力學教學中的人文素質(zhì)教育探微

張東曉，李 萍

(洛陽理工學院 土木工程系，河南 洛陽 471023)

0 引言

大學教育應當是融科學技術教育和人文教育于一體的全面素質(zhì)教育。 已故錢學森院士認為：“一個有科學創(chuàng)新能力的人不但要有科學知識，還要有文化藝術修養(yǎng)，沒有這些是不行的”[1]。 要求理工科學生多一些人文修養(yǎng)，其目的使他們具有寬廣的知識面，能夠建立起世界的聯(lián)系，從而更好地解決實際問題。 人文素質(zhì)教育是一種新的教育理念，實施人文素質(zhì)教育是一項系統(tǒng)工程，不僅體現(xiàn)在為學生開設哲學課、心理課和藝術課上，更應該體現(xiàn)在教學的各個環(huán)節(jié)和各個方面，從而達到專業(yè)和人文素質(zhì)教育的同步推進的目的。

力學是工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，與工程實踐結合緊密，同時力學又具有獨特的文化特色，蘊含深厚的人文理念，對大學生的基本能力培養(yǎng)和人文素質(zhì)教育具有重要的作用。 作者試結合多年力學教學的實踐，對力學教學中如何實施學生的人文素質(zhì)教育進行了探索。

1 力學教學中的辯證唯物主義思想教育

辯證唯物主義的世界觀和方法論是全面、正確認識社會和自然界的重要方法，在力學課程的很多內(nèi)容上得到充分的體現(xiàn)。 應在教學過程中提煉與之相關、對應的哲學命題，滲透辯證唯物主義的教育，引導學生樹立正確的人生觀和世界觀，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新素質(zhì)。

1.1 唯物辯證法在力學教學中的應用

唯物辯證法認為，事物是一分為二的，具有兩重性。 例如，在分析低碳鋼的冷作硬化現(xiàn)象時，可將彈性承載能力的提高和塑性變形的減小簡練地概括為“此長彼消”。 變形現(xiàn)象也是一樣的，對于承重的梁和機床的主軸而言， 變形越小越好； 但對于彈簧而言，變形可以緩沖減振，大一些更好。 又如在分析材料的力學性質(zhì)時，人們一般認為，低碳鋼是一種典型的塑性材料，而鑄鐵是典型的脆性材料。而實際上，塑性與脆性是對立統(tǒng)一地存在于材料中的兩種性質(zhì)，當特定的條件下某一種性質(zhì)比較強勢，材料就比較明顯地表現(xiàn)出這種性質(zhì)；當條件發(fā)生變化時，這兩種性質(zhì)也會隨之發(fā)生相應的變化。 比如當?shù)吞间?向受拉時，就表現(xiàn)出脆性的一面；而當鑄鐵受壓時，則表現(xiàn)出塑性的一面。唯物辯證法還認為，應透過現(xiàn)象看本質(zhì)，抓住事物的主要矛盾和矛盾的主要方面；矛盾是相互轉(zhuǎn)化的。例如，對構件進行設計時，其安全性和經(jīng)濟性是相互對立又相互依存的。 考慮經(jīng)濟性，會導致安全性的下降；注重安全性，必然帶來經(jīng)濟成本的上升，但安全系數(shù)的增大，反過來又可以降低經(jīng)濟成本。 因此，在進行構件的強度計算時，應在保證安全的前提下考慮經(jīng)濟性， 即抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，使矛盾向有利的方向轉(zhuǎn)化。 又如，梁的橫截面上同時存在正應力和切應力， 對于一般情況下的細長梁，正應力是支配梁強度的主要因素；但對于截面高狹的短梁， 截面上的切應力則可能轉(zhuǎn)變?yōu)榱旱膹姸纫蛩兀疵苁窍嗷マD(zhuǎn)化的。

唯物辯證法在力學中成功應用的例子不勝枚舉。 在組織力學教學時，如果能有意識地把唯物辯證法的觀點融入教學內(nèi)容，將有助于學生形成辨正唯物主義的世界觀和方法論。

