn)確性。最終，赫茲通過實(shí)驗(yàn)與基于彈性理論的公式推導(dǎo)，建立了經(jīng)典的接觸力學(xué)的基本公式，得到了載荷、接觸物體形狀及彈性性質(zhì)、接觸應(yīng)力、應(yīng)變及位移之間的關(guān)系，并沿用至今。

2 學(xué)科發(fā)展史

力學(xué)伴隨著人類的發(fā)展，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中人們對其認(rèn)識逐漸加深。在日常生活中、機(jī)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(xué)發(fā)展史，通俗地闡述各個力學(xué)分支之間的關(guān)系，不但讓學(xué)生了解人類對力學(xué)認(rèn)知過程，還能讓學(xué)生理解接觸力學(xué)的內(nèi)涵和應(yīng)用范圍，從而形成正確的力學(xué)觀和科學(xué)觀。從達(dá)·芬奇在1490年代對于兩個物體件接觸與摩擦現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)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(xué)已有幾百年的歷史。這幾百年中，胡克定律、牛頓經(jīng)典力學(xué)的提出促進(jìn)了接觸力學(xué)的發(fā)展，歐拉、庫倫、赫茲、布拉德利等力學(xué)大師不斷將接觸、摩擦中的力學(xué)理論進(jìn)行完善，近幾十年中，接觸力學(xué)發(fā)展迅速，我國力學(xué)科學(xué)家徐芝綸、徐秉業(yè)等功不可沒。以接觸力學(xué)為基礎(chǔ)的摩擦學(xué)在近年來也得到快速發(fā)展，如溫詩鑄院士建立了彈流潤滑、薄膜潤滑理論，推動了現(xiàn)代摩擦潤滑設(shè)計(jì)的發(fā)展。

3 接觸力學(xué)與摩擦學(xué)前沿

接觸力學(xué)作為一門基礎(chǔ)力學(xué)，其應(yīng)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(xiàn)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(huán)境的先進(jìn)復(fù)合材料、非均質(zhì)材料、功能梯度材料、復(fù)合涂層等不斷出現(xiàn)。國內(nèi)外力學(xué)家也致力于探索各種新材料類型在復(fù)雜受力環(huán)境下的接觸力學(xué)行為，新理論、新模型、新成果不斷涌現(xiàn)。清華大學(xué)摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對于超滑的研究一直走在世界前沿，蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于固體潤滑的研究為我國航空航天事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)，江雷院士等科學(xué)家對于超浸潤表界面的基礎(chǔ)研究催生了大量顛覆性的前沿技術(shù)。在授課時為學(xué)生講述接觸力學(xué)與摩擦學(xué)的最新進(jìn)展，可以開闊學(xué)生的視野，極大激發(fā)學(xué)生投入科學(xué)研究的興趣和決心。

4 制造業(yè)工匠精神榜樣

早在我國傳統(tǒng)經(jīng)典著作《莊子》中，就出現(xiàn)了推崇工匠精神的庖丁解牛、匠石運(yùn)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(fù)一日的訓(xùn)練與思考，把握了勞動對象的根本規(guī)律。當(dāng)代大國工匠胡雙錢、高鳳林、桑仁龍等，也在其行業(yè)中達(dá)到了古代匠人鬼斧神工的境界。在接觸力學(xué)的講授中，可以講述這些工匠的事跡，讓學(xué)生們明白，求解力學(xué)問題的過程中也要秉承工匠精神，嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，參透每一個公式、原理，才能融會貫通，在遇到實(shí)際問題的時候才能如“庖丁解?！币话阌稳杏杏唷?/p>

5 科學(xué)家的愛國主義情懷

經(jīng)過七十多年的奮斗和探索，中國已經(jīng)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(jīng)濟(jì)體，充滿了經(jīng)濟(jì)活力與創(chuàng)新動力。特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)，科技創(chuàng)新成為我國發(fā)展的強(qiáng)大推力，而科學(xué)家是創(chuàng)新的主要群體。在接觸力學(xué)教學(xué)中，可以講述推動我國科技發(fā)展的愛國力學(xué)家，如錢學(xué)森、錢偉長、郭永懷等愛國奮斗的故事，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷。

6 結(jié)束語

將力學(xué)大師事跡、學(xué)科發(fā)展史、接觸力學(xué)與摩擦學(xué)前沿、制造業(yè)工匠精神榜樣、科學(xué)家的愛國主義情懷等融入接觸力學(xué)教學(xué)，可進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)精神、工匠精神、愛國主義等優(yōu)良品質(zhì)，為國家培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)作為、求真求實(shí)、勇于創(chuàng)新、具有家國情懷的力學(xué)人才，為世界文明發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧。