发挥工程力学的独特作用加强新时期土木工程师培养

周 基

（湖南科技学院 土木工程与建设管理系，湖南 永州 425100）

发挥工程力学的独特作用加强新时期土木工程师培养

周 基

（湖南科技学院 土木工程与建设管理系，湖南 永州 425100）

力学不仅是一门基础科学，也是一门技术科学。深厚的力学基础和熟悉力学分析问题的方法是土木工程师必须具备的条件。本文在分析工程力学知识结构特点及新时期土木工程师培养目标的基础上，结合作者的教学、实践体会，探讨了工程力学课程在培养新时期土木工程师全面素质和综合能力所具有的独特作用。

工程力学；应用型人才；土木工程师；素质教育

力学不仅是一门基础科学，同时也是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。力学的原理广泛地应用于机械、建筑、航空、 水利、船舶、海洋、地质、地震、勘探、材料等工程领域，对现代科技的发展起着极大的推动作用。它不仅在内容上，而且还在思维方法和研究问题的途径上给予工程技术人才的培养以重要的启迪。高等教育担负着培养高级专业人才、发展科学技术文化和促进现代化建设的重大任务。在国内外几乎所有的工程技术专业中都将力学作为必修课。工程技术人员的实践活动有赖于其思维能力和实践能力的培养。深厚的力学基础和熟悉力学分析问题的方法对工程技术人员来说是必须具备的条件。

一 工程力学的知识结构及其特点

力学是物理学最古老的一门分支学科，自从其建立发展到如今已有三百多年的历史，已经形成了自己的完整的理论和知识结构体系，这不仅表现在一些重要的古典著作中，而且也体现在各种传统的教材中，其力学知识结构的基本框架如图1所示。

工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。工程力学是一门从生产实践中产生、发展、又紧密应用于生产实际的课程，作为现代工程技术重要的理论基础之一，是高等工科院校重要的技术基础课。它在基础课和专业课之间起着桥梁的作用， 其课程中所讲授的力学思想、基本理论和技能方法，对大学生来讲，是今后工作和再学习的必备基础。工程力学课程具有如下特点：

（图1. 力学知识结构的基本框架）

（一）理论联系实际

工程力学的基本规律正是通过人类对生活、生产中的各种现象进行观察后，经过科学实验、分析、综合、归纳、总结而得；工程力学中的计算简图和力学模型都是由具体实物经过抽象化、理想化简化而得的；工程力学的理论体系是在力学模型、基本规律的基础上，经过逻辑推理和数学演绎而建立的。同时工程力学的理论又服务于生产、工程实际及科学技术研究。指导了人类生产出的生产工具、制造的工程机械与建造的工程结构既经久耐用，又造价低廉。理论与实践的相互促进与良性循环，不断地发展完善了工程力学的理论体系与工程实际应用。

（二）工程力学课程具有相对性、灵活性、综合性及可操作性等特点

工程力学中抽象化的力学模型是具有相对性的，当条件改变时力学模型也有相应的变化，如：在理论力学中忽略物体的变形，故将其简化为刚体，而材料力学中则将其简化为变形体；运动分析中，各种运动及运动量也都随参考系而变；工程力学中的一些问题可以一题多解，因而要对实际问题进行具体分析， 灵活运用理论知识从不同的角度来分析、解决问题；工程力学中的许多问题都需要综合运用多个定理或多方面的知识、理论才能求解；同时工程力学课程要求学生自己动手做实验、通过观察实验现象，分析试件变形、破坏的原因，根据实验数据归纳、分析、推导出理论公式，具有很强的实践操作性。

对于在校大学生学好了力学，既可以直接解决一些简单工程实际问题，又可以为后续的有关课程打好基础，同时掌握工程力学的研究方法，将有利于其它科学技术的学习。可以增强工程创新意识，对培养新时期土木工程师的全面素质和综合能力方面具有重要和独特的作用。

二 新时期土木工程师培养目标

新时期土木工程师的主要培养目标是培养创新能力强、适应我国经济社会发展需要的实用型工程技术人才。要求掌握土木工程学科如工业与民用建筑、桥梁工程、道路工程、岩土与地下工程等相关领域的基础理论和基本知识，获得土木工程师的基本训练并具有创新精神，为我国建设创新型国家提供坚实的人才支撑和智力保证。新时期土木工程师应具备以下几方面的知识和能力：