1.2 普遍性和特殊性在力學教學中的應用

“普遍性寓于特殊性之中，而多個特殊性又表現(xiàn)普遍性”這樣的辯證關系，也體現(xiàn)在力學課程許多內(nèi)容中。 例如，在理論力學中，平面力系是特殊性，而空間力系是普遍性；而在平面力系中，平面匯交力系、平面力偶系是特殊性，一般力系是普遍性。 基于對力系關系的這種辯證認識，學生不僅可以牢固掌握各種力系的平衡方程，而且能夠深刻理解各種力系平衡方程的區(qū)別與聯(lián)系。 又如，材料力學中桿件的四種基本變形以及組合變形，各有其自身的規(guī)律和理論公式，這是其特殊性。 但各種變形的應力，都與內(nèi)力和截面的幾何性質(zhì)有關；桿件各種單位長度的變形，都與內(nèi)力、截面的幾何性質(zhì)和桿件材料的彈性模量有關，而截面的幾何性質(zhì)和桿件材料的彈性模量的乘積，是桿件抵抗某種變形的剛度，這就是它們的普遍性。 經(jīng)過這樣的歸納、概括，各種變形的應力就可以用一個公式來表示，即：

應力＝內(nèi)力/截面幾何性質(zhì)

桿件各種單位長度的變形，也可用一個公式來表示，即：

單位長度的變形＝內(nèi)力/桿件的變形剛度

不同的變形對應于不同的內(nèi)力和截面的幾何性質(zhì)。 所以，根據(jù)普遍性和特殊性的辯證關系得到的是一種普遍的規(guī)律，即最簡單的公式。 這樣，學生不僅能記住這些公式，而且對各種變形理論和各個物理量的概念理解得會更加深刻。

2 力學教學中的美學教育

力學與美學是和諧統(tǒng)一的。 生活中有許多美好的事物，如巧奪天工的古建筑、亭亭如華蓋的樹木、氣貫長虹的大橋等，都蘊含著豐富的力學知識。 在力學教學中，應努力發(fā)現(xiàn)并闡釋力學中的美，引導學生去感受這種美。 從而使學生在獲得知識的同時，不斷享受力學的美，并在潛移默化之中提高自身的美學修養(yǎng)和人格品位[2]。

2.1 生物形體體現(xiàn)的力學原理

大千世界中，最奇妙、最美麗的莫過于生命現(xiàn)象。 比如母雞孵小雞時，雞蛋殼能夠承受母雞的重壓。 但它作為脆性材料，在小雞尖喙的啄擊下，會產(chǎn)生應力集中而破裂，小雞很容易破殼而出。 又如動物的心臟和大腦，作為最重要的生命器官，就是由結構最為合理的拱和殼保護的。 自然界中，高大挺拔的喬木要承受不同方向的風力，就形成圓形的合理截面；而裊裊婷婷的竹子生長迅速，則以有限乃至最少的材料形成最為經(jīng)濟的筒形空心結構，這種形狀能顯著提高竹子的抗彎能力。 樹木和竹子截面上細下粗，適應懸臂梁的受彎特征。 大自然賦予樹木和竹子的美好造型，也完全符合力學的合理性。

2.2 建筑結構體現(xiàn)力與美的結合

在人類文明的成果中，力與美成功結合的例證無處不在。 例如，中國古代宮殿和廟宇建筑中使用的木柱，其柱高與橫截面的比例，唐、宋時期一般為8：1 或9：1；明、清時期一般為10：1。這樣的長細比，可以充分表達古建筑雄渾、莊嚴的個性[3]。 由建筑力學可知，當長細比λ≤10 時，折減系數(shù)φ≥0.9。 因此，木柱8：1～10：1 的長細比，可以不考慮"失穩(wěn)"問題，從而達到合理利用材料的目的。 由于古代工匠并不懂得穩(wěn)定理論，所以他們完全是憑借自身的智慧和大量的實踐，根據(jù)材料的實際狀態(tài)和審美需求來建造房屋的。 古代工匠在力學和美學上的高超水平由此可見一斑。 又如，在許多園林、景區(qū)或江南水鄉(xiāng)，可以看到不少拱橋，通常拱肩處厚重，拱頂處極薄，形成了鮮明的虛實對比，又極富力度感。 從力學的觀點看， 拱肩厚重可以提供較大的水平推力；而拱頂處的彎矩、剪切力和軸力都很小，故可以做得極薄。 這樣，波光粼粼中曲線優(yōu)美的拱橋與環(huán)境融為一體，相得益彰，達到了力學與美學的高度統(tǒng)一。

