孫曉勇 ， 李樹謙 ， 李桐棟 ， 侯娜娜 ， 仝國(guó)軍

（1.河北水利電力學(xué)院土木工程系，河北 滄州 061001；2.河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 滄州 061001）

0 引言

“工程力學(xué)”課程對(duì)工科專業(yè)有重要作用，是主要基礎(chǔ)課程之一，其重基礎(chǔ)理論且兼顧應(yīng)用[1]?！肮こ塘W(xué)”的學(xué)科特點(diǎn)是理論與實(shí)踐聯(lián)系密切，既包含很多基本概念，又有很多邏輯推理和實(shí)際計(jì)算，因此造就了其習(xí)題多樣化的特點(diǎn)。20世紀(jì)70年代后，我國(guó)的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)逐步發(fā)展起來[2]，其與土木、建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、能源、水利水電、國(guó)防工程等多方面專業(yè)都有聯(lián)系。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市建設(shè)過程中高層甚至超高層建筑數(shù)量逐漸增多，建筑結(jié)構(gòu)的超高高度使得土建工作者實(shí)際操作過程中必須精通必要的力學(xué)知識(shí)，工程力學(xué)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用，同時(shí)保證了建筑的使用壽命。在能源工程方面，無論是風(fēng)能、電力、石油，還是核能工程建設(shè)，都必須有力學(xué)知識(shí)的融入。如在建設(shè)核電站時(shí)，工程力學(xué)可以保證反應(yīng)堆外殼的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性滿足使用要求，從整體上提升工程安全性。在水利水電工程方面，如長(zhǎng)江三峽水利工程建設(shè)過程中，河流動(dòng)力學(xué)、通航水力學(xué)都發(fā)揮了巨大作用。在國(guó)防工程方面，無論是建設(shè)機(jī)場(chǎng)還是港口，或者是在飛機(jī)、導(dǎo)彈等方面的研究過程中，力學(xué)都發(fā)揮了無法忽視的作用，很多偉大的導(dǎo)彈專家如錢學(xué)森等都有很深的力學(xué)素養(yǎng)。國(guó)家不斷加大對(duì)碳排放和碳中和的要求[3]，各種能源減排設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用日益增多。在工程實(shí)際工況中，這些設(shè)備復(fù)雜的受力以及變形情況，使得力學(xué)知識(shí)廣泛應(yīng)用于我國(guó)多種類型的項(xiàng)目工程建設(shè)中。技術(shù)分析研究者通過分析力學(xué)知識(shí)與工程類型要點(diǎn)，整合理論與實(shí)踐，通過實(shí)踐系統(tǒng)更新研究成果充實(shí)力學(xué)學(xué)科，反過來又服務(wù)于實(shí)踐，因此，注定了“工程力學(xué)”課程開設(shè)的必要性。通俗地說，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程是建筑物里面設(shè)計(jì)各種管線的；建筑學(xué)是設(shè)計(jì)建筑物的；工程力學(xué)的作用是為大型施工企業(yè)或研究單位對(duì)涉及的工程進(jìn)行安全檢測(cè)與結(jié)構(gòu)合理評(píng)判提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐的。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃里，由“微積分”“高等物理”“計(jì)算機(jī)知識(shí)”“工程制圖”“基礎(chǔ)外語”等作為基礎(chǔ)課程，進(jìn)而研究諸如“機(jī)械設(shè)計(jì)”“工程力學(xué)”“電工電子學(xué)”“C語言”“CAD”等第一層專業(yè)基礎(chǔ)課。第二層專業(yè)基礎(chǔ)課是諸如“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”“流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”“流體輸配管網(wǎng)”“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”“建筑環(huán)境學(xué)”“自動(dòng)控制原理”等課程。打好基礎(chǔ)后，進(jìn)入專業(yè)課領(lǐng)域，包括“制冷原理及應(yīng)用”“鍋爐與鍋爐房設(shè)備”“空調(diào)工程”“通風(fēng)工程”“建筑給排水”“建筑電氣”“建筑自動(dòng)化”和專業(yè)實(shí)習(xí)等[4]。由此可見，“工程力學(xué)”屬于培養(yǎng)計(jì)劃中“打地基”的學(xué)科之一，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)均會(huì)造成一定的影響。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)開設(shè)的“工程力學(xué)”課程，內(nèi)容主要包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和材料力學(xué)三部分。目前大部分學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)安排學(xué)時(shí)基本在56學(xué)時(shí)或64學(xué)時(shí)，其中課堂講授課時(shí)約占90%，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)約為10%[5]。“工程力學(xué)”課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多、概念抽象、理解困難，而教學(xué)目標(biāo)和計(jì)劃中要求加快教學(xué)進(jìn)度，但學(xué)生思維跟不上，形不成完整的力學(xué)體系。因此，要從教學(xué)思想上徹底改變，努力讓學(xué)生思維成為一個(gè)閉環(huán)，盡可能多傳授力學(xué)思想，調(diào)整教學(xué)體系，培養(yǎng)出符合要求的“一大批具有國(guó)際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果的重大突破”[6]，對(duì)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展有更為突出的意義。

