建筑環境與能源應用工程專業基礎課教學思考*
——以“工程力學”為例

孫曉勇 ， 李樹謙 ， 李桐棟 ， 侯娜娜 ， 仝國軍

（1.河北水利電力學院土木工程系，河北 滄州 061001；2.河北省數據中心相變熱管理技術創新中心，河北 滄州 061001）

0 引言

“工程力學”課程對工科專業有重要作用，是主要基礎課程之一，其重基礎理論且兼顧應用[1]。“工程力學”的學科特點是理論與實踐聯系密切，既包含很多基本概念，又有很多邏輯推理和實際計算，因此造就了其習題多樣化的特點。20世紀70年代后，我國的建筑環境與能源應用工程專業逐步發展起來[2]，其與土木、建筑、結構、通風、能源、水利水電、國防工程等多方面專業都有聯系。隨著我國社會經濟不斷發展，城市建設過程中高層甚至超高層建筑數量逐漸增多，建筑結構的超高高度使得土建工作者實際操作過程中必須精通必要的力學知識，工程力學對于建筑結構的安全性、穩定性起到了關鍵作用，同時保證了建筑的使用壽命。在能源工程方面，無論是風能、電力、石油，還是核能工程建設，都必須有力學知識的融入。如在建設核電站時，工程力學可以保證反應堆外殼的堅固性和穩定性滿足使用要求，從整體上提升工程安全性。在水利水電工程方面，如長江三峽水利工程建設過程中，河流動力學、通航水力學都發揮了巨大作用。在國防工程方面，無論是建設機場還是港口，或者是在飛機、導彈等方面的研究過程中，力學都發揮了無法忽視的作用，很多偉大的導彈專家如錢學森等都有很深的力學素養。國家不斷加大對碳排放和碳中和的要求[3]，各種能源減排設備的設計和應用日益增多。在工程實際工況中，這些設備復雜的受力以及變形情況，使得力學知識廣泛應用于我國多種類型的項目工程建設中。技術分析研究者通過分析力學知識與工程類型要點，整合理論與實踐，通過實踐系統更新研究成果充實力學學科，反過來又服務于實踐，因此，注定了“工程力學”課程開設的必要性。通俗地說，建筑環境與能源應用工程是建筑物里面設計各種管線的；建筑學是設計建筑物的；工程力學的作用是為大型施工企業或研究單位對涉及的工程進行安全檢測與結構合理評判提供科學數據支撐的。

建筑環境與能源應用工程專業培養計劃里，由“微積分”“高等物理”“計算機知識”“工程制圖”“基礎外語”等作為基礎課程，進而研究諸如“機械設計”“工程力學”“電工電子學”“C語言”“CAD”等第一層專業基礎課。第二層專業基礎課是諸如“工程熱力學”“傳熱學”“流體力學泵與風機”“流體輸配管網”“熱質交換原理與設備”“建筑環境學”“自動控制原理”等課程。打好基礎后，進入專業課領域，包括“制冷原理及應用”“鍋爐與鍋爐房設備”“空調工程”“通風工程”“建筑給排水”“建筑電氣”“建筑自動化”和專業實習等[4]。由此可見，“工程力學”屬于培養計劃中“打地基”的學科之一，對后續課程的學習均會造成一定的影響。

建筑環境與能源應用工程專業開設的“工程力學”課程，內容主要包括靜力學、運動學和材料力學三部分。目前大部分學校建筑環境與能源應用工程專業安排學時基本在56學時或64學時，其中課堂講授課時約占90%，實驗教學課時約為10%[5]。“工程力學”課程學時少、內容多、概念抽象、理解困難，而教學目標和計劃中要求加快教學進度，但學生思維跟不上，形不成完整的力學體系。因此，要從教學思想上徹底改變，努力讓學生思維成為一個閉環，盡可能多傳授力學思想，調整教學體系，培養出符合要求的“一大批具有國際水平的戰略科技人才、科技領軍人才、青年科技人才和高水平創新團隊，力爭實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果的重大突破”[6]，對當前行業發展有更為突出的意義。

1 教學內容與時間排布

“工程力學”主要研究力學和數學的基本理論和知識，研習二維、三維繪圖，運用計算機和現代實驗技術手段解決與力學有關的工程問題。例如：橋梁的總承重計算、室內墻體的強度和受重分析計算、建筑的結構穩定性分析等。“工程力學”培養具有力學基礎理論知識、計算和試驗能力，能在各種工程（如機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等）中從事與力學有關的科研、技術開發、工程設計和力學教學等工作的高級工程科學技術人才。

在建筑環境與能源應用工程專業領域中，與“工程力學”相關的部分主要是各種建筑能源設備和給排水管道在工程中的變形和受力情況分析，所以“工程力學”并非全部要講，遴選合適內容可以聚力于點，以點破面。靜力學是所有力學學科的基礎，是所有工科專業力學學習的基石；運動學研究點和剛體的基本運動；材料力學判定材料在多種基本變形下哪里最易破壞、破壞原因為何、怎樣避免破壞，與實際工程有很高的相關度，對工業設計和工程鑒定而言必不可少。

