材料力學與思政元素融合的教學方法研究

[摘" 要]人才在強國建設、民族復興中具有極端重要性。課程思政的目的是將思想政治教育融入各類課程中，以實現全員、全程、全方位育人目標?。通過將“材料力學”課程與思政元素有機融合，使之與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，構建將“立德樹人”作為根本任務的綜合教育理念體系。以“壓桿穩定”為例，有針對性地設置相應的思政教育內容，建立創新化的教學方法和手段，最終實現材料力學課程與思政元素的有機融合，激發學生學習興趣，構建教學與課程思政同向同行、能力與品德協同培養的工科課程。

[關鍵詞]課程思政" 材料力學" 壓桿穩定" 立德樹人

中圖分類號：G642"" 文獻標志碼：A

引" 言

在新時代工科發展模式下，教育的目標不僅在于知識的傳授，更在于培養學生的世界觀、人生觀和價值觀。教育的根本任務是立德樹人。習近平總書記指出，要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。這就要求各個學科和專業在學生培養過程中探索新的教學理念，構建新的教學體系，實踐新的教學方法。

課程思政的目的是將思想政治教育融入各類課程中，以實現全員、全程、全方位育人目標?。自2014年上海高校率先探索課程思政以來，課程思政從地方實踐逐漸上升為全國性行動。基于此，教育部發布相關指導意見，要求各類公共基礎課程、專業課程及實踐課程全面開展課程思政教育。這對于廣大教師而言是一個機遇，通過課程思政促進優秀課程案例的涌現，提高教書育人質量。但同時，怎樣有效融合思政元素，避免生拉硬套也是一項巨大挑戰，需要教師深入發掘課程特色，及時掌握與課程相關的時政信息。

材料力學課程作為理工類的專業基礎課，具有嚴格的概念、原理和定律，邏輯性強的特點，是航空航天工程、機械工程、土木工程等專業的核心課程。將思政元素與材料力學有效結合意義廣泛，既能將課程內容生動展現，也能在學習的過程中培養學生品德，因此是人才培養中的重要一環。材料力學的任務是合理設計工程構件，其應用背景較強，在授課過程中適合結合工程實例進行講解，而工程實例中往往蘊含了較多思政元素，因此有望達到課程中有思政，思政中有專業課程的理想效果，將兩者以“潤物細無聲”的方式傳遞給學生。

材料力學課程思政背景分析

為深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，貫徹落實中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》，把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量，教育部在《高等學校課程思政建設指導綱要》中強調，要深入梳理專業課教學內容，結合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物細無聲的育人效果。針對理學、工學類專業課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。理學類專業課程要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。工學類專業課程要注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

材料力學是理工類專業學生接觸較早的一門專業基礎課程，因此，在課堂教學中應準確找到切入點，在將課程思政融入材料力學的授課過程中，針對性探索專業思政、學科思政的方法。緒論部分，可以介紹力學在我國的發展歷史及目前所面臨的機遇與挑戰。新中國成立時，我國的工業建設幾乎一片空白，對力學人才的需求很大。這啟示我們，要引領世界科技的發展，力學人才培養必將是重要一環，通過力學史的介紹，增強學生的愛國情懷，提升學生的使命感。再比如，在實際工程中，任何復雜的系統都是由構件組成，材料力學的任務就是解決其強度、剛度和穩定性的問題。在圓軸扭轉校核時，需要同時考慮其強度和剛度才能合理設計截面尺寸，通過舉例車床主軸，讓學生進行設計，反映出“細節決定成敗”這一思想。材料力學是基于基本假設展開討論的，內容抽象。例如，應力“看不見，摸不著”，學生第一次接觸時不好理解，因此在討論應力大小和分布時，要明確提出“基本假設”這一思路，幫助學生在未來的工作中具備解決問題的能力。在討論彎曲變形時，可介紹港珠澳大橋因其超大的建筑規模、空前的施工難度和頂尖的建造技術而聞名世界，8年創下多個“世界之最”，使學生感受真正的大國制造，提升學生的文化自信。