（1）具有较扎实的自然科学基础，了解国内外土木工程科学和技术的理论前沿、应用前景及发展动态。

（2）掌握本专业比较系统的工程力学、钢筋混凝土和钢结构、土力学与地基基础、房屋建筑学、道路桥梁工程、地下结构、工程施工和土木工程造价等方面的基本理论和基本知识。

（3）具有熟练正确的制图能力以及计算机应用和试验仪器使用的基本能力，具有综合应用各种手段(包括外语工具)查询资料、获取信息的初步能力。

（4）掌握与土木工程相关的技术经济分析方面和生产管理方面的知识；了解土木工程主要法规。

（5）具有进行土木工程设计、施工、检测、监理、造价和管理等方面的初步能力。

（6）有较强的调查研究与决策、组织与管理、交流沟通和团队协作的能力，具有独立获取知识、信息处理、终生学习和创新的基本能力。

（7）具有较好的人文科学素养、较强的社会责任感、良好的工程职业道德和良好的质量、环境、安全和服务意识。

（8）初步具备应对危机与突发事件的能力以及一定的国际视野和跨文化环境下的交流、竞争与合作的能力。

三 发挥工程力学在培养新时期土木工程师中的独特作用探析

高等学校在给学生传授科学知识，还必须注重学生综合素质的培养和提高，培养学生的工程意识。工程力学课程在培养新时期土木工程师中发挥着独特的作用。

（一）加强辩证唯物主义，树立科学世界观

工程力学是一门理论性较强、应用广泛的技术基础课，其规律和处理问题的方法被广泛应用于各个工程领域中。它具有严密的科学性和逻辑性，充满着丰富的辩证唯物主义的认识论和方法论。在教学中进行辩证唯物主义教育的关键在于挖掘和寻找教学内容中所蕴含的辩证唯物主义思想，并进行适当的组织、有机地结合展现给学生。例如，在静力学的学习中，空间任意力系是刚体受到的最一般的力系，而其它各种力系均是空间任意力系的特殊情况，特殊的总是寓于普遍之中的，这是由矛盾的特殊性和普遍性的辩证关系确定的，因此空间平行力系的平衡必然遵循着空间任意力系的平衡方程，其平衡方程可启发学生由空间力系的平衡规律直接推导出来。又如，在剪切与挤压的学习当中，剪应力和挤压应力的工程计算公式是来源于实践工程中的经验公式，它被广泛的应用于各种剪切与挤压的计算中，这体现了认识来源于实践，反过来又指导实践活动的辩证唯物主义思想。所以，通过工程力学的学习，可使学生在掌握力学基本知识和技能的基础上逐步形成辩证唯物主义的科学世界观，从而逐渐掌握认识世界、处理问题的科学方法，而辩证唯物主义观点的形成，又反过来可以帮助学生更好的去掌握、应用力学知识和技能，从而也就提高了学生的科学素质。

（二）促进学生思维能力发展，培养灵活、综合分析问题和解决问题的能力

学生的思维能力是理解知识的必要因素，又是巩固知识的重要心理条件。工程力学不仅能训练学生灵活分析问题和综合处理问题的能力，而且还能使学生学会正确的思维方法。在工程力学学习过程中，结合工程实践、多媒体及实验等一系列直观教学，让学生感知力学现象，遵循“感知——表象——概括”的思维过程，使学生学会分析和综合、比较和归纳、抽象和概括、系统化和具体化、归纳和演绎等正确的思维方法。同时通过进行类比、引伸、一题多解及举反例等多种思维方法的培养，使学生克服思维障碍，培养学生的逆向思维、发散思维和复合思维能力。例如，学习“摩擦”这一章时，引导学生用“一分为二”的观点分析工程力学中普遍存在的摩擦现象。摩擦会增加运动阻力、消耗能量、产生高温、磨损机件，摩擦力常称为有害的阻力；但在工程中又经常利用摩擦有利的一面，例如摩擦离合器或带式传动就是利用摩擦来传递动力。理论联系实际，使学生掌握摩擦的规律和摩擦力的计算，知道如何减少摩擦以提高效率、减轻磨损、延长机器和工具的使用寿命，同时又懂得有效利用摩擦力为生产和生活服务。