2.3 形體受力的邏輯之美

力學來源于實踐，又指導實踐。 在力學的發(fā)展過程中， 逐漸形成了一種科學的思維和研究方法，即善于從錯綜復雜的自然現(xiàn)象、實驗結果和工程實踐中抓住事物的本質(zhì)，抽象成力學模型，運用數(shù)學的工具進行演繹，進而得到定理、公式等系統(tǒng)理論；然后，在實踐中檢驗和修正這些理論。 這種研究方法體現(xiàn)出一種理論推理的邏輯之美，通過力學教學使學生感受這種美，從而培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，其重要性不亞于獲取力學知識本身。 值得注意的是，力學建模的過程，就是“將復雜問題簡單化”的過程，體現(xiàn)了力學的簡約之美，因此，力學的研究方法本身就是邏輯美與簡約美的完美結合。 另外，在力學中，許多理論和定理也是用極為簡潔的數(shù)學表達式來表示的，體現(xiàn)出一種既經(jīng)典又簡約的美。

3 力學教學中的品德教育

3.1 力學教學中的思想修養(yǎng)教育

強度、剛度和穩(wěn)定性是材料力學中最重要的概念，這些概念同樣閃耀著人性的光輝。 任何受力構件都有強度、剛度和穩(wěn)定性，做人也應有自己的“強度、剛度和穩(wěn)定性”。 所謂做人的“強度”，即做人要堅守道德底線。 受力構件的斷裂是從被腐蝕破壞的危險點開始的，同樣，人的思想道德防線也是從最薄弱的環(huán)節(jié)開始崩潰的[4]。 所謂做人的“剛度”，即做人不能遇到問題和困難就低頭彎腰、退避三舍。 由此還可引用“富貴不能淫，貧賤不能移，威武不能屈”[5]來警示學生。 在分析細長桿件受壓時表現(xiàn)的3種狀態(tài)（即穩(wěn)定平衡狀態(tài)、不穩(wěn)定平衡從動態(tài)和中性平衡狀態(tài)）， 可以由此聯(lián)系到人在遇到挫折和打擊時堅忍不拔、一蹶不振和隨遇而安的人生態(tài)度[6]。在力學教學中，可以通過這些概念的引申，詮釋做人的道理，提醒學生必須時刻加強自身的思想品德修養(yǎng)。

3.2 力學教學中的社會責任感教育

結合力學的授課內(nèi)容，有意識地對一些重大工程事故進行力學分析，可以增強學生對社會的責任感。 例如，在學習懸臂梁上的彎矩時，筆者結合媒體報道，講述了一例工程事故:一樓民用住宅樓的陽臺墜落，連續(xù)將其下的若干層樓的陽臺砸壞。 梁與墻在連接處配筋不足是導致事故的根本原因。 通過分析該工程事故，學生們不僅理解了彎矩最大的固定端截面是危險截面，而且明白了這種結構可能發(fā)生的破壞形式。 又如，在講授剪切的概念時，以滑坡這種地質(zhì)災害為例，說明剪切變形的實質(zhì)。 并指出上海的倒樓事故，實際上由于沒有科學施工導致的人為滑坡引起的。 通過分析這些工程事故背后的力學原理，可以告誡學生們一方面要學科學、懂科學，另一方面更要明白自己所肩負的社會責任。

4 結語

在力學教學中有意識地進行人文素質(zhì)教育，對大學生正確世界觀、人生觀的建立，邏輯思維能力的培養(yǎng)，審美能力和思想道德水平的提升都是非常有益的。 但這是一項長期、艱苦的工作，還需要在理論上不斷探索、在實踐中不斷完善。

[1] 溫家寶在京看望季羨林和錢學森并親切交談[EB/OL].[2010-07-02].http://www.gov.cn/1dhd/2005-07/31/conten.18454.htm.

[2] 周新偉，陸夏美，李冬華. 工程力學教學與大學生素質(zhì)教育[J]. 思想政治教育研究，2005，（1）：40-41.

[3] 慎鐵剛. 中國古建筑的力與美探析[J]. 力學與實踐，1996，18（3）：72-76.

[4] 王珂晟， 薛春芳. 工程力學課程育人功能的發(fā)掘與探索[J]. 力學與實踐，2010，32（1）：82-84.

[5] 孟子. 滕文公下[C]//朱熹. 四書章句集注. 北京：中華書局，1983：266.

[6] 周宏偉. 淺談基礎力學教學中的人文因素[J]. 力學與實踐，2007，29（1）：79-80.