兵器專業基礎力學課程體系改革的思考

付佳維 陳龍淼 趙鵬舉

摘 ?要：高等院校的兵器類專業承擔著為兵器行業培養創新人才的重任，在新工科改革形勢下，優化專業培養方案，加強創新能力培養，提升人才質量，支撐兵器行業發展，勢在必行。結合新工科的創新本質要求和力學的雙重屬性，文章提出了對兵器專業學生強化力學素質教育的觀點。通過對現有培養方案中基礎力學課程體系主要缺陷的分析，提出了改革兵器專業基礎力學教育的三點思路：一是重視力學教育，優化力學課程體系，適度增加力學課程課時量;二是緊緊抓住固體力學在力學教學中的核心地位，開設固體力學基礎課程，培養學生力學建模能力;三是開設力學前沿選修課，開闊學生視野，提高科研能力。

關鍵詞：兵器專業;新工科;力學;課程改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）18-0127-04

Abstract： The weapon majors in colleges and universities take the responsibility for training creative talents for weapon industry. To meet the reformation requirements of "new engineering"， it is imperative to optimize the training program of weapon majors and enhance the innovation ability of talents to achieve higher qualities. By comparing the innovation nature of emerging engineering with the dual properties of mechanics， it is proposed in current paper that the mechanics ability of students in weapon majors should be enhanced. After analyzing the disadvantages of mechanics curriculums in the current training program， three suggestions are put forward to reform the main courses in mechanics. Firstly， the education on mechanics should be taken enough care of， the contents of mechanics courses need optimization， and credits of mechanics courses can be increased properly. Secondly， taking consideration of the core role of solid mechanics in mechanics， the course of foundations of solid mechanics is advised to set up， and the mechanical modelling ability of students will be promoted. Finally， optional courses on the frontier of mechanics are offered for interested students， which will broaden their view in mechanics and improve their research abilities.

Keywords： weapon major; new engineering; mechanics; curriculum reformation

一、“新工科”的創新要求

“新工科”的概念自2016年被提出以來[1]，教育部在2017年上半年召開了三次大型研討會，形成了“復旦共識”[2]、“天大行動”[3]、“北京指南”[4]，在新工科的內涵、發展藍圖、發展模式、路徑選擇等方向給出了綱領性指示，拉開了我國新時期工科專業建設改革的大幕。會議指出，第四次工業革命正在迅速展開，世界高等工程教育面臨新挑戰新機遇，我國正在通過“中國制造2025”“一帶一路”“網絡強國”等重大戰略實施創新驅動發展，高等工程教育已經處于新的歷史起點，建設新的工科專業，發展工科專業的新模式勢在必行。基于此，教育部于2018年初確定了首批612項新工科研究與實踐項目，根據高校的不同層次，劃分成三組開展新工科建設。并于2020年初啟動了第二批新工科研究與實踐課題[5]，于2020年中發布了“未來技術學院建設指南（試行）的通知”[6]，開啟了新工科建設的再出發、再突破。由此可見，新工科已經成為我國未來一段時期高等工科專業改革的主流方向。發展新工科的核心目標是適應未來經濟發展要求，在新一代科技革命和產業競爭中占據優勢地位，這就要求新工科培養的人才具有更強的原始創新能力和交叉學科整合能力。因此，更加寬厚的基礎知識就成了新工科人才培養的必然要求。

二、力學的雙重屬性

力學在現代科學中的定位如何呢？

首先，力學具有理科屬性。力學是第一個精確化的科學，它研究物質的運動規律和受力特性的關系，經典力學屬于物理的分支學科。力學與數學的關系也是異常緊密，兩個學科長期以來相互促進，一體化發展。歷史上很多偉大的數學家也是力學家，例如，牛頓不僅是微積分的創始人，而且，由他創立的三大力學定律成為經典力學最基本的定理。再比如，歐拉不僅在幾何學、微積分、變分學上做出了卓越貢獻，還建立了描述物質運動的基本方法，歐拉描述在力學中起著舉足輕重的作用。此外，拉格朗日、柯西、阿基米德、伯努利等人都是杰出的力學家和數學家。建國以來，我國很多高校將數學和力學放在一起，開辦數學力學系，例如，新中國第一個數學力學系由周培源先生在北京大學開辦。由此可見，力學與物理數學有著非常緊密的聯系。

