淺談數學專業學生在工科背景科技創新項目中的優勢與劣勢

肖久梅，陳章華

摘要：本文對數學專業本科生在科技創新項目“超高分子量聚乙烯基公路護欄材料及結構的力學評估”的實施中的優勢與劣勢了進行分析：本項目實施中數學專業的學生充分體現了對于力學的數值模擬計算與分析能力的優勢；另一方面對于實際力學性能測試等具體試驗缺乏靈活性、經驗和濃厚的興趣。故本科學生學習期間能進行一些跨學科課題的研究意義深遠，可以拓展學生思維，有意識地圍繞自己感興趣的、擅長的科研方向建立知識體系，取長補短，為以后的學習與工作奠定深厚的功底。

關鍵詞：本科生；創新課題；分析問題；解決問題

中圖分類號：G645 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0128-02

數學的研究也應以一定的研究對象為基礎[1]，如果數學專業的學生只滿足于在其他科研者所得出的結論的基礎上展開研究，可能很難有所突破，或者錯上加錯，浪費了大量精力。所以數學專業的學生應當具有一定的工科項目的研發能力，相關問題的分析能力，只有對研究對象有了深刻的理解，才能很好地對其進行理論研究。所以，非常有必要在數學專業學生學習期間，進行工科背景項目的實施，提高學生的工程能力，以避免陷入紙上談兵的境界。通過此類項目的實施，培養學生分析與解決實際工程問題的能力，可以讓學生感受數學理論在工程當中的實用價值，激發學習的興趣和自覺性，并提高學生對數學知識的整體認知能力，理解所學的理論如何推廣到實踐中，解決實際問題。另一方面，項目實施中，學生自覺總結與體會自己的興趣、愛好和特長，是偏向純粹數學還是應用數學。為以后的學業發展和工作規劃，提供一個非常好的借鑒、平臺。

一、數學專業的學生剛開始介入本項目時的特點

接觸科技創新項目“超高分子量聚乙烯基公路護欄材料及結構的力學評估”初期，學生認為對于非本專業的項目不會得出理想的創新成果，不是很有信心能完成此項目。正是由于此原因，在準備方案時，學生能夠花費大量的時間和精力查閱相關資料、調研、準備方案。積極主動地收集工程實際問題相關資料，反復進行研究，開討論會，最終能夠結合工程實際提出較為理想的試驗方案。舉例如下，方案：把圖1-1的相同的兩行波改為兩邊高中間低的三行波。雖然波形結構已經能很好地起到緩沖的作用，不過二次緩沖應該會更有效果。如果一層波沒有完全奏效的話，再使用二層波去進行緩沖，可以更好地保證車輛的安全。兩行一層波可相當于現在通用的波形結構，當它們沒能阻止車輛的撞擊時，新加的二層波就可以發揮它的作用。另外，因為波和波并不是一體，而是相互連接起來的，所以當一層波受損而二層波完好時，可以只更換一層波，盡量節約資源。此外，該方案還考慮了附加的“二級緩沖”波的方向問題（上頁圖為外凸，內凹型在下面ansys建模時會提到），將內凹與外凸效果與原結構進行比較。（后面的支撐柱，只是憑借“三角形最穩定”而加上的，不過會用到更多的材料。）

由于學生意識到自己工科背景知識的不足，所以在準備方案時，為保證能夠獲得理想的試驗結果，學生積極思考，充分調動積極性，設計了多種用于對比研究的護欄截面用于Ansys的計算指導中，然后通過對比來討論各種方案的優缺點。在數值模擬分析方面，學生發揮了數學專業的優勢，能夠較為全面、迅速地進行模擬分析。在分析緩沖吸能特性方面，能夠不受常規工科思維模式的限制，從側面分析所設計的護欄結構的緩沖吸能特性。比如，從沖擊物的沖擊速度與時間的關系、沖擊物的沖擊加速度與時間的關系、沖擊物的最大位移、最大沖擊力；被沖擊物（護欄）的沖擊速度與時間的關系、被沖擊物（護欄）沖擊加速度與時間的關系、被沖擊物（護欄）最大位移等方面來反映所設計的護欄結構的緩沖吸能特性，獲得理論分析與ansys模擬分析結果較為吻合的結論。通過模擬分析結果確定最佳方案，學生根據試驗結果可以得出理論分析和模擬結果相結合而得出來的分析結論。在項目實施過程中，學生完成了一個與工程相關的項目從查閱資料、實踐調研，綜合分析，直至提出最終解決方案的全過程。對于具有工程背景的項目如何著手進行研究有了很好的鍛煉。另一方面突顯較強的分析能力，體現了數學專業學生對于力學的數值模擬計算與分析能力的優勢[2]。學生能夠從純數學理論研究過渡到結合相關文獻、市場調研和所學理論對工程實際問題進行分析。能夠提出問題、分析問題和解決問題。經過這一階段的學習，學生對于自己所要解決的問題產生了濃厚的興趣與信心。

二、數學專業的學生實施本項目時的劣勢

在項目方案的分析確定與借助于ansys模擬分析軟件的分析過程中，由于數學專業學生的分析能力與對于力學的數值模擬計算與分析能力的優勢，進展順利。但對于進行具體通過試驗驗證以上設計方案的這一環節，則進展緩慢，原因是對于如何進行實際試件的制備、如何根據國家標準進行試樣制備、非標準試驗如何在實驗室內完成模擬試驗等一些實際操作缺乏經驗和濃厚的興趣，學生仍然關注并擅長于理論的分析與模擬推斷，而在具體試驗實施前首先畏懼時間的緊張，不勤于動手實踐。

如果數學專業的學生沒有與課題相關的工程背景知識，單純從數學的角度推理，所獲得的研究結果將會不可靠，并且無法用于指導實踐，缺乏實用性。本項目針對大二數學專業的學生展開，題目與力學相關。數學專業的本科生接觸有關力學的創新課題可以使學生感受到數學的奧秘和價值，激發學生的學習本專業課程的興趣；另一方面，學生可以感受到數學研究中工科知識的學習和運用能力的重要性。通過本項目的實施，在數學研究中遇到某些工程問題時，學生知道如何去掌握相關領域的理論知識，提高對所學知識的理解與運用能力，而不是單純的數學推導與計算，在以后的數學相關研究中才能游刃有余。

參考文獻：

[1]鄧芳芳，李木桂.以工程能力培養為導向的高職數學類課程教學方法[J].數理科學，2012，（18）：142-143.

[2]宿維軍.計算機數學系統在公路工程中的建模應用[J].自動化與儀器儀表，2013，（2）：106-109.

課題項目：感謝北京科技大學與教學改革研究項目的支持。