曲淑英 盧龍玉 宋 良, 費(fèi)迎紅
*(工程力學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(煙臺(tái)大學(xué)),山東煙臺(tái) 264005)
?(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東煙臺(tái) 264005)
習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議的講話中明確指出:“要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道,思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng),提升思想政治理論親和力和針對(duì)性,滿足學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展需求和期待,其他各門課程要守好一段渠,種好責(zé)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(yīng)[1]”。總書記的重要論述,為我們開展課程思政建設(shè)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(wù),課程思政建設(shè)是教育教學(xué)的重要內(nèi)容。高校所有教師都應(yīng)履行育人職責(zé),所有課程都應(yīng)發(fā)揮育人功能。思想政治課與學(xué)科專業(yè)課程同向同行,形成協(xié)同效應(yīng)是立德樹人的內(nèi)在要求,挖掘理工類課程育人價(jià)值是同向同行、協(xié)同效應(yīng)的重要途徑[2]。
2020 年6 月教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出:“落實(shí)立德樹人根本任務(wù),必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可分割。全面推進(jìn)課程思政建設(shè),就是要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中,幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀,這是人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義,更是必備內(nèi)容”,“要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)分類推進(jìn)課程思政建設(shè)。理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來,提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)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(yùn)涵的思政教育元素,實(shí)現(xiàn)思政教育與知識(shí)傳授的有機(jī)統(tǒng)一,幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀[3]。
材料力學(xué)是土木、機(jī)械、交通等理工科專業(yè)的核心課,也是工程領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)的理論基礎(chǔ),許多工程領(lǐng)域的核心技術(shù)問題往往可以歸納為力學(xué)問題[4]。該課程概念抽象、假設(shè)多、公式繁[5],原本精英教育下的學(xué)生就不易學(xué)好,對(duì)擴(kuò)招后地方高校的學(xué)生來說更是一門頭疼課。要在材料力學(xué)課程的教學(xué)過程中,既要綜合培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)能力、明辨思維、價(jià)值判斷、審美情趣、人文情懷、科學(xué)精神、國際視野、責(zé)任意識(shí)等[6],又要讓學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí),從科學(xué)經(jīng)典中求“真”,哲學(xué)經(jīng)典中問“善”,藝術(shù)經(jīng)典中見“美”,從而陶冶情操,提升境界,達(dá)到“腹有詩書氣自華” 的效果[7-8],這是教育部力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)承擔(dān)的“中國高?!鹫n’ 建設(shè)推進(jìn)平臺(tái)計(jì)劃”子課題“基礎(chǔ)力學(xué)課程思政建設(shè)的研究與實(shí)踐”的主要研究?jī)?nèi)容,也是本屆中國力學(xué)學(xué)會(huì)力學(xué)史與方法論專業(yè)委員會(huì)探討的重要課題之一。
在承擔(dān)這些課題的調(diào)研過程中,力學(xué)基礎(chǔ)課程教指委發(fā)現(xiàn)目前高校的基礎(chǔ)力學(xué)課程思政建設(shè)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(shè)還存在不平衡、不充分的問題,部分教師對(duì)課程思政的認(rèn)識(shí)僅停留于基礎(chǔ)性認(rèn)知層面,只簡(jiǎn)單地喊口號(hào)、貼標(biāo)簽,課程思政建設(shè)形式多于內(nèi)容,質(zhì)量有待提高;部分教師簡(jiǎn)單地認(rèn)為課程思政就是在課程教學(xué)中增加思政課內(nèi)容,有違課程思政的初衷。
在實(shí)施思政教育與課程目標(biāo)的融合中,堅(jiān)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(xué)生自然接受思政理念,引起情感共鳴,激勵(lì)其學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力,有效促進(jìn)課程知識(shí)的理解、掌握、拓展與深化。以下是本次課堂的開展情況。