其次，力學具有很強的工程屬性。例如，發動機中的氣動力學、建筑結構中的結構力學、汽車設計中的板殼理論、機械部件中的碰撞力學和摩擦力學、電子元器件設計中的熱應力理論、炸藥爆炸和彈丸侵徹中的沖擊動力學、血管內血液流動的流體力學、壓電壓磁傳感器中的多物理場理論、材料設計中的材料微觀力學等等，都是典型工程中的力學問題。被稱為我國“中國航天之父”“中國導彈之父”“火箭之王”的錢學森先生就是著名的力學家，他在流體邊界層理論、空氣動力學、板殼屈曲變形理論方面都卓有成效，并創辦了中國科學技術大學近代力學系并擔任系主任。國家最高科技獎獲得者鄭哲敏院士長期從事固體力學研究，提出了流體彈塑性體理論，他善于運用力學原理解決工程問題，在核爆反應、穿甲破甲、巖土爆破等工程問題方面取得了重要成果，并提出了海洋工程力學、環境災害力學等應用力學學科。再如，馮·卡門既是20世紀最偉大的航空專家也是空氣動力學家，茅以升院士既是偉大的橋梁專家又是我國土力學的創始人，錢七虎院士既是防護工程專家又是巖石力學專家。他們取得的偉大成就來源于優異的思維方式，而正是力學思維賦予了他們極大的創造力。正如馬克思所說“力學是大工業的真正科學的基礎”。

所以說，力學既具有理科屬性，又具有工科屬性，既具有量化基因，又具有創新基因[7]，它是科學與技術的橋梁，是現代科學最早成熟的學科，也是現代工程學科的支柱。北京大學武際可教授說過，一名優秀的工程師首先是力學家，要想做一名優秀的工程師，首先要把自己變成力學家。由此可見，力學在工科專業人才培養中起著舉足輕重的作用。新工科的創新本質要求力學在人才培養中發揮更加重要的作用，為提升我國工程人才的原始創新力做出貢獻。

三、兵器專業基礎力學課程的主要問題

兵器科學與技術（0826）為工學類國家一級學科，含有武器系統與運用工程（082601）、兵器發射理論與技術（082602）、火炮自動武器與彈藥工程（082603）、軍事化學與煙火技術（082604）四個二級學科。該學科研究身管武器從發射、飛行到命中目標全過程的化學、力學、機械等問題，涉及工學、理學、軍事學等眾多學科技術領域，是集武器裝備科學原理、系統分析、工程設計和先進技術綜合運用于一體的重要學科。常見的本科專業有：武器系統與工程（包含火炮、自動武器、火箭炮、彈藥、火箭彈、引信、裝甲車輛等方向）、武器發射工程（包含現代發射理論及控制技術、外彈道理論及彈箭飛行控制技術等方向）、彈藥工程與爆炸技術、特種能源技術與工程、探測制導與控制技術等。其中武器系統與工程、武器發射工程、彈藥工程與爆炸技術三個專業的主要學科還包括力學、機械工程、控制科學與技術等，其中，力學都排在第二位，屬主干學科或第一交叉學科。

一級學科“力學”共有四個二級學科，分別為：一般力學與力學基礎、固體力學、流體力學、工程力學。一般力學與力學基礎主要研究動力學與控制、振動理論等，固體力學研究可變形固體的運動規律，流體力學研究流體的運動規律，工程力學主要研究工程實際中的力學問題。兵器類專業一般在力學的每個二級學科中安排一門基礎課。例如，南京理工大學的武器系統與工程專業，安排了4個學分的“理論力學”作為“一般力學與力學基礎”的基礎課，4個學分的“材料力學”作為“固體力學”的基礎課，2個學分“工程流體力學基礎”作為“流體力學”的基礎課，1個學分的“工程力學實驗”和2個學分的“有限元基礎與應用”作為工程應用類力學課程的基礎課，合計13個學分，占到總學分數的7.8%。

現有的兵器類專業的基礎力學課程體系主要存在以下問題：

1. 力學基礎課程學分數占總學分的比例較低

黃再興和胡海巖[8]對國外部分知名高校的工科專業中基礎力學課程的學分數進行了統計，主要包括理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學和流體力學，并未包括有限元課程，結果表明，力學課程占比平均為11.8%，最高達到16.7%。這說明國外高水平大學普遍重視基礎力學課程在工科專業本科教育中的作用，安排的課時數比國內高校多出3-18個學分。

2. 知識陳舊，體系不完整

理論力學課程中的部分內容與高中物理中的力學部分重復，例如，點的運動與高中物理“質點”運動重復;部分教學內容陳舊繁復，例如，從“平面匯交力系”到“平面任意力系”到“空間力系”內容簡單易懂，但用時較多，難以吸引學生興趣。材料力學課程以“歐拉-伯努利梁”的經典梁理論為主要教學內容，這種理論發展于18世紀初，目前已很難滿足現代工程研究的需要，因此，日常練習與期末考核多以做練習題為主。此外，材料力學雖然是固體力學的入門課程，但涉及到的固體力學的核心思想較少，也與現代材料力學的內涵大相徑庭，這使得基礎力學課程的安排在固體力學方面出現偏頗，體系不完善。而工程流體力學基礎講述了不少管道流近似計算的內容，不僅計算方法陳舊，經驗公式頗多，而且對流體的基本理論講述不夠深入，未涉及Navier-Stokes方程。

