周 基

（湖南科技學院 土木工程與建設(shè)管理系，湖南 永州 425100）

發(fā)揮工程力學的獨特作用加強新時期土木工程師培養(yǎng)

周 基

（湖南科技學院 土木工程與建設(shè)管理系，湖南 永州 425100）

力學不僅是一門基礎(chǔ)科學，也是一門技術(shù)科學。深厚的力學基礎(chǔ)和熟悉力學分析問題的方法是土木工程師必須具備的條件。本文在分析工程力學知識結(jié)構(gòu)特點及新時期土木工程師培養(yǎng)目標的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者的教學、實踐體會，探討了工程力學課程在培養(yǎng)新時期土木工程師全面素質(zhì)和綜合能力所具有的獨特作用。

工程力學；應用型人才；土木工程師；素質(zhì)教育

力學不僅是一門基礎(chǔ)科學，同時也是一門技術(shù)科學，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又在廣泛的應用過程中不斷得到發(fā)展。力學的原理廣泛地應用于機械、建筑、航空、 水利、船舶、海洋、地質(zhì)、地震、勘探、材料等工程領(lǐng)域，對現(xiàn)代科技的發(fā)展起著極大的推動作用。它不僅在內(nèi)容上，而且還在思維方法和研究問題的途徑上給予工程技術(shù)人才的培養(yǎng)以重要的啟迪。高等教育擔負著培養(yǎng)高級專業(yè)人才、發(fā)展科學技術(shù)文化和促進現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務。在國內(nèi)外幾乎所有的工程技術(shù)專業(yè)中都將力學作為必修課。工程技術(shù)人員的實踐活動有賴于其思維能力和實踐能力的培養(yǎng)。深厚的力學基礎(chǔ)和熟悉力學分析問題的方法對工程技術(shù)人員來說是必須具備的條件。

一 工程力學的知識結(jié)構(gòu)及其特點

力學是物理學最古老的一門分支學科，自從其建立發(fā)展到如今已有三百多年的歷史，已經(jīng)形成了自己的完整的理論和知識結(jié)構(gòu)體系，這不僅表現(xiàn)在一些重要的古典著作中，而且也體現(xiàn)在各種傳統(tǒng)的教材中，其力學知識結(jié)構(gòu)的基本框架如圖1所示。

工程力學是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運動規(guī)律，及其應用的科學。工程給力學提出問題，力學的研究成果改進工程設(shè)計思想。從工程上的應用來說，工程力學包括：質(zhì)點及剛體力學，固體力學，流體力學，流變學，土力學，巖體力學等。工程力學是一門從生產(chǎn)實踐中產(chǎn)生、發(fā)展、又緊密應用于生產(chǎn)實際的課程，作為現(xiàn)代工程技術(shù)重要的理論基礎(chǔ)之一，是高等工科院校重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。它在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著橋梁的作用， 其課程中所講授的力學思想、基本理論和技能方法，對大學生來講，是今后工作和再學習的必備基礎(chǔ)。工程力學課程具有如下特點：

（圖1. 力學知識結(jié)構(gòu)的基本框架）

（一）理論聯(lián)系實際

工程力學的基本規(guī)律正是通過人類對生活、生產(chǎn)中的各種現(xiàn)象進行觀察后，經(jīng)過科學實驗、分析、綜合、歸納、總結(jié)而得；工程力學中的計算簡圖和力學模型都是由具體實物經(jīng)過抽象化、理想化簡化而得的；工程力學的理論體系是在力學模型、基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，經(jīng)過邏輯推理和數(shù)學演繹而建立的。同時工程力學的理論又服務于生產(chǎn)、工程實際及科學技術(shù)研究。指導了人類生產(chǎn)出的生產(chǎn)工具、制造的工程機械與建造的工程結(jié)構(gòu)既經(jīng)久耐用，又造價低廉。理論與實踐的相互促進與良性循環(huán)，不斷地發(fā)展完善了工程力學的理論體系與工程實際應用。