綜上，材料力學課程思政元素與其領域的特征有關。目前針對“政教融合”在促進專業知識學習與價值引領、學生能力提升方面具有積極作用，并已有部分研究成果。周軍等將“航天器控制原理”課程進行政教融合，從“課程資源”“教學方法”“課程思政”三個方面展開研究與實踐，完成了“聽得懂，能理解，會應用，能創新”的教學目標；楊未柱等對連續介質力學課程進行了思政挖掘研究，針對航空航天領域展開思政探索；賀文宇等針對“結構動力學”課程，探索了研究生專業課程思政教學的創新方法，并提供了代表性實施案例；張紅衛等以“材料力學”中的“內力求解”為例，對材料力學課程思政進行了探索。將課程思政融入課堂，不僅避免了工科課程的枯燥，又增添了人文氣息，最重要的是為教育的根本目標——立德樹人的實現提供了堅實的保障。

課程思政教學——以“壓桿穩定”為例

工程中有些構件具有足夠的強度、剛度，卻不一定安全可靠。細長的受壓桿當壓力達到一定值時，受壓桿可能突然彎曲而損壞，即產生失穩現象。結構中受壓桿件的失穩常造成嚴重的后果，甚至導致整個結構物的倒塌。例如，1907年，加拿大魁北克的新建橋梁部分發生坍塌，幾十名造橋工人以及技工落入水中，經調查事故是由設計缺陷導致；1995年，韓國首爾的三豐百貨店突然坍塌，造成1500多人被埋入地底。這座建筑原本是四層辦公樓，后來改建為五層百貨商場，施工中存在嚴重的偷工減料和違規行為，導致建筑結構存在重大安全隱患。最終，此次事故造成502人死亡，937人受傷，經濟損失高達667億韓元。由此可見，壓桿穩定是工程設計時必不可少的因素，是材料力學重要的知識點之一。下面將從壓桿穩定的分析過程中挖掘其中的思政元素。

1.穩定性的概念

為了全面而深入地介紹穩定性的概念，下面分析一個理想化的物理模型——一根筆直且細長的壓桿。當受到一個垂直于其軸向的壓力F作用時，壓桿處于直線平衡狀態，這是其初始的穩定狀態，假設對這根壓桿施加一個極其微小的橫向擾動，壓桿就會產生彎曲變形。當壓力F尚未達到特定的臨界值時，壓桿在橫向力消失后能夠自發地、完全地恢復到其原始的直線狀態，這種自我恢復的能力表明，在此壓力水平下，壓桿原有的直線平衡狀態是穩定的，具有抵抗外界干擾的能力。然而，一旦壓力F超過了臨界值，即使撤去了微小的橫向力，壓桿也無法再恢復到原來的直線形態，而是保持彎曲的狀態。這表明，在更高的壓力水平下，壓桿原有的平衡狀態已經變得不穩定，無法抵御微小的外界擾動，從而失去了恢復原形的能力。

授課時通過對這一現象的揭示，不僅是對壓桿穩定性概念的直觀展示，更蘊含了深刻的辯證法思想。它告訴我們，任何事物，包括這根看似簡單的壓桿，其穩定狀態都不是絕對的、永恒的，而是會隨著外界條件（如壓力F的大小）的變化而發生變化。這種變化可能是向更加穩定的方向發展，也可能是向不穩定或隨遇平衡的狀態過渡。隨遇平衡作為一種介于穩定與不穩定之間的狀態，是理解壓桿臨界狀態的重要橋梁，也是后續深入研究的關鍵所在。

從更廣泛的角度來看，這一物理現象啟示我們，世間萬物都處于不斷變化和發展之中，沒有任何事物是一成不變的。因此，我們應當用辯證的眼光去看待世界，認識事物發展的階段性和轉折點，善于從變化中尋找規律，把握事物發展的本質和趨勢。

2.細長壓桿的臨界力

在明確臨界狀態這一概念之后，就要確定該臨界值的大小。為了判定出臨界力，首先要研究兩端鉸支的細長壓桿，結合桿的撓曲線近似微分方程，代入邊界條件并得通解，最終得到兩端鉸支細長中心壓桿臨界力的歐拉公式。

