力学教学中的人文素质教育探微

2010-04-11张东晓

黄河水利职业技术学院学报 2010年3期

张东晓，李萍

(洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳 471023)

0 引言

大学教育应当是融科学技术教育和人文教育于一体的全面素质教育。已故钱学森院士认为：“一个有科学创新能力的人不但要有科学知识，还要有文化艺术修养，没有这些是不行的”[1]。要求理工科学生多一些人文修养，其目的使他们具有宽广的知识面，能够建立起世界的联系，从而更好地解决实际问题。人文素质教育是一种新的教育理念，实施人文素质教育是一项系统工程，不仅体现在为学生开设哲学课、心理课和艺术课上，更应该体现在教学的各个环节和各个方面，从而达到专业和人文素质教育的同步推进的目的。

力学是工科专业重要的专业基础课，与工程实践结合紧密，同时力学又具有独特的文化特色，蕴含深厚的人文理念，对大学生的基本能力培养和人文素质教育具有重要的作用。作者试结合多年力学教学的实践，对力学教学中如何实施学生的人文素质教育进行了探索。

1 力学教学中的辩证唯物主义思想教育

辩证唯物主义的世界观和方法论是全面、正确认识社会和自然界的重要方法，在力学课程的很多内容上得到充分的体现。应在教学过程中提炼与之相关、对应的哲学命题，渗透辩证唯物主义的教育，引导学生树立正确的人生观和世界观，培养学生的创新素质。

1.1 唯物辩证法在力学教学中的应用

唯物辩证法认为，事物是一分为二的，具有两重性。例如，在分析低碳钢的冷作硬化现象时，可将弹性承载能力的提高和塑性变形的减小简练地概括为“此长彼消”。变形现象也是一样的，对于承重的梁和机床的主轴而言，变形越小越好；但对于弹簧而言，变形可以缓冲减振，大一些更好。又如在分析材料的力学性质时，人们一般认为，低碳钢是一种典型的塑性材料，而铸铁是典型的脆性材料。而实际上，塑性与脆性是对立统一地存在于材料中的两种性质，当特定的条件下某一种性质比较强势，材料就比较明显地表现出这种性质；当条件发生变化时，这两种性质也会随之发生相应的变化。比如当低碳钢3向受拉时，就表现出脆性的一面；而当铸铁受压时，则表现出塑性的一面。唯物辩证法还认为，应透过现象看本质，抓住事物的主要矛盾和矛盾的主要方面；矛盾是相互转化的。例如，对构件进行设计时，其安全性和经济性是相互对立又相互依存的。考虑经济性，会导致安全性的下降；注重安全性，必然带来经济成本的上升，但安全系数的增大，反过来又可以降低经济成本。因此，在进行构件的强度计算时，应在保证安全的前提下考虑经济性，即抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，使矛盾向有利的方向转化。又如，梁的横截面上同时存在正应力和切应力，对于一般情况下的细长梁，正应力是支配梁强度的主要因素；但对于截面高狭的短梁，截面上的切应力则可能转变为梁的强度因素，即矛盾是相互转化的。

唯物辩证法在力学中成功应用的例子不胜枚举。在组织力学教学时，如果能有意识地把唯物辩证法的观点融入教学内容，将有助于学生形成辨正唯物主义的世界观和方法论。

1.2 普遍性和特殊性在力学教学中的应用

“普遍性寓于特殊性之中，而多个特殊性又表现普遍性”这样的辩证关系，也体现在力学课程许多内容中。例如，在理论力学中，平面力系是特殊性，而空间力系是普遍性；而在平面力系中，平面汇交力系、平面力偶系是特殊性，一般力系是普遍性。基于对力系关系的这种辩证认识，学生不仅可以牢固掌握各种力系的平衡方程，而且能够深刻理解各种力系平衡方程的区别与联系。又如，材料力学中杆件的四种基本变形以及组合变形，各有其自身的规律和理论公式，这是其特殊性。但各种变形的应力，都与内力和截面的几何性质有关；杆件各种单位长度的变形，都与内力、截面的几何性质和杆件材料的弹性模量有关，而截面的几何性质和杆件材料的弹性模量的乘积，是杆件抵抗某种变形的刚度，这就是它们的普遍性。经过这样的归纳、概括，各种变形的应力就可以用一个公式来表示，即：

应力＝内力/截面几何性质

杆件各种单位长度的变形，也可用一个公式来表示，即：

单位长度的变形＝内力/杆件的变形刚度

不同的变形对应于不同的内力和截面的几何性质。所以，根据普遍性和特殊性的辩证关系得到的是一种普遍的规律，即最简单的公式。这样，学生不仅能记住这些公式，而且对各种变形理论和各个物理量的概念理解得会更加深刻。

2 力学教学中的美学教育

力学与美学是和谐统一的。生活中有许多美好的事物，如巧夺天工的古建筑、亭亭如华盖的树木、气贯长虹的大桥等，都蕴含着丰富的力学知识。在力学教学中，应努力发现并阐释力学中的美，引导学生去感受这种美。从而使学生在获得知识的同时，不断享受力学的美，并在潜移默化之中提高自身的美学修养和人格品位[2]。