正确的思维方法为学生掌握实际操作技能提供了智力基础。工程力学作为专业基础课，不仅培养学生接受新事物的能力，而且能锻炼学生逻辑推理、分析综合和空间想象能力。力学问题的分析和计算过程，是对学生想象、认知、记忆、创造等多种能力以及灵活性的综合训练过程。

（三）着重培养理论联系实际的能力，加强工程意识

工程力学中力学模型和练习题，基本上都是由工程实际中的各种构件、零部件或构筑物简化抽象而得的。利用多媒体，结构工程或生活中的实例分析各种力学模型及例题，学生既能理解力学模型，又培养学生理论联系实际的能力及抽象化能力。例如：自行车等各种刹车装置都抽象为铰链联接模型；房屋的横梁、厂房里的吊车梁、桥梁等都抽象为简支梁；机械传动轴、汽车的大梁等都抽象为外伸梁；电线杆、房屋的雨蓬、阳台等都抽象为悬臂梁；房屋的屋架、塔架等都抽象为桁架等等。工程力学中对构件的主要变形进行的强度、刚度和稳定性计算时，只考虑构件的主要变形及引起变形的主要因素。在实际工程设计中常常运用“忽略次要因素和次要变形”这种方法进行简化计算，可以保证设计的构件既能安全工作又节省材料符合经济合理原则。

（四）构建逻辑思维(包括推理、分析、判断等)、文字、图像及数字表达能力

工程力学的理论是经过实验、分析、归纳、总结及逻辑推理和数学演绎而建立，求解工程力学中的习题需要进行分析、判断、应用理论并计算，既要用文字又要用图形表示。工程力学课程中的解题训练是培养工程技术人员基本素质的一个重要环节。

工程力学课程中，由力的概念到力系的平衡条件，由绝对运动、相对运动、牵连运动的概念到点的速度及加速度合成定理；由基本变形到组合变形；由静载荷到动载荷等等，每一个概念的提出，每一个定理的推导及应用，一环扣一环，层层递进，形成一个严密的逻辑链。透过这些知识的联系和分析，可以培养学生严密的逻辑思维能力。

工程力学课程中的大部分例题及习题均来源于工程实践，通过工程力学课程的学习，可使学生了解解决工程实际问题的具体方法和步骤，即从抽象、简化实际构件建立力学模型入手，通过对力学模型的受力分析，按平衡条件由已知力求未知力，然后按强度、刚度及稳定性要求，选择合适的材料，设计出既安全、又经济的结构尺寸，以满足具体工程要求。

（五）提升实验观察、分析、动手与计算机运用能力

工程力学课程要求学生自己动手做实验、通过观察实验现象，分析试件变形、破坏的原因，根据实验数据归纳、分析、推导出理论公式。力学实验课应当为理论教学服务，在常规的验证性力学实验的基础上，通过开设一系列创新性实验设计，例如仅布置弯扭组合实验的题目，让学生根据实验要求自行制定实验方案并独立完成实验。使学生在独立实验中获得知识和技能，其实验观察能力、实验基本技能、独立实验能力都得到了很好的培养。

随着计算机应用的日益普及，可以运用计算机这一有力的计算工具解决力学具体工程实际问题。将计算机的学习和应用贯穿于整个力学学习期间，结合计算机仿真模拟的优越性，来模拟解决一些与实际工程背景较为接近的问题，从而提高学生运用计算机的能力和解决实际问题的能力。同时工程力学课程中的大部分习题计算量比较大，为此，可以编程序用计算机计算。这样做既可以保证学生的计算机学习不断深入，又培养了学生运用计算机的能力，对以后解决工程实际中大型计算问题无疑是一个十分有益的培养、训练。

（六）增强工程结构优化设计，促进技术与经济相融合能力

在工程力学实际应用中的基本原则是充分发挥材料的强度潜力和贮能（应变能）能力，实现等强度或等应变能密度状态，以达到用料最省和结构最轻的目标。在工程界，所有的成功的案例无不从力学分析入手，利用最优化设计方法，去探讨新型的结构，通过力学荷载及其结构的方案优化，有效地解决工程力学中安全和经济性这一对矛盾，达到节省材料、受力合理、使用方便、美观大方等目的。例如在某大型车间，如何用现有的起吊重量只有5吨的吊车吊起10吨的重物？经过从工程力学中提高弯曲强度的措施出发，进行了结构优化，改进了装置（如图2所示），结果就吊起了10吨的重物。