為了加深學生對這一過程的理解，可以采用舉一反三討論式的教學方法。在完成對兩端鉸支細長壓桿臨界力的推導后，通過例題演示，鼓勵學生嘗試推導其他約束條件下（一端固支一端自由、兩端自由以及一端固定一端鉸支）細長壓桿的臨界力。通過對比不同約束條件下推導出的公式，學生可以更直觀地感受到約束條件對壓桿穩定性的影響，從而總結出一些規律。在這一過程中，要特別注重培養學生的抽象思維和問題解決的能力。通過引導學生從實際問題中抽象出科學內涵，幫助他們建立力學模型并深入分析和推導，最終找到解決問題的方法，進一步激發他們的學習興趣和探索精神。具體思政元素分析如下：

（1）切入點與基礎構建：推導過程從兩端鉸支細長壓桿這一基礎模型開始，這是解決復雜問題的一個重要策略——找準切入點。正如在學習和工作中，面對龐大而復雜的問題時，首先需要找到問題的核心或最基礎的部分。

（2）由簡及繁的方法論：通過對兩端鉸支細長壓桿的詳細分析，為后續處理其他約束條件下的臨界力問題提供了方法和思路。鼓勵學生在面對難題時，不畏懼其復雜性，而是將其拆解成若干個小問題，逐一攻克。

（3）現象到規律的提煉：推導過程中，學生不僅要學會計算和分析，更重要的是要學會從具體的物理現象中抽象出普遍規律。這種能力的培養，對于個人成長和社會進步都至關重要。它教會我們如何在紛繁復雜的信息中識別出事物的本質和規律，從而作出正確的決策。

（4）解決問題的態度與能力：整個推導過程強調了對知識的深入理解和靈活應用，這要求學生具備批判性思維、創新能力和持之以恒的精神。在學習和工作中，面對挑戰時保持積極樂觀的態度，勇于嘗試不同的解決路徑，即使遇到困難也不輕言放棄。正如科學家在研究過程中，無數次的實驗失敗并不意味著終點，而是通往成功的必經之路。

此外，通過舉例嫦娥五號研制過程，使學生深刻理解解決復雜工程問題的思路與過程。嫦娥五號是我國迄今復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，其成功研制和發射體現了我國在航天領域解決復雜工程問題的能力。其研制過程主要包括：①明確目標與需求：實現月面無人采樣返回。②技術分解與方案設計：科研人員將任務分解為多個關鍵技術環節，針對每個環節，團隊都進行了深入的技術研究和方案設計，確保每個環節都能滿足任務需求。③試驗驗證與優化改進：進行大量試驗驗證工作，以驗證方案的可行性和可靠性。④系統集成與測試：在各個環節的技術方案經過試驗驗證和優化改進后，項目團隊開始進行系統集成工作。這些測試旨在驗證探測器的整體性能和可靠性，確保其在發射和飛行過程中能夠正常工作。在探測器經過全面測試并確認無誤后，便可進行發射。發射成功后，探測器按照預定的軌道和程序執行任務，完成地外天體采樣與封裝、月面起飛、攜帶樣品高速返回地球等一系列復雜操作。

綜上所述，通過力學推導過程的深入剖析，不僅能夠提升學生的專業素養，更能夠培養學生的科學思維方法、解決問題的能力以及積極向上的人生態度，這些都是思政教育的寶貴財富，對于促進學生的全面發展具有重要意義。

3.歐拉公式適用范圍

在推導細長壓桿臨界力的歐拉公式時，不僅依賴了材料在線彈性范圍內工作的基本假設，還運用了撓曲線近似微分方程。由于這一方法基于小變形理論，因此歐拉公式的適用前提十分明確：壓桿橫截面上的應力必須嚴格控制在材料的比例極限之內。