3. 動態力學內容較少，知識層次不高

兵器工程往往涉及強瞬態、短脈沖、高溫高壓等沖擊動力學問題，需要對兵器材料的動態力學行為、結構件在沖擊載荷作用下的剛強度、循環動載荷作用下結構可靠性等問題進行研究。然而，目前開設的基礎力學課程中很少講述動態力學的內容，使得學生對材料在高應變率下的響應、結構動態應力場的計算等問題沒有基本概念，在處理相關問題時常簡化為靜態問題。例如，學生經常把火炮膛壓載荷的最大值作為靜態壓力載荷施加到身管內表面，然后使用厚壁圓筒理論對身管進行強度校核，這種處理方法雖然簡單，但是誤差較大，已無法滿足現代武器高精度設計的要求。

四、基礎力學課程改革的幾點思考

（一）成體系優化課程內容，適度增加基礎力學課程學時

由于我國的本科生課程體系中，安排了不少學時的英語課和政治課，而且近年來的改革趨勢是總課時數持續收縮。在這樣的大背景下，維持現有課時數或者適度增加課時數，優化現有的基礎力學課程內容，就成為縮小與國外知名高校在學生力學思維培養上的差距，提升武器專業學生的原始創新能力的主要出路。例如，建議大幅壓縮理論力學的課時數，刪除與高中物理重復的部分，引入振動理論和分析力學的基礎知識，開設一般力學基礎課程。再如，以彈性力學和有限元單元法為主要內容，附加講述晶體塑性理論的基本概念，開設固體力學基礎課程。流體力學課程應當以優化內容為主，進一步加強基本理論的講述，介紹部分先進的計算流體力學方法，淡化針對特定工程應用對象的內容，避免過多講述陳舊的經驗公式。

（二）開設面向兵器專業的固體力學課程，強化學生力學思維

固體力學對于鍛煉學生的力學思維非常有用，但是，材料力學內容無法覆蓋固體力學的核心知識點，對于力學思維的培養較為有限，而彈性力學才是固體力學的核心基礎課程。因此，建議開設面向兵器專業的以彈性力學為主要內容的固體力學基礎課程，輔助講解金屬材料基本知識，并介紹以有限單元法為主的數值求解方法，形成“材料基礎-力學模型-工程應用”的固體力學課程體系，重點培養學生力學思維和力學建模能力。

武器系統大量使用金屬材料，包括炮鋼、裝甲鋼、一般合金鋼、鋁合金、鈦合金等，一般占到武器重量的80%以上。因此，了解金屬材料微觀組織，熟悉宏觀力學性能，對于武器設計人員合理判斷結構的力學性能和工作可靠性非常重要。金屬具有晶體結構，可以向學生介紹晶體的主要結構形式、晶體內部的缺陷形式、位錯的概念、金屬彈性變形和塑性變形的物理機制、提高金屬材料強度的原理等內容，使學生獲得基本的材料學概念。材料宏觀力學屬性是武器結構設計選材的重要依據，介紹各種金屬材料力學概念和實驗測試方法，有利于提升學生在武器設計時的原始創新能力。包括靜態屈服強度和準靜態拉伸實驗，彎曲扭轉強度和彎曲扭轉實驗，硬度的不同表示方法和測試手段，動態屈服強度的概念和分離式Hopkinson壓桿原理，斷裂韌性的不同表示方法和測試手段（例如通過落錘試驗獲得沖擊功、通過拉伸試驗獲得應力強度因子），疲勞失效原理和疲勞壽命實驗方法，高溫軟化特性及高溫力學性能實驗等。

彈性力學對培養學生的力學思維非常重要。其主要內容應該包括：平衡方程、幾何方程、本構方程的推導，邊界條件的表達，兩類平面問題（平面應力、平面應變）的內涵，控制方程的推導，彈性力學問題的典型解法等。在完成基本理論的講述之后，可以從武器結構中選擇一些形狀簡單的典型結構，來系統性講述彈性力學問題的求解方法，培養學生使用力學思維來解決工程問題的能力。例如，厚壁圓筒在內外壓力作用下的位移場和應力場的理論解，可以為身管在膛壓載荷作用下的響應計算提供理論支撐;經典Hertz接觸理論可以為結構件的接觸碰撞問題提供理論支撐;圓孔的孔邊應力集中問題的解答，可以為平板類構件的孔邊應力場計算提供理論支撐。通過工程實際結構件與典型力學結構的相互對照，可以鍛煉學生合理簡化結構、準確確定邊界條件的能力，從而全面提升學生力學建模的水平。