壓桿穩(wěn)定是課程內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí),要使學(xué)生能準(zhǔn)確理解壓桿失穩(wěn)的概念,熟練掌握壓桿臨界壓力的計(jì)算方法和分析手段,全面提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的應(yīng)用能力。但與材料力學(xué)課程前置內(nèi)容中學(xué)生熟悉的解決強(qiáng)度、剛度問題的分析方法白箱法(層層剝筍法) 不同,在復(fù)習(xí)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度綜合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,為調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性,我們的做法是先通過網(wǎng)上預(yù)習(xí),給學(xué)生一些生活、工程中常見的現(xiàn)象、問題。例如,讓學(xué)生以已有的知識(shí)按強(qiáng)度條件計(jì)算鋼板尺的承壓能力,對(duì)于一長(zhǎng)為300 mm 的鋼板尺,學(xué)生按強(qiáng)度條件計(jì)算得到鋼板尺所能承受的軸向壓力可以到達(dá)4 000 N,而實(shí)質(zhì)上使用40 N 的壓力時(shí),鋼尺就已經(jīng)被壓彎而失去承載能力。通過對(duì)比分析,引導(dǎo)學(xué)生提出穩(wěn)定性的概念。同時(shí)結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)法,通過觀看網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上小鋼球在凹面、平面、凸面的運(yùn)動(dòng)特性演示動(dòng)畫,讓學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,查閱相關(guān)內(nèi)容,初步分析本次課堂要討論的“壓桿穩(wěn)定” 的問題。
在“壓桿穩(wěn)定”知識(shí)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(jié)出以下幾個(gè)遞進(jìn)性知識(shí)點(diǎn)和思政切入點(diǎn)。
(1)穩(wěn)定現(xiàn)象。穩(wěn)定性概念對(duì)于初學(xué)者來說是相對(duì)抽象的概念,蘊(yùn)含著深刻的辯證法原理:自然界和人類社會(huì)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(huì)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(yīng)用打基礎(chǔ)。
(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(duì)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(diǎn)。這里要引導(dǎo)學(xué)生注意軸向壓力和橫向干擾力的關(guān)系,即內(nèi)因和外因的關(guān)系問題,使學(xué)生養(yǎng)成以動(dòng)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(zhì)規(guī)律的能力。引導(dǎo)學(xué)生得出,在穩(wěn)定問題的分析中,應(yīng)先根據(jù)約束情況及變形形態(tài)設(shè)想結(jié)構(gòu)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(xué)建模。結(jié)合任務(wù)式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)法,設(shè)置開放性作業(yè)題目,鼓勵(lì)學(xué)生課下整理和查閱相關(guān)知識(shí),讓學(xué)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(xué)生可以透過各種現(xiàn)象探討其力學(xué)本質(zhì),鍛煉其從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和進(jìn)一步抽象出科學(xué)問題的能力,這也是馬克思主義哲學(xué)的基本思維方法,將科學(xué)研究方法有機(jī)融入教學(xué)過程之中,激發(fā)學(xué)生探索、解決新問題的興趣。
(4)臨界狀態(tài)。通過學(xué)生比較容易理解的剛性桿的失穩(wěn)模型,讓學(xué)生充分理解臨界狀態(tài)的概念,臨界狀態(tài)是一個(gè)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(shí)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(yuǎn)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(dòng)搖甚至發(fā)生了質(zhì)變和腐敗,人生面對(duì)每個(gè)紅燈和每條紅線都不能有絲毫內(nèi)心動(dòng)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(chǔ)上,對(duì)理想壓桿微彎的平衡狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算,這是一個(gè)二階微分方程問題,求解微分方程的條件是理想壓桿假設(shè),這種理想化思維方法,是研究復(fù)雜問題中“抓住主要矛盾或矛盾的主要方面”的科學(xué)思維方法。
創(chuàng)新類課程[3]為完全學(xué)分制下的一種特色選修課,存在一個(gè)教學(xué)班級(jí)的學(xué)生年級(jí)、專業(yè)背景不同的情況,不能和常規(guī)基礎(chǔ)課班級(jí)采用相同教學(xué)方法。本文在完全學(xué)分制環(huán)境下,采用多模式教學(xué)方法,對(duì)如何提高“創(chuàng)新類”課程的教學(xué)效果進(jìn)行探討。