值得注意的是，壓桿的分類（如細長桿、中長桿、粗短桿）對于確定適用的臨界應力計算公式至關重要，每種類型都有其特定的失穩判定依據。然而，學生在實際操作中，往往容易混淆壓桿的類型，導致選擇了錯誤的計算公式，進而得到錯誤的結果分析。為了幫助學生避免這一常見錯誤，我們可以通過分析討論，即如果將細長壓桿錯誤地視為粗短桿或中長桿，或將粗短桿誤判為細長桿，均會導致預測的臨界應力偏大，造成危險。通過深入討論這些后果，向學生強調，在工程實踐中，準確無誤地識別和應用專業知識是確保設計安全與效率的基石。即便是微小的偏差，也可能引發重大的工程事故，造成不可估量的損失。因此，必須培養學生在面對工程問題時，不僅要有扎實的理論功底，更要有嚴謹細致、一絲不茍的工作態度。此外，穩定性問題在工程領域的重要性也不容忽視，它往往是決定結構能否長期安全服役的關鍵因素。穩定性安全因數相較于強度安全因數需要設置得更為嚴格，因為一旦結構失去穩定性，往往意味著災難性的失敗。通過加強這方面的教育，可以進一步增強學生的責任感，使他們在未來的工程實踐中能夠更加自覺地遵循科學原則，確保每一項設計都能經得起時間的考驗，為社會的安全與發展貢獻力量。

4.提高壓桿穩定性的措施

在工程結構設計中，選擇截面形狀是一個至關重要的步驟。在探討截面形狀的優化時會發現圓形截面特別是空心圓截面在某些方面表現得更為出色。以“竹子為什么是空心”這一自然現象為例，深入討論圓形截面，尤其是空心圓截面的優勢：竹子作為自然界中的一種高效結構，其空心設計并非偶然，而是經過長期自然選擇和進化的結果。這種設計不僅減輕了竹子的重量，提高了其抗風、抗震的能力，還優化了材料的分布，使竹子在承受壓力時能夠更有效地利用每一寸材料。通過理論推導可以發現，空心圓截面相比實心圓截面，在相同的材料用量下，能夠提供更大的抗彎剛度和更好的穩定性。這一理念也被巧妙應用到了現代建筑設計中，例如臺北101大樓外觀結構巧妙地借鑒了竹子的構造原理。這種設計不僅美觀大方，更體現了人類智慧與自然規律的完美結合。

講授過程中通過理論分析與舉例，使學生深刻地認識到大自然是結構設計的靈感寶庫。只要我們處處留心，多觀察自然界中的萬物，就有可能從中獲得對理論研究的啟發。無論是竹子的空心設計，還是其他生物的奇妙結構，都蘊含著豐富的力學原理和設計智慧。因此，應該多鼓勵學生培養觀察自然、思考自然的習慣，從中汲取靈感，為未來的結構設計提供更多的創新思路和實踐經驗。在平時的教學過程中，可以通過引導學生分析這些自然現象背后的力學原理，幫助學生建立起對結構設計的直觀認識和深入理解。同時，還可以鼓勵學生積極參與實踐，嘗試將自然界中的設計原理應用到實際工程中，不斷推動結構設計的創新和發展。這樣不僅能夠培養出具有扎實理論功底和豐富實踐經驗的專業人才，還能夠為社會的可持續發展貢獻更多的智慧和力量。

結" 語

專業教育與思政教育共同承載著育人的重任，其中立德樹人是教育的根本任務。在這一理念的指導下，課程思政作為落實立德樹人要求的關鍵環節，顯得尤為重要。作為一線教師，不僅要傳授知識，更要注重學生的全面發展，通過推動課程思政與專業課程的有機融合，實現教育的綜合效益。材料力學作為工程學科的基礎，其知識體系蘊含著豐富的科學精神和人文素養。通過分析材料的力學性能、結構穩定性等專業知識，引導學生認識到科學的嚴謹性、創新的必要性和實踐的重要性。在授課過程中，需通過一體化設計將思政教育元素自然地融入，使兩者相互補充、相互促進，實現“德、智、體、美、勞”的構建。注重培養學生的道德品質和社會責任感，引導他們樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

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（李周儀：西安理工大學土木建筑工程學院）