（二）工程力學課程具有相對性、靈活性、綜合性及可操作性等特點

工程力學中抽象化的力學模型是具有相對性的，當條件改變時力學模型也有相應的變化，如：在理論力學中忽略物體的變形，故將其簡化為剛體，而材料力學中則將其簡化為變形體；運動分析中，各種運動及運動量也都隨參考系而變；工程力學中的一些問題可以一題多解，因而要對實際問題進行具體分析， 靈活運用理論知識從不同的角度來分析、解決問題；工程力學中的許多問題都需要綜合運用多個定理或多方面的知識、理論才能求解；同時工程力學課程要求學生自己動手做實驗、通過觀察實驗現(xiàn)象，分析試件變形、破壞的原因，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)歸納、分析、推導出理論公式，具有很強的實踐操作性。

對于在校大學生學好了力學，既可以直接解決一些簡單工程實際問題，又可以為后續(xù)的有關(guān)課程打好基礎(chǔ)，同時掌握工程力學的研究方法，將有利于其它科學技術(shù)的學習?？梢栽鰪姽こ虅?chuàng)新意識，對培養(yǎng)新時期土木工程師的全面素質(zhì)和綜合能力方面具有重要和獨特的作用。

二 新時期土木工程師培養(yǎng)目標

新時期土木工程師的主要培養(yǎng)目標是培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應我國經(jīng)濟社會發(fā)展需要的實用型工程技術(shù)人才。要求掌握土木工程學科如工業(yè)與民用建筑、橋梁工程、道路工程、巖土與地下工程等相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和基本知識，獲得土木工程師的基本訓練并具有創(chuàng)新精神，為我國建設(shè)創(chuàng)新型國家提供堅實的人才支撐和智力保證。新時期土木工程師應具備以下幾方面的知識和能力：

（1）具有較扎實的自然科學基礎(chǔ)，了解國內(nèi)外土木工程科學和技術(shù)的理論前沿、應用前景及發(fā)展動態(tài)。

（2）掌握本專業(yè)比較系統(tǒng)的工程力學、鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)、土力學與地基基礎(chǔ)、房屋建筑學、道路橋梁工程、地下結(jié)構(gòu)、工程施工和土木工程造價等方面的基本理論和基本知識。

（3）具有熟練正確的制圖能力以及計算機應用和試驗儀器使用的基本能力，具有綜合應用各種手段(包括外語工具)查詢資料、獲取信息的初步能力。

（4）掌握與土木工程相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟分析方面和生產(chǎn)管理方面的知識；了解土木工程主要法規(guī)。

（5）具有進行土木工程設(shè)計、施工、檢測、監(jiān)理、造價和管理等方面的初步能力。

（6）有較強的調(diào)查研究與決策、組織與管理、交流溝通和團隊協(xié)作的能力，具有獨立獲取知識、信息處理、終生學習和創(chuàng)新的基本能力。

（7）具有較好的人文科學素養(yǎng)、較強的社會責任感、良好的工程職業(yè)道德和良好的質(zhì)量、環(huán)境、安全和服務意識。

（8）初步具備應對危機與突發(fā)事件的能力以及一定的國際視野和跨文化環(huán)境下的交流、競爭與合作的能力。

三 發(fā)揮工程力學在培養(yǎng)新時期土木工程師中的獨特作用探析

高等學校在給學生傳授科學知識，還必須注重學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提高，培養(yǎng)學生的工程意識。工程力學課程在培養(yǎng)新時期土木工程師中發(fā)揮著獨特的作用。

（一）加強辯證唯物主義，樹立科學世界觀

工程力學是一門理論性較強、應用廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)課，其規(guī)律和處理問題的方法被廣泛應用于各個工程領(lǐng)域中。它具有嚴密的科學性和邏輯性，充滿著豐富的辯證唯物主義的認識論和方法論。在教學中進行辯證唯物主義教育的關(guān)鍵在于挖掘和尋找教學內(nèi)容中所蘊含的辯證唯物主義思想，并進行適當?shù)慕M織、有機地結(jié)合展現(xiàn)給學生。例如，在靜力學的學習中，空間任意力系是剛體受到的最一般的力系，而其它各種力系均是空間任意力系的特殊情況，特殊的總是寓于普遍之中的，這是由矛盾的特殊性和普遍性的辯證關(guān)系確定的，因此空間平行力系的平衡必然遵循著空間任意力系的平衡方程，其平衡方程可啟發(fā)學生由空間力系的平衡規(guī)律直接推導出來。又如，在剪切與擠壓的學習當中，剪應力和擠壓應力的工程計算公式是來源于實踐工程中的經(jīng)驗公式，它被廣泛的應用于各種剪切與擠壓的計算中，這體現(xiàn)了認識來源于實踐，反過來又指導實踐活動的辯證唯物主義思想。所以，通過工程力學的學習，可使學生在掌握力學基本知識和技能的基礎(chǔ)上逐步形成辯證唯物主義的科學世界觀，從而逐漸掌握認識世界、處理問題的科學方法，而辯證唯物主義觀點的形成，又反過來可以幫助學生更好的去掌握、應用力學知識和技能，從而也就提高了學生的科學素質(zhì)。