（图2. 力学应用优化设计实例）

在工程力学教学过程中，我们应始终遵循从力学的最优化原则入手，结合工程实例，增强学生工程结构优化设计，促进技术与经济完美融合能力的提高。

（七）培育审美能力

工程力学无论是在内容上、形式上，还是在研究过程中，处处洋溢着美，这种美体现在数学公式的严整性里，体现在哲学推理的逻辑性里，展示在内在结构的和谐中。雄伟壮丽的电视塔、方便好用的易拉罐、厂房里漂亮的鱼腹梁、铁路轨道的工字钢、机器中的紧配合等等，都蕴含着丰富的力学知识，无不体现了力学之美。工程力学中许多定理使用极为简洁的数学表达式，从而体现出一种经典而又简洁的美；从理论力学到材料力学，又表现出动态的协调美。

当使学生认识到工程力学中有美，进而领略和欣赏到其中的美，自然就能激起学生自己去寻找、发现蕴涵在力学中的美。当学生能从被动接受转到自觉学习，他们的学习动机就发生了质的变化，所能取得的成就也会发生质的飞跃。当他们能够灵活运用工程力学的知识，经过严谨缜密的推理和准确的计算解出一道道题时，就会享受到创造美的乐趣。在工程力学课程学习中，挖掘工程力学中所蕴含的各种美，并将其美的现象紧密关联，与生活经验结合起来，引导学生去感受这种美。这样，学生在知识增长的同时，其审美鉴赏力、人格也得到熏陶和提高。

（八）强化社会责任感及增强处理工程事故的能力

目前，全球工程事故频发不断，工程事故能造成人员伤亡和经济财产等的重大损失。事故的原因涉及到力学、材料学、数学、构造学、设计方法、施工技术、质量管理学等多方面知识。工程力学教材中常见的强度、刚度、稳定性、材料的力学性质等知识相关的工程事故案例非常之多，而且工程事故具有残酷、切肤之痛，给人心灵以强烈震撼等特点，通过这些案例的引入、分析引起学生的高度关注，把看似枯燥的力学知识在事故分析中得以激活，为培养学生的工程素质打开一条通道，有利于强化学生社会责任感，培养学生的责任意识、安全意识、严谨的工作学习作风。

同时，通过案例深入浅出的分析，引发学生高度认识工程力学知识的重要性，使学生产生主动学好工程力学的内部动力，充分调动学生去思考如何处理工程事故，初步培养学生处理工程事故的能力，挖掘和拓展学生的潜能，满足学生的求知欲、创造欲，从而使学生获得可持续发展的能力。

马克思曾经指出：“力学是大工业的真正科学的基础。”钱学森也说过：“不可能设想，不要现代力学就能实现现代化。”由此可见，力学已经是现代社会经济发展和人类生活中不可替代的重要学科，现代力学仍将是一门具有广泛应用的和强大生命力的重要基础学科。而新时期工程师肩负着将科技进步与推动社会相融合的历史使命，对于高等教育而言，我们首先应明确目标，确立地位，重视并强化工程力学对培养新时期土木工程师的全面素质和综合能力方面所具有的重要和独特作用，在新的历史条件下培养、造就一批合格的未来土木工程师。

[1]单辉祖,谢传锋.工程力学(静力学与材料力学)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]中国科学技术协会,中国力学学会.2006-2007力学学科发展报告[M].北京:中国科学技术出版社,2007.

[3]马崇武,徐有基.土木工程专业力学课程改革的研究与实践[J].高教论坛,2007,(2):112-113.

[4]向长奎,扈模忠.工程力学教学探讨[J].高等建筑教育,2007,(1).

[5]徐匡迪.工程师要有哲学思维[J].中国工程科学,2007,(8).

[6]朱高峰.中国的工程教育——成绩、问题和对策[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

湖南科技学院教学改革研究重点项目（项目编号KYJ2010035）。

周基（1982－），男，湖南永州人，讲师，研究方向为工程力学及防灾减灾与防护工程。

（责任编校：周欣）