(6)內(nèi)因是變化的根據(jù)。當(dāng)壓力逐漸增大并達(dá)到一定數(shù)值,受壓桿會(huì)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(zhì)變,量變引起質(zhì)變的原理應(yīng)用。在枯燥的理想壓桿臨界力公式推導(dǎo)中,辯證法原理的應(yīng)用既減緩了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(zhì)變化(由穩(wěn)定到失穩(wěn)),在這個(gè)由量變到質(zhì)變的發(fā)展過程中,軸力是壓桿失穩(wěn)的內(nèi)因(關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格控制。
(7) 內(nèi)因、外因的相互轉(zhuǎn)化。這里對(duì)軸向壓力和橫向干擾力的探討,又可以適時(shí)地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)前置課程內(nèi)容進(jìn)行回顧總結(jié)。在前面構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)中,載荷是外因。而壓桿穩(wěn)定設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化。同時(shí)借助信息化教學(xué)手段,用工程中大量的失穩(wěn)案例說明,壓桿失穩(wěn)的危險(xiǎn)性比材料強(qiáng)度破壞的危險(xiǎn)性更大。因此,工程師必須有足夠的、扎實(shí)的專業(yè)知識(shí),更需要有大局觀,應(yīng)對(duì)矛盾轉(zhuǎn)化、準(zhǔn)確把握內(nèi)外因轉(zhuǎn)換的條件和時(shí)機(jī),在工程構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)要統(tǒng)籌考慮,同樣的情況,穩(wěn)定性安全系數(shù)要比強(qiáng)度安全系數(shù)大得多,要加強(qiáng)未來工程師的責(zé)任意識(shí)教育。
(8)見微知著的道理。軸壓力由小到大的量變導(dǎo)致了桿件平衡性質(zhì)的質(zhì)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(dǎo),學(xué)生很容易理解理想壓桿力學(xué)模型的簡(jiǎn)化問題和見微知著的道理。讓學(xué)生結(jié)合當(dāng)今社會(huì)正在經(jīng)歷的百年未有之大變局,認(rèn)識(shí)到社會(huì)在變、國家在變,生活方式、學(xué)習(xí)方式都在時(shí)刻發(fā)生變化,作為引領(lǐng)未來設(shè)計(jì)的工程師該怎樣思考怎樣應(yīng)變,即“惟有道者,能備患于未形也”。
壓桿的臨界壓力與抗彎剛度成正比,與桿件長(zhǎng)度的平方成反比,桿件長(zhǎng)度是影響壓桿穩(wěn)定性的重要因素。在公式分析應(yīng)用過程中,可以列舉袁隆平水稻培育、果樹培育和修剪、煙臺(tái)登海玉米的培育和選種、舉重運(yùn)動(dòng)員的選拔培養(yǎng)等生活案例,再到土木工程專業(yè)“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)”。例如,臺(tái)北101 大樓外形結(jié)構(gòu)借鑒了竹節(jié),提高了抗失穩(wěn)能力。大自然給建筑設(shè)計(jì)帶來靈感,可以引導(dǎo)學(xué)生留意身邊的科學(xué),敬畏自然的同時(shí)向自然學(xué)習(xí),在工程設(shè)計(jì)過程中,既要考慮高(長(zhǎng)) 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(shí),力學(xué)就在我們周圍,說明力學(xué)基礎(chǔ)地位的重要性。由此,可設(shè)置開放性作業(yè)題,從學(xué)生完成的大作業(yè)和小論文等反饋情況來看,學(xué)生對(duì)壓桿穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)相比以往更加深刻,獲得感強(qiáng),土木工程專業(yè)認(rèn)證專家反饋效果好。
對(duì)壓桿穩(wěn)定理論發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家歐拉及歐拉公式,更是非常好的課程思政的教學(xué)內(nèi)容[7],歐拉在數(shù)學(xué)(數(shù)學(xué)分析、變分法、拓?fù)鋵W(xué)) 和力學(xué)(固體力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)) 的許多領(lǐng)域都有著開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他是迄今為止世界上最為多產(chǎn)的科學(xué)家之一,他一生的著作多達(dá)八百余部。他以驚人的毅力和頑強(qiáng)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(jiān)持科學(xué)研究,他的科學(xué)造詣和為科學(xué)而獻(xiàn)身的精神,永記史冊(cè)。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(jī)理困擾了科學(xué)界很長(zhǎng)時(shí)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(xué),很好地說明了科學(xué)發(fā)現(xiàn)必須具備的科學(xué)精神。綜上,在壓桿穩(wěn)定公式推導(dǎo)、應(yīng)用過程中,可引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)以下幾點(diǎn)。