（二）促進學生思維能力發(fā)展，培養(yǎng)靈活、綜合分析問題和解決問題的能力

學生的思維能力是理解知識的必要因素，又是鞏固知識的重要心理條件。工程力學不僅能訓練學生靈活分析問題和綜合處理問題的能力，而且還能使學生學會正確的思維方法。在工程力學學習過程中，結(jié)合工程實踐、多媒體及實驗等一系列直觀教學，讓學生感知力學現(xiàn)象，遵循“感知——表象——概括”的思維過程，使學生學會分析和綜合、比較和歸納、抽象和概括、系統(tǒng)化和具體化、歸納和演繹等正確的思維方法。同時通過進行類比、引伸、一題多解及舉反例等多種思維方法的培養(yǎng)，使學生克服思維障礙，培養(yǎng)學生的逆向思維、發(fā)散思維和復合思維能力。例如，學習“摩擦”這一章時，引導學生用“一分為二”的觀點分析工程力學中普遍存在的摩擦現(xiàn)象。摩擦會增加運動阻力、消耗能量、產(chǎn)生高溫、磨損機件，摩擦力常稱為有害的阻力；但在工程中又經(jīng)常利用摩擦有利的一面，例如摩擦離合器或帶式傳動就是利用摩擦來傳遞動力。理論聯(lián)系實際，使學生掌握摩擦的規(guī)律和摩擦力的計算，知道如何減少摩擦以提高效率、減輕磨損、延長機器和工具的使用壽命，同時又懂得有效利用摩擦力為生產(chǎn)和生活服務。

正確的思維方法為學生掌握實際操作技能提供了智力基礎(chǔ)。工程力學作為專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅培養(yǎng)學生接受新事物的能力，而且能鍛煉學生邏輯推理、分析綜合和空間想象能力。力學問題的分析和計算過程，是對學生想象、認知、記憶、創(chuàng)造等多種能力以及靈活性的綜合訓練過程。

（三）著重培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，加強工程意識

工程力學中力學模型和練習題，基本上都是由工程實際中的各種構(gòu)件、零部件或構(gòu)筑物簡化抽象而得的。利用多媒體，結(jié)構(gòu)工程或生活中的實例分析各種力學模型及例題，學生既能理解力學模型，又培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力及抽象化能力。例如：自行車等各種剎車裝置都抽象為鉸鏈聯(lián)接模型；房屋的橫梁、廠房里的吊車梁、橋梁等都抽象為簡支梁；機械傳動軸、汽車的大梁等都抽象為外伸梁；電線桿、房屋的雨蓬、陽臺等都抽象為懸臂梁；房屋的屋架、塔架等都抽象為桁架等等。工程力學中對構(gòu)件的主要變形進行的強度、剛度和穩(wěn)定性計算時，只考慮構(gòu)件的主要變形及引起變形的主要因素。在實際工程設(shè)計中常常運用“忽略次要因素和次要變形”這種方法進行簡化計算，可以保證設(shè)計的構(gòu)件既能安全工作又節(jié)省材料符合經(jīng)濟合理原則。

（四）構(gòu)建邏輯思維(包括推理、分析、判斷等)、文字、圖像及數(shù)字表達能力

工程力學的理論是經(jīng)過實驗、分析、歸納、總結(jié)及邏輯推理和數(shù)學演繹而建立，求解工程力學中的習題需要進行分析、判斷、應用理論并計算，既要用文字又要用圖形表示。工程力學課程中的解題訓練是培養(yǎng)工程技術(shù)人員基本素質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)。

工程力學課程中，由力的概念到力系的平衡條件，由絕對運動、相對運動、牽連運動的概念到點的速度及加速度合成定理；由基本變形到組合變形；由靜載荷到動載荷等等，每一個概念的提出，每一個定理的推導及應用，一環(huán)扣一環(huán)，層層遞進，形成一個嚴密的邏輯鏈。透過這些知識的聯(lián)系和分析，可以培養(yǎng)學生嚴密的邏輯思維能力。