1 教學(xué)內(nèi)容與時(shí)間排布

“工程力學(xué)”主要研究力學(xué)和數(shù)學(xué)的基本理論和知識(shí)，研習(xí)二維、三維繪圖，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段解決與力學(xué)有關(guān)的工程問題。例如：橋梁的總承重計(jì)算、室內(nèi)墻體的強(qiáng)度和受重分析計(jì)算、建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等?！肮こ塘W(xué)”培養(yǎng)具有力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)、計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)芰Γ茉诟鞣N工程（如機(jī)械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等）中從事與力學(xué)有關(guān)的科研、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)和力學(xué)教學(xué)等工作的高級(jí)工程科學(xué)技術(shù)人才。

在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)領(lǐng)域中，與“工程力學(xué)”相關(guān)的部分主要是各種建筑能源設(shè)備和給排水管道在工程中的變形和受力情況分析，所以“工程力學(xué)”并非全部要講，遴選合適內(nèi)容可以聚力于點(diǎn)，以點(diǎn)破面。靜力學(xué)是所有力學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，是所有工科專業(yè)力學(xué)學(xué)習(xí)的基石；運(yùn)動(dòng)學(xué)研究點(diǎn)和剛體的基本運(yùn)動(dòng)；材料力學(xué)判定材料在多種基本變形下哪里最易破壞、破壞原因?yàn)楹?、怎樣避免破壞，與實(shí)際工程有很高的相關(guān)度，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)和工程鑒定而言必不可少。

“工程力學(xué)”是對(duì)建筑能源設(shè)備和給排水管道在工程中的變形和受力情況進(jìn)行分析的課程。因此，將“工程力學(xué)”作為專業(yè)基礎(chǔ)課在大二上學(xué)期開設(shè)，可為后續(xù)其他專業(yè)課的開設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，學(xué)生在將來接觸專業(yè)課知識(shí)時(shí)，遇到相關(guān)力學(xué)問題，便可迎刃而解、事半功倍。學(xué)生解決難題的成就感帶來對(duì)專業(yè)課積極性的快速提高，提高了專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。

2 教學(xué)手段與方式方法

現(xiàn)有“工程力學(xué)”課程以課堂講授為主，課時(shí)占比90%。概念抽象、計(jì)算煩瑣、推理復(fù)雜，學(xué)生若不充分地進(jìn)行復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)就會(huì)難以理解。為調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，針對(duì)性解決問題，首先要提高學(xué)生數(shù)學(xué)思維能力和邏輯思考能力，授課期間多舉實(shí)際例子、多做實(shí)驗(yàn)以激發(fā)學(xué)生興趣。

2.1 增加教學(xué)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作能使其直觀地感受到力學(xué)的趣味性和實(shí)用性，在以課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中，隨之而來會(huì)有學(xué)有可用的成就感，知識(shí)理解更為透徹。同時(shí)也有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手以及科研創(chuàng)新能力。目前建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的“工程力學(xué)”授課過程中，材料力學(xué)章節(jié)會(huì)有一些簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，如低碳鋼與鑄鐵拉壓實(shí)驗(yàn)、圓軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、彎曲正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)無一不和理論教學(xué)息息相關(guān)，是教學(xué)過程的極大加強(qiáng)與補(bǔ)充。理論力學(xué)章節(jié)較抽象，故為提高趣味性，適時(shí)增加相關(guān)的趣味小實(shí)驗(yàn)，如動(dòng)量矩守恒定律：在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂外側(cè)掛有重物，旋轉(zhuǎn)臂的伸長(zhǎng)會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)速率降低，而旋轉(zhuǎn)臂收回時(shí)又會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)速率[7]。對(duì)于脆性材料的扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)理研究，可以課堂上演示用黃瓜代替扭轉(zhuǎn)破壞，會(huì)產(chǎn)生明顯的與橫截面呈45°角的斷口。而對(duì)于桿件受力組合變形，可用橡皮泥制作成搖桿演示彎扭組合變形。在壓桿穩(wěn)定章節(jié)，制作細(xì)長(zhǎng)PVC管兩端受壓模具，演示臨界壓力隨長(zhǎng)細(xì)比變化的規(guī)律[8]。此類小實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便易行、生動(dòng)直觀，有很好的效果。而對(duì)于較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可利用多媒體教學(xué)設(shè)備放視頻展示。盡一切努力減弱力學(xué)枯燥無味、抽象呆板的課程特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生積極性。教師更應(yīng)總結(jié)教學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，編撰“工程力學(xué)”實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等用于輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到理論結(jié)合實(shí)踐共促互補(bǔ)的目的。