2.1 生物形体体现的力学原理

大千世界中，最奇妙、最美丽的莫过于生命现象。比如母鸡孵小鸡时，鸡蛋壳能够承受母鸡的重压。但它作为脆性材料，在小鸡尖喙的啄击下，会产生应力集中而破裂，小鸡很容易破壳而出。又如动物的心脏和大脑，作为最重要的生命器官，就是由结构最为合理的拱和壳保护的。自然界中，高大挺拔的乔木要承受不同方向的风力，就形成圆形的合理截面；而袅袅婷婷的竹子生长迅速，则以有限乃至最少的材料形成最为经济的筒形空心结构，这种形状能显著提高竹子的抗弯能力。树木和竹子截面上细下粗，适应悬臂梁的受弯特征。大自然赋予树木和竹子的美好造型，也完全符合力学的合理性。

2.2 建筑结构体现力与美的结合

在人类文明的成果中，力与美成功结合的例证无处不在。例如，中国古代宫殿和庙宇建筑中使用的木柱，其柱高与横截面的比例，唐、宋时期一般为8：1 或9：1；明、清时期一般为10：1。这样的长细比，可以充分表达古建筑雄浑、庄严的个性[3]。由建筑力学可知，当长细比λ≤10 时，折减系数φ≥0.9。因此，木柱8：1～10：1 的长细比，可以不考虑"失稳"问题，从而达到合理利用材料的目的。由于古代工匠并不懂得稳定理论，所以他们完全是凭借自身的智慧和大量的实践，根据材料的实际状态和审美需求来建造房屋的。古代工匠在力学和美学上的高超水平由此可见一斑。又如，在许多园林、景区或江南水乡，可以看到不少拱桥，通常拱肩处厚重，拱顶处极薄，形成了鲜明的虚实对比，又极富力度感。从力学的观点看，拱肩厚重可以提供较大的水平推力；而拱顶处的弯矩、剪切力和轴力都很小，故可以做得极薄。这样，波光粼粼中曲线优美的拱桥与环境融为一体，相得益彰，达到了力学与美学的高度统一。

2.3 形体受力的逻辑之美

力学来源于实践，又指导实践。在力学的发展过程中，逐渐形成了一种科学的思维和研究方法，即善于从错综复杂的自然现象、实验结果和工程实践中抓住事物的本质，抽象成力学模型，运用数学的工具进行演绎，进而得到定理、公式等系统理论；然后，在实践中检验和修正这些理论。这种研究方法体现出一种理论推理的逻辑之美，通过力学教学使学生感受这种美，从而培养学生的逻辑思维能力，其重要性不亚于获取力学知识本身。值得注意的是，力学建模的过程，就是“将复杂问题简单化”的过程，体现了力学的简约之美，因此，力学的研究方法本身就是逻辑美与简约美的完美结合。另外，在力学中，许多理论和定理也是用极为简洁的数学表达式来表示的，体现出一种既经典又简约的美。

3 力学教学中的品德教育

3.1 力学教学中的思想修养教育

强度、刚度和稳定性是材料力学中最重要的概念，这些概念同样闪耀着人性的光辉。任何受力构件都有强度、刚度和稳定性，做人也应有自己的“强度、刚度和稳定性”。所谓做人的“强度”，即做人要坚守道德底线。受力构件的断裂是从被腐蚀破坏的危险点开始的，同样，人的思想道德防线也是从最薄弱的环节开始崩溃的[4]。所谓做人的“刚度”，即做人不能遇到问题和困难就低头弯腰、退避三舍。由此还可引用“富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈”[5]来警示学生。在分析细长杆件受压时表现的3种状态（即稳定平衡状态、不稳定平衡从动态和中性平衡状态），可以由此联系到人在遇到挫折和打击时坚忍不拔、一蹶不振和随遇而安的人生态度[6]。在力学教学中，可以通过这些概念的引申，诠释做人的道理，提醒学生必须时刻加强自身的思想品德修养。

3.2 力学教学中的社会责任感教育

结合力学的授课内容，有意识地对一些重大工程事故进行力学分析，可以增强学生对社会的责任感。例如，在学习悬臂梁上的弯矩时，笔者结合媒体报道，讲述了一例工程事故:一楼民用住宅楼的阳台坠落，连续将其下的若干层楼的阳台砸坏。梁与墙在连接处配筋不足是导致事故的根本原因。通过分析该工程事故，学生们不仅理解了弯矩最大的固定端截面是危险截面，而且明白了这种结构可能发生的破坏形式。又如，在讲授剪切的概念时，以滑坡这种地质灾害为例，说明剪切变形的实质。并指出上海的倒楼事故，实际上由于没有科学施工导致的人为滑坡引起的。通过分析这些工程事故背后的力学原理，可以告诫学生们一方面要学科学、懂科学，另一方面更要明白自己所肩负的社会责任。