融合課程思政的綜合性力學(xué)教學(xué)案例設(shè)計

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。新時代背景下，力學(xué)課程的教學(xué)中面臨著價值引導(dǎo)和知識傳授的雙重任務(wù)。堅持立德樹人，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人，是高校在新的歷史時期肩負(fù)的重要使命。課程思政建設(shè)是構(gòu)建全員、全過程、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，對整個教學(xué)過程進(jìn)行反向設(shè)計，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，知識點(diǎn)包括靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等。課程周期長、知識點(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)熱情就必須堅持以應(yīng)用為導(dǎo)向，將知識點(diǎn)與工程案例持續(xù)深入結(jié)合。除了知識點(diǎn)對應(yīng)的教學(xué)例題外，還需多個對學(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，知識傳授與價值引領(lǐng)相結(jié)合的力學(xué)課程案例庫，全力打造力學(xué)系列基礎(chǔ)課程思政示范課程，對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才至關(guān)重要。

案例設(shè)計可以以很多領(lǐng)域為藍(lán)本，如汽車、橋梁、航空等。本文以某通航飛機(jī)的設(shè)計制造過程為例，將力學(xué)課程的知識點(diǎn)如力系的簡化與平衡、三種運(yùn)動及速度加速度計算，拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形的基本特征及計算基礎(chǔ)知識貫穿始終，通過實實在在的工程案例，逐步拆解分析其蘊(yùn)含的力學(xué)知識點(diǎn)，從而使學(xué)生建立課程自信。整個過程中課程思政元素隱性內(nèi)化，不忘引導(dǎo)學(xué)生正確的人生觀和價值觀，激發(fā)其家國情懷。將相對枯燥的知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中就能夠?qū)⒏髡鹿?jié)課程內(nèi)容對號入座，以實際應(yīng)用刺激其學(xué)習(xí)熱情。

1 以史為鑒，思政元素隱性內(nèi)化

根據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行問題創(chuàng)設(shè)，將中國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，找準(zhǔn)育人角度，提升育人能力。案例講解之前，介紹中國飛機(jī)發(fā)展史[3]，展示我國飛機(jī)設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)和發(fā)展過程的艱辛，激發(fā)學(xué)生的家國情懷，并以此引出工程案例。

清朝末年，中國近代的航空活動開始出現(xiàn)，1840年鴉片戰(zhàn)爭之后國門打開，人們逐漸開始摸索中國的航空發(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)計了中國第一個氫氣球，辛亥革命后，有志于中國航空發(fā)展的愛國志士紛紛投身報效祖國。期間愛國華僑馮如獨(dú)立設(shè)計制造了飛機(jī)，并親自駕駛參加了在美國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年新中國成立的近40年里，中國雖然有了一定的航空基礎(chǔ)，但從來算不上是獨(dú)立的航空工業(yè)。后來抗日戰(zhàn)爭與解放戰(zhàn)爭期間的破壞，使得中國的航空工業(yè)基礎(chǔ)蕩然無存。

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

2 靜力分析，模型簡化與平衡方程

飛機(jī)設(shè)計是一個反復(fù)計算、反復(fù)優(yōu)化、反復(fù)試驗的過程。實際飛機(jī)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，通過模型簡化，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)簡化就變成了力學(xué)中的常見模型，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，以及常見約束的約束力描述形式。以其中某個構(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。有時根據(jù)設(shè)計需要還要對飛機(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算。至此，靜力學(xué)的知識基本涵蓋。

3 運(yùn)動分析，速度與加速度計算

物體的運(yùn)動具有相對性，對物體的運(yùn)動進(jìn)行描述就需要先確定一個參考系，不同的參考系下物體的運(yùn)動狀態(tài)一般是不同的。以飛機(jī)為例，某人在飛機(jī)過道上行走，在不同的參考系下觀察人的運(yùn)動，會得到不同的運(yùn)動方程。以地面為參考系定義人的運(yùn)動，稱為絕對運(yùn)動，在飛機(jī)上觀察人的運(yùn)動可稱為相對運(yùn)動，在地面上觀察飛機(jī)的運(yùn)動可稱為牽連運(yùn)動。以此分別給出三種運(yùn)動的速度描述及速度之間的關(guān)系，即絕對速度=相對速度+牽連速度。在不同時間段里，飛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)會有變化，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)動緊密聯(lián)系起來，并且以點(diǎn)為研究對象還是以剛體為研究對象，加速度合成定理是不同的，以此為插入點(diǎn)，引入加速度的計算方法。

4 模型拆解，常見的基本變形形式

物體在外力的作用下會產(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，會自發(fā)地將知識點(diǎn)代入實際應(yīng)用中，一定程度上實現(xiàn)了以成果為導(dǎo)向，反向設(shè)計教學(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)變計算是材料力學(xué)的重要問題。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)生往往會因為相對枯燥的公式推導(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，同時應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，把幾種基本變形過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變化展示出來，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)變又可以通過課本上的公式計算出來，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

力學(xué)課程的教學(xué)中必須堅持OBE理念，并融入課程思政元素。這對力學(xué)教學(xué)案例建設(shè)提出了更高的要求。以實際工程模型為基礎(chǔ)，反向設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析過程中貫穿理論力學(xué)、材料力學(xué)的主要知識點(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。