工程力學課程中的大部分例題及習題均來源于工程實踐，通過工程力學課程的學習，可使學生了解解決工程實際問題的具體方法和步驟，即從抽象、簡化實際構(gòu)件建立力學模型入手，通過對力學模型的受力分析，按平衡條件由已知力求未知力，然后按強度、剛度及穩(wěn)定性要求，選擇合適的材料，設(shè)計出既安全、又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足具體工程要求。

（五）提升實驗觀察、分析、動手與計算機運用能力

工程力學課程要求學生自己動手做實驗、通過觀察實驗現(xiàn)象，分析試件變形、破壞的原因，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)歸納、分析、推導出理論公式。力學實驗課應當為理論教學服務，在常規(guī)的驗證性力學實驗的基礎(chǔ)上，通過開設(shè)一系列創(chuàng)新性實驗設(shè)計，例如僅布置彎扭組合實驗的題目，讓學生根據(jù)實驗要求自行制定實驗方案并獨立完成實驗。使學生在獨立實驗中獲得知識和技能，其實驗觀察能力、實驗基本技能、獨立實驗能力都得到了很好的培養(yǎng)。

隨著計算機應用的日益普及，可以運用計算機這一有力的計算工具解決力學具體工程實際問題。將計算機的學習和應用貫穿于整個力學學習期間，結(jié)合計算機仿真模擬的優(yōu)越性，來模擬解決一些與實際工程背景較為接近的問題，從而提高學生運用計算機的能力和解決實際問題的能力。同時工程力學課程中的大部分習題計算量比較大，為此，可以編程序用計算機計算。這樣做既可以保證學生的計算機學習不斷深入，又培養(yǎng)了學生運用計算機的能力，對以后解決工程實際中大型計算問題無疑是一個十分有益的培養(yǎng)、訓練。

（六）增強工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，促進技術(shù)與經(jīng)濟相融合能力

在工程力學實際應用中的基本原則是充分發(fā)揮材料的強度潛力和貯能（應變能）能力，實現(xiàn)等強度或等應變能密度狀態(tài)，以達到用料最省和結(jié)構(gòu)最輕的目標。在工程界，所有的成功的案例無不從力學分析入手，利用最優(yōu)化設(shè)計方法，去探討新型的結(jié)構(gòu)，通過力學荷載及其結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)化，有效地解決工程力學中安全和經(jīng)濟性這一對矛盾，達到節(jié)省材料、受力合理、使用方便、美觀大方等目的。例如在某大型車間，如何用現(xiàn)有的起吊重量只有5噸的吊車吊起10噸的重物？經(jīng)過從工程力學中提高彎曲強度的措施出發(fā)，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進了裝置（如圖2所示），結(jié)果就吊起了10噸的重物。

（圖2. 力學應用優(yōu)化設(shè)計實例）

在工程力學教學過程中，我們應始終遵循從力學的最優(yōu)化原則入手，結(jié)合工程實例，增強學生工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，促進技術(shù)與經(jīng)濟完美融合能力的提高。

（七）培育審美能力

工程力學無論是在內(nèi)容上、形式上，還是在研究過程中，處處洋溢著美，這種美體現(xiàn)在數(shù)學公式的嚴整性里，體現(xiàn)在哲學推理的邏輯性里，展示在內(nèi)在結(jié)構(gòu)的和諧中。雄偉壯麗的電視塔、方便好用的易拉罐、廠房里漂亮的魚腹梁、鐵路軌道的工字鋼、機器中的緊配合等等，都蘊含著豐富的力學知識，無不體現(xiàn)了力學之美。工程力學中許多定理使用極為簡潔的數(shù)學表達式，從而體現(xiàn)出一種經(jīng)典而又簡潔的美；從理論力學到材料力學，又表現(xiàn)出動態(tài)的協(xié)調(diào)美。

