浅谈数学专业学生在工科背景科技创新项目中的优势与劣势

肖久梅，陈章华

摘要：本文对数学专业本科生在科技创新项目“超高分子量聚乙烯基公路护栏材料及结构的力学评估”的实施中的优势与劣势了进行分析：本项目实施中数学专业的学生充分体现了对于力学的数值模拟计算与分析能力的优势；另一方面对于实际力学性能测试等具体试验缺乏灵活性、经验和浓厚的兴趣。故本科学生学习期间能进行一些跨学科课题的研究意义深远，可以拓展学生思维，有意识地围绕自己感兴趣的、擅长的科研方向建立知识体系，取长补短，为以后的学习与工作奠定深厚的功底。

关键词：本科生；创新课题；分析问题；解决问题

中图分类号：G645 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0128-02

数学的研究也应以一定的研究对象为基础[1]，如果数学专业的学生只满足于在其他科研者所得出的结论的基础上展开研究，可能很难有所突破，或者错上加错，浪费了大量精力。所以数学专业的学生应当具有一定的工科项目的研发能力，相关问题的分析能力，只有对研究对象有了深刻的理解，才能很好地对其进行理论研究。所以，非常有必要在数学专业学生学习期间，进行工科背景项目的实施，提高学生的工程能力，以避免陷入纸上谈兵的境界。通过此类项目的实施，培养学生分析与解决实际工程问题的能力，可以让学生感受数学理论在工程当中的实用价值，激发学习的兴趣和自觉性，并提高学生对数学知识的整体认知能力，理解所学的理论如何推广到实践中，解决实际问题。另一方面，项目实施中，学生自觉总结与体会自己的兴趣、爱好和特长，是偏向纯粹数学还是应用数学。为以后的学业发展和工作规划，提供一个非常好的借鉴、平台。

一、数学专业的学生刚开始介入本项目时的特点

接触科技创新项目“超高分子量聚乙烯基公路护栏材料及结构的力学评估”初期，学生认为对于非本专业的项目不会得出理想的创新成果，不是很有信心能完成此项目。正是由于此原因，在准备方案时，学生能够花费大量的时间和精力查阅相关资料、调研、准备方案。积极主动地收集工程实际问题相关资料，反复进行研究，开讨论会，最终能够结合工程实际提出较为理想的试验方案。举例如下，方案：把图1-1的相同的两行波改为两边高中间低的三行波。虽然波形结构已经能很好地起到缓冲的作用，不过二次缓冲应该会更有效果。如果一层波没有完全奏效的话，再使用二层波去进行缓冲，可以更好地保证车辆的安全。两行一层波可相当于现在通用的波形结构，当它们没能阻止车輛的撞击时，新加的二层波就可以发挥它的作用。另外，因为波和波并不是一体，而是相互连接起来的，所以当一层波受损而二层波完好时，可以只更换一层波，尽量节约资源。此外，该方案还考虑了附加的“二级缓冲”波的方向问题（上页图为外凸，内凹型在下面ansys建模时会提到），将内凹与外凸效果与原结构进行比较。（后面的支撑柱，只是凭借“三角形最稳定”而加上的，不过会用到更多的材料。）

由于学生意识到自己工科背景知识的不足，所以在准备方案时，为保证能够获得理想的试验结果，学生积极思考，充分调动积极性，设计了多种用于对比研究的护栏截面用于Ansys的计算指导中，然后通过对比来讨论各种方案的优缺点。在数值模拟分析方面，学生发挥了数学专业的优势，能够较为全面、迅速地进行模拟分析。在分析缓冲吸能特性方面，能够不受常规工科思维模式的限制，从侧面分析所设计的护栏结构的缓冲吸能特性。比如，从冲击物的冲击速度与时间的关系、冲击物的冲击加速度与时间的关系、冲击物的最大位移、最大冲击力；被冲击物（护栏）的冲击速度与时间的关系、被冲击物（护栏）冲击加速度与时间的关系、被冲击物（护栏）最大位移等方面来反映所设计的护栏结构的缓冲吸能特性，获得理论分析与ansys模拟分析结果较为吻合的结论。通过模拟分析结果确定最佳方案，学生根据试验结果可以得出理论分析和模拟结果相结合而得出来的分析结论。在项目实施过程中，学生完成了一个与工程相关的项目从查阅资料、实践调研，综合分析，直至提出最终解决方案的全过程。对于具有工程背景的项目如何着手进行研究有了很好的锻炼。另一方面突显较强的分析能力，体现了数学专业学生对于力学的数值模拟计算与分析能力的优势[2]。学生能够从纯数学理论研究过渡到结合相关文献、市场调研和所学理论对工程实际问题进行分析。能够提出问题、分析问题和解决问题。经过这一阶段的学习，学生对于自己所要解决的问题产生了浓厚的兴趣与信心。

二、数学专业的学生实施本项目时的劣势

在项目方案的分析确定与借助于ansys模拟分析软件的分析过程中，由于数学专业学生的分析能力与对于力学的数值模拟计算与分析能力的优势，进展顺利。但对于进行具体通过试验验证以上设计方案的这一环节，则进展缓慢，原因是对于如何进行实际试件的制备、如何根据国家标准进行试样制备、非标准试验如何在实验室内完成模拟试验等一些实际操作缺乏经验和浓厚的兴趣，学生仍然关注并擅长于理论的分析与模拟推断，而在具体试验实施前首先畏惧时间的紧张，不勤于动手实践。

如果数学专业的学生没有与课题相关的工程背景知识，单纯从数学的角度推理，所获得的研究结果将会不可靠，并且无法用于指导实践，缺乏实用性。本项目针对大二数学专业的学生展开，题目与力学相关。数学专业的本科生接触有关力学的创新课题可以使学生感受到数学的奥秘和价值，激发学生的学习本专业课程的兴趣；另一方面，学生可以感受到数学研究中工科知识的学习和运用能力的重要性。通过本项目的实施，在数学研究中遇到某些工程问题时，学生知道如何去掌握相关领域的理论知识，提高对所学知识的理解与运用能力，而不是单纯的数学推导与计算，在以后的数学相关研究中才能游刃有余。

参考文献：

[1]邓芳芳，李木桂.以工程能力培养为导向的高职数学类课程教学方法[J].数理科学，2012，（18）：142-143.

[2]宿维军.计算机数学系统在公路工程中的建模应用[J].自动化与仪器仪表，2013，（2）：106-109.

课题项目：感谢北京科技大学与教学改革研究项目的支持。