(1)科學(xué)的研究方法。橫向干擾力不直接顯式處理,轉(zhuǎn)化為受壓桿的初始變形以隱式處理的科學(xué)研究方法。橫向干擾力以初始變形隱式處理的科學(xué)研究方法是研究近代科學(xué)混沌、分岔學(xué)科的第一個(gè)科學(xué)實(shí)例,是兩門新學(xué)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(yīng),產(chǎn)生了一個(gè)純軸壓時(shí)不存在的彎矩,該彎矩決定了平衡的性質(zhì),這是抓住主要因素建立力學(xué)模型,解決實(shí)際問題的抽象化思維方法的靈活應(yīng)用。
(3)量變質(zhì)變規(guī)律。軸向壓力由小到大的量變導(dǎo)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(zhì)變的道理、內(nèi)因與外因的關(guān)系。
(4)普遍性與特殊性的關(guān)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(xué)、物理含義不同,一方面在強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)中,力學(xué)層面上是載荷直接引起了彎矩,數(shù)學(xué)層面上是求解積分運(yùn)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(xué)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(xué)層面上是一個(gè)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(yīng)用。對(duì)歐拉公式的分析從“注重結(jié)論” 到“注重分析”,對(duì)公式結(jié)論中每個(gè)變量的引導(dǎo)分析,既能增加師生間的互動(dòng),又能讓學(xué)生在輕松愉快中增長(zhǎng)知識(shí),增強(qiáng)責(zé)任意識(shí),從而關(guān)注了學(xué)生的價(jià)值判斷、審美情趣、人文情懷。
本次“壓桿穩(wěn)定”課程思政示范課堂最后,結(jié)合啟發(fā)式教學(xué)法,引導(dǎo)學(xué)生思考?jí)簵U中局部開孔、槽對(duì)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(duì)穩(wěn)定性的影響很小,但結(jié)合“應(yīng)力集中”這一課程前置內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新性探索,啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考“局部開孔對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的影響很大”。因此對(duì)有局部開孔、槽的受壓桿件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí),還必須要考慮孔、槽處的強(qiáng)度問題,提高學(xué)生設(shè)計(jì)過程中的全局觀。
材料力學(xué)課程中蘊(yùn)含豐富的思政元素,本文通過深入探索、挖掘、總結(jié)和教學(xué)設(shè)計(jì)巧妙地將正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀教育引入課堂教學(xué)中。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明,實(shí)施課程思政,緩解了力學(xué)課大量公式推導(dǎo)的枯燥,引起了學(xué)生的興趣和共鳴,深度拓展了課程的教學(xué)內(nèi)容,增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)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(shí),我們也深刻地體會(huì)到以下幾點(diǎn)。
(1)課程思政是實(shí)現(xiàn)教書育人的重要手段:靈活運(yùn)用歐拉公式中蘊(yùn)含的思政點(diǎn),將思政點(diǎn)和專業(yè)知識(shí)有機(jī)融合,大大提高了學(xué)生的主動(dòng)性和獨(dú)立思考的能力。整堂課的思政內(nèi)容如同鹽溶于菜湯,學(xué)生能深刻體會(huì)“惟有道者,能備患于未形”“見微知著” 等道理,強(qiáng)化了學(xué)生的價(jià)值判斷、職業(yè)道德、人文情懷培養(yǎng)。
(2)課程思政是提高學(xué)生能力的重要途徑:壓桿穩(wěn)定是材料力學(xué)課程的教學(xué)難點(diǎn)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(xué)改革,結(jié)合任務(wù)式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)法,設(shè)置開放性作業(yè),鼓勵(lì)學(xué)生課下對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行整理和查閱,推導(dǎo)不同約束條件下的臨界壓力公式,并定性總結(jié)如何判斷壓桿是否存在失穩(wěn)問題、會(huì)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(huì)失穩(wěn)等系列遞進(jìn)問題,學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力明顯提高。
(3) 課程思政是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的重要載體:在前置桿件強(qiáng)度、剛度分析的知識(shí)學(xué)習(xí)、能力培養(yǎng)及思維方法訓(xùn)練基礎(chǔ)上,對(duì)比壓桿穩(wěn)定的系統(tǒng)分析方法,通過“從現(xiàn)實(shí)問題的提出、力學(xué)模型的建立、數(shù)學(xué)模型的求解、結(jié)果的分析來解決復(fù)雜工程問題”對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)訓(xùn)練,很好地培養(yǎng)了學(xué)生的思維方法以及探索未知、追求真理、勇攀高峰的科學(xué)精神。