當使學生認識到工程力學中有美，進而領(lǐng)略和欣賞到其中的美，自然就能激起學生自己去尋找、發(fā)現(xiàn)蘊涵在力學中的美。當學生能從被動接受轉(zhuǎn)到自覺學習，他們的學習動機就發(fā)生了質(zhì)的變化，所能取得的成就也會發(fā)生質(zhì)的飛躍。當他們能夠靈活運用工程力學的知識，經(jīng)過嚴謹縝密的推理和準確的計算解出一道道題時，就會享受到創(chuàng)造美的樂趣。在工程力學課程學習中，挖掘工程力學中所蘊含的各種美，并將其美的現(xiàn)象緊密關(guān)聯(lián)，與生活經(jīng)驗結(jié)合起來，引導學生去感受這種美。這樣，學生在知識增長的同時，其審美鑒賞力、人格也得到熏陶和提高。

（八）強化社會責任感及增強處理工程事故的能力

目前，全球工程事故頻發(fā)不斷，工程事故能造成人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)等的重大損失。事故的原因涉及到力學、材料學、數(shù)學、構(gòu)造學、設(shè)計方法、施工技術(shù)、質(zhì)量管理學等多方面知識。工程力學教材中常見的強度、剛度、穩(wěn)定性、材料的力學性質(zhì)等知識相關(guān)的工程事故案例非常之多，而且工程事故具有殘酷、切膚之痛，給人心靈以強烈震撼等特點，通過這些案例的引入、分析引起學生的高度關(guān)注，把看似枯燥的力學知識在事故分析中得以激活，為培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)打開一條通道，有利于強化學生社會責任感，培養(yǎng)學生的責任意識、安全意識、嚴謹?shù)墓ぷ鲗W習作風。

同時，通過案例深入淺出的分析，引發(fā)學生高度認識工程力學知識的重要性，使學生產(chǎn)生主動學好工程力學的內(nèi)部動力，充分調(diào)動學生去思考如何處理工程事故，初步培養(yǎng)學生處理工程事故的能力，挖掘和拓展學生的潛能，滿足學生的求知欲、創(chuàng)造欲，從而使學生獲得可持續(xù)發(fā)展的能力。

馬克思曾經(jīng)指出：“力學是大工業(yè)的真正科學的基礎(chǔ)。”錢學森也說過：“不可能設(shè)想，不要現(xiàn)代力學就能實現(xiàn)現(xiàn)代化?！庇纱丝梢?，力學已經(jīng)是現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展和人類生活中不可替代的重要學科，現(xiàn)代力學仍將是一門具有廣泛應用的和強大生命力的重要基礎(chǔ)學科。而新時期工程師肩負著將科技進步與推動社會相融合的歷史使命，對于高等教育而言，我們首先應明確目標，確立地位，重視并強化工程力學對培養(yǎng)新時期土木工程師的全面素質(zhì)和綜合能力方面所具有的重要和獨特作用，在新的歷史條件下培養(yǎng)、造就一批合格的未來土木工程師。

[1]單輝祖,謝傳鋒.工程力學(靜力學與材料力學)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]中國科學技術(shù)協(xié)會,中國力學學會.2006-2007力學學科發(fā)展報告[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,2007.

[3]馬崇武,徐有基.土木工程專業(yè)力學課程改革的研究與實踐[J].高教論壇,2007,(2):112-113.

[4]向長奎,扈模忠.工程力學教學探討[J].高等建筑教育,2007,(1).

[5]徐匡迪.工程師要有哲學思維[J].中國工程科學,2007,(8).

[6]朱高峰.中國的工程教育——成績、問題和對策[J].高等工程教育研究,2007,(4).

Effects of Advanced Engineering Mechanics Classes on Training Civil Engineer in the New Period

ZHOU Ji
(Hunan University of Science and Engineering,Hunan Yongzhou 425100,China)

Mechanics is a basic science, and a science of technology, It is the essential condition that the profound knowledge and familiar with the method of analysing problem of mechanics for Civil Engineer. In the paper, it analyzes the characteristics of Engineering Mechanics and the educational objectives of Civil Engineer in the new period, and related to the personal teaching practice, it discusses effects of Advanced Engineering Mechanics Classes on training Civil Engineer of general quality and comprehensive ability in the new period.

Engineering mechanics; Practical talents; Civil Enginee; Quality education

G423.04

A

1673-2219（2012）10-0184-04

2012―06―03

湖南科技學院教學改革研究重點項目（項目編號KYJ2010035）。

周基（1982－），男，湖南永州人，講師，研究方向為工程力學及防災減災與防護工程。

（責任編校：周欣）