2.2 理論聚焦實(shí)踐

力學(xué)課程里抽象概念多，力、運(yùn)動(dòng)、能量等概念不是肉眼可見的實(shí)體，難以理解。所以在授課過程中，多舉生活中具象的例子，可激發(fā)聯(lián)想、加深印象。比如“非自由體”的概念是某個(gè)方向位移受到阻止的物體，“約束”的概念是“限制非自由體某個(gè)方向位移的周圍物體”；那么在授課時(shí)，“自由體”的概念就可以舉“飛機(jī)”的例子，它在空中是“自由”移動(dòng)的，沒有“約束”；而“非自由體”可以舉“拴在地上的氣球”的例子，它不能飛離地面，拴氣球的繩子就是賦予它的“約束”?？臻g力系中，講到“力對(duì)軸的矩”時(shí)，“如果力和軸同一平面，則力對(duì)軸的矩為零”[9]，教師可以以教室的門為例，當(dāng)門把手的受力和門軸相交或平行時(shí)門無法轉(zhuǎn)動(dòng)；講拉伸變形時(shí)，舉“拉面”的例子；講扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，舉“擰麻花”的例子；講彎曲變形時(shí)，舉“扁擔(dān)挑水”的例子。這樣能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓沉悶的課堂氣氛活躍起來，即使再懶惰的學(xué)生也會(huì)慢慢地加入到探索分析的隊(duì)伍中。

3 多方面課程考核

在“工程力學(xué)”授課過程中，教師除講解基本概念、帶領(lǐng)大家推導(dǎo)公式、示范學(xué)生如何解題外，還要增加學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手的過程。因此，在期末考核時(shí)，要包含除試卷外的其他考核方面，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的面要更廣一些。項(xiàng)目小組的做法是：以理論考試為主，約占比60%；實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和平時(shí)表現(xiàn)共占比約40%。實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)不僅是實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，還有實(shí)驗(yàn)過程中的主觀能動(dòng)性、動(dòng)手能力、安全意識(shí)、主人翁意識(shí)。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不能只是聽老師講，不能只動(dòng)手不思考，要在實(shí)驗(yàn)課上活躍起來，這恰恰也是課程思政方向的新要求[10]。平時(shí)表現(xiàn)包含平時(shí)的一些討論，如看圖講原理、觀影說原因，在實(shí)際現(xiàn)象中挖掘內(nèi)在的科學(xué)原理。將實(shí)踐環(huán)節(jié)和平時(shí)表現(xiàn)計(jì)入總成績(jī)以后，勢(shì)必會(huì)讓學(xué)生更加重視平時(shí)的思考與跟進(jìn)，由被動(dòng)變主動(dòng)，課堂變得豐富而又氣氛熱烈。不唯學(xué)生，教師也會(huì)因此而更加關(guān)注學(xué)生，真正地做到把課堂還給學(xué)生，更多的關(guān)注能讓教師加深對(duì)學(xué)生的了解，達(dá)到更好的教學(xué)效果，培養(yǎng)更優(yōu)秀的傳承者和突破者。

4 結(jié)語

對(duì)于建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)來說，“工程力學(xué)”課程無論是在校期間，還是從事相關(guān)工作后，都有舉足輕重的作用。教師在授課過程中，必須結(jié)合學(xué)校整體專業(yè)側(cè)重和方向把控，緊跟建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，有的放矢，真正做到以培養(yǎng)學(xué)生為中心，讓授課“活起來”，緊跟時(shí)代發(fā)展，積極響應(yīng)黨和政府的號(hào)召，緊密貼合學(xué)科發(fā)展和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，努力向培養(yǎng)綜合素質(zhì)過硬人才的目標(biāo)靠攏，以培養(yǎng)出基本功扎實(shí)、知識(shí)面寬、符合建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求的高素質(zhì)人才。