“工程力學”是對建筑能源設備和給排水管道在工程中的變形和受力情況進行分析的課程。因此，將“工程力學”作為專業基礎課在大二上學期開設，可為后續其他專業課的開設打下堅實的基礎，學生在將來接觸專業課知識時，遇到相關力學問題，便可迎刃而解、事半功倍。學生解決難題的成就感帶來對專業課積極性的快速提高，提高了專業課的學習效果。

2 教學手段與方式方法

現有“工程力學”課程以課堂講授為主，課時占比90%。概念抽象、計算煩瑣、推理復雜，學生若不充分地進行復習和預習就會難以理解。為調動學生積極性，針對性解決問題，首先要提高學生數學思維能力和邏輯思考能力，授課期間多舉實際例子、多做實驗以激發學生興趣。

2.1 增加教學實驗

學生動手進行實驗操作能使其直觀地感受到力學的趣味性和實用性，在以課堂學習內容解釋實驗現象的過程中，隨之而來會有學有可用的成就感，知識理解更為透徹。同時也有利于培養學生動手以及科研創新能力。目前建筑環境與能源應用工程專業的“工程力學”授課過程中，材料力學章節會有一些簡易實驗，如低碳鋼與鑄鐵拉壓實驗、圓軸扭轉實驗、彎曲正應力測定實驗等，這些實驗無一不和理論教學息息相關，是教學過程的極大加強與補充。理論力學章節較抽象，故為提高趣味性，適時增加相關的趣味小實驗，如動量矩守恒定律：在旋轉的同時，旋轉臂外側掛有重物，旋轉臂的伸長會使轉動速率降低，而旋轉臂收回時又會增加轉動速率[7]。對于脆性材料的扭轉破壞機理研究，可以課堂上演示用黃瓜代替扭轉破壞，會產生明顯的與橫截面呈45°角的斷口。而對于桿件受力組合變形，可用橡皮泥制作成搖桿演示彎扭組合變形。在壓桿穩定章節，制作細長PVC管兩端受壓模具，演示臨界壓力隨長細比變化的規律[8]。此類小實驗簡便易行、生動直觀，有很好的效果。而對于較復雜的實驗現象，可利用多媒體教學設備放視頻展示。盡一切努力減弱力學枯燥無味、抽象呆板的課程特點，激發學生積極性。教師更應總結教學實驗經驗，編撰“工程力學”實驗指導書等用于輔助實驗教學，達到理論結合實踐共促互補的目的。

2.2 理論聚焦實踐

力學課程里抽象概念多，力、運動、能量等概念不是肉眼可見的實體，難以理解。所以在授課過程中，多舉生活中具象的例子，可激發聯想、加深印象。比如“非自由體”的概念是某個方向位移受到阻止的物體，“約束”的概念是“限制非自由體某個方向位移的周圍物體”；那么在授課時，“自由體”的概念就可以舉“飛機”的例子，它在空中是“自由”移動的，沒有“約束”；而“非自由體”可以舉“拴在地上的氣球”的例子，它不能飛離地面，拴氣球的繩子就是賦予它的“約束”。空間力系中，講到“力對軸的矩”時，“如果力和軸同一平面，則力對軸的矩為零”[9]，教師可以以教室的門為例，當門把手的受力和門軸相交或平行時門無法轉動；講拉伸變形時，舉“拉面”的例子；講扭轉變形時，舉“擰麻花”的例子；講彎曲變形時，舉“扁擔挑水”的例子。這樣能充分調動學生的積極性，讓沉悶的課堂氣氛活躍起來，即使再懶惰的學生也會慢慢地加入到探索分析的隊伍中。

3 多方面課程考核

在“工程力學”授課過程中，教師除講解基本概念、帶領大家推導公式、示范學生如何解題外，還要增加學生獨立思考和動手的過程。因此，在期末考核時，要包含除試卷外的其他考核方面，評分標準涵蓋的面要更廣一些。項目小組的做法是：以理論考試為主，約占比60%；實驗表現和平時表現共占比約40%。實驗表現不僅是實驗報告的撰寫，還有實驗過程中的主觀能動性、動手能力、安全意識、主人翁意識。學生做實驗不能只是聽老師講，不能只動手不思考，要在實驗課上活躍起來，這恰恰也是課程思政方向的新要求[10]。平時表現包含平時的一些討論，如看圖講原理、觀影說原因，在實際現象中挖掘內在的科學原理。將實踐環節和平時表現計入總成績以后，勢必會讓學生更加重視平時的思考與跟進，由被動變主動，課堂變得豐富而又氣氛熱烈。不唯學生，教師也會因此而更加關注學生，真正地做到把課堂還給學生，更多的關注能讓教師加深對學生的了解，達到更好的教學效果，培養更優秀的傳承者和突破者。

4 結語

對于建筑環境與能源應用工程專業來說，“工程力學”課程無論是在校期間，還是從事相關工作后，都有舉足輕重的作用。教師在授課過程中，必須結合學校整體專業側重和方向把控，緊跟建筑環境與能源應用工程專業的培養目標，有的放矢，真正做到以培養學生為中心，讓授課“活起來”，緊跟時代發展，積極響應黨和政府的號召，緊密貼合學科發展和社會主義現代化建設需要，努力向培養綜合素質過硬人才的目標靠攏，以培養出基本功扎實、知識面寬、符合建筑環境與能源應用工程專業培養目標要求的高素質人才。