有限單元法作為目前工程分析中最廣泛使用的數值計算方法，應用于機械、電子、土木建筑、軍事工程、生物等眾多學科。有限單元法具有四大特點：可以通過不同形式的單元來模擬復雜的幾何結構;可以求解包括位移場、溫度場、速度場、電磁場在內的各種物理場;數學基礎是變分原理、加權余量法等，具有嚴格的理論基礎;使用規范化的矩陣表達，易于編程求解。有限單元法起源于力學問題的求解，與固體力學有著深厚的關聯，同時，鑒于有限單元法在武器型號研發、關鍵技術預研等方面的重要作用，結合固體力學課程，對武器專業學生講述有限單元法的知識顯得尤為重要。可以大幅減少彈簧單元、桿單元、梁單元的介紹，以平面單元、三維實體單元、等參單元、動力學問題的求解方法為主，結合工程實例，引導學生使用大型有限元商業軟件，學會使用固體力學知識分析計算結果，達到“不僅會算，還要算對”的目的。

（三）開設沖擊動力學前沿選修課，提升學生科研水平

武器發射是一個瞬態沖擊過程，產生的高溫高壓載荷作用于武器本身，對武器部件的安全性和可靠性提出了很高的要求。例如，火炮內彈道過程一般在十幾個毫秒的時間，膛壓高達300兆帕以上，火藥燃氣溫度大約為3000開爾文，同時發生各種復雜的物理現象（例如，數倍或數十倍于武器本身重量的后座沖擊力產生、彈帶結構發生高應變率下的大變形行為、炮口流場沖擊波反作用于火炮本身、電氣功能部件處于高頻振動載荷下）。由此可見，武器設計離不開沖擊動力學的基本知識，開設沖擊動力學前沿選修課，對有志于從事武器科研工作的學生的創新能力培養很有必要。主要內容應該包括：材料的動態力學基本理論、動態加載技術、沖擊波三個方面的知識。

火炮射擊時，彈帶擠入身管內膛，發生高溫高應變率下的大變形，對這種動態工況下的金屬材料動態力學行為的準確描述非常有助于提高火炮身管設計水平。類似的還有彈丸侵徹靶體的過程、穿甲彈的穿甲過程、彈丸爆炸毀傷目標的過程等。因此，在兵器各個本科專業開設相關課程，介紹金屬材料的動態力學基本理論對于培養知識面廣泛、專業功底深厚的兵器人才錦上添花，能夠為部分以后繼續深造研究生的同學奠定良好的基礎。材料動態力學基本理論可以包括塑性流動理論、基于溫度和應變率的本構關系、常用的材料損傷準則和屈服準則等內容。

兵器射擊的動態過程難以在實驗內進行操作，一方面場地受限、成本較高，另一方面也存在較大的安全隱患，因此，借助其他加載方式對兵器材料或者結構件進行動態加載來模擬射擊載荷，獲得材料的動態響應規律是常見的研究手段。常用的加載方式有：輕氣炮加載技術、炸藥爆轟加載技術、電磁加載技術等。輕氣炮加載技術方面重點介紹分離式Hopkinson壓桿/拉桿技術的原理和實驗方法，并安排學生進行實驗操作，輔助介紹單級輕氣炮原理、飛盤實驗、Taylor桿碰撞實驗原理。其他加載手段，可以介紹磁驅動等熵壓縮實驗原理和電磁炮原理。

兵器中涉及很多沖擊波問題，既有氣體中的沖擊波又有固體中的沖擊波。例如，炮口位置處火藥燃氣中的沖擊波作用于火炮本身，后座產生的沖擊力在火炮結構中形成應力波后傳導到地面。因此，在沖擊波方面可以重點介紹簡單波的概念、氣體中的沖擊波基本關系式和性質、固體中的物態方程和一維應力波的基本方程等。

五、結束語

兵器專業本科人才的培養對我國兵器行業發展具有重要意義，提升學生的創新能力是未來兵器跨越式發展的必然要求。由于兵器與力學息息相關，為了充分發揮力學在科學與工程之間橋梁作用，提出以高質量力學基礎教育為抓手，來突破學生創新能力培養難題的方法。具體措施包括：重視力學在兵器專業人才培養中的作用，成體系優化基礎力學課程內容;開設固體力學基礎課程，著重培養學生力學思維;開設沖擊動力學前沿選修課，拓寬學生視野，培養學生科研能力。

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基金項目：國家自然科學基金項目“基于非傅里葉熱傳導理論的含裂紋彈帶熱塑性行為研究”（編號：11702137）;江蘇省自然科學基金項目“極端環境下彈帶細觀結構演化及多尺度本構關系研究”（編號：BK20170816）

作者簡介：付佳維（1989-），男，漢族，陜西寶雞人，博士，講師，研究方向：兵器教學改革、火炮身管設計。