“材料力学”结构原理融合课程思政教学模式探索

孙先念 刘杨 姚征

摘    要：“材料力学”是工科学生的一门传统的主要专业基础课。如何在“材料力学”教学过程中既向学生讲解工程结构原理，又恰当地引入思政内容，是目前“材料力学”教学实践中需要探讨的问题。文章基于“材料力学”教材中普遍引用的钢木结构简单拉压超静定问题，通过系统讲解复合材料结构中的许用应变结构原理，并将许用应变比拟为个人能力，从而实现了“材料力学”习题与工程结构原理和课程思政的有机结合，为“材料力学”课程思政建设提供了有益尝试。

关键词：“材料力学”;课程思政;超静定;许用应变

中图分类号：G642.3          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）02-0062-02

一、前言

在我国高等学校的工科专业培养方案中，一般要在学生进入到二年级，学完高等数学、工程制图、大学物理和理论力学等先修课程后，才开始向学生讲授“材料力学”课程。与此前的大多数课程相比，“材料力学”是一门从理论到工程实践的过渡课程，其知识点层出不穷，公式繁多，尤为重要的是“材料力学”的工程实践性强。因此，“材料力学”教学工作不仅要处理好与理论力学等先修课程的衔接关系，还要在培养工程思维模式的过程中，使学生建立合理的工程伦理思想，为“材料力学”知识服务于工程应用奠定基础，这是“材料力学”课程教学过程中的关键挑战。

“材料力学”是结构工程的基础，“材料力学”课程内的大部分习题是通过对工程结构进行简化而提出的，许多习题的演算过程与结构设计是同步的。因此，在“材料力学”教学过程中，结合习题来讲解部分结构原理是可行的。

针对“材料力学”课程特点和课程思政建设需求，本文基于“材料力学”课程中一个简单拉压超静定问

题，提出通过拓展对“材料力学”习题的理解，将部分习题与结构原理和课程思政有机结合，使学生在加深对“材料力学”理解的基础上，全面了解结构设计原理，并基于结构原理来分析个人对国家建设的贡献与作用，从而激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

二、钢木结构简单拉压超静定问题中的许用应变结构原理

在机械类和土木类两类“材料力學”主要教材中[1-2]，均选取了以等边角钢与短木柱组成的复合结构承受压缩荷载的简单拉压超静定问题，具体问题表述与求解如下。

在向学生讲解此题目之前，教师一般会邀请学生先通过直觉判断结构中角钢和木柱哪一个先发生强度破坏（或者先达到各自的许用应力）。学生选择角钢的相对会多一些，因为相当部分学生有预习的习惯，他（她）们会通过教师提供的课件提前知道此题目的计算结果。通过计算，可以看到角钢先达到许用应力，在压缩载荷施加过程中，角钢会先于木柱发生强度破坏，也就是说此结构的许可荷载是由角钢来决定的。

习题演算结束时，教师会向学生们提出第二个问题，如果增加或减小角钢的横截面面积，能否改变此结构中的破坏顺序，使木柱先发生破坏呢？此时，学生选择的倾向性变小，能与不能两种回答人数接近相等，说明学生此时以猜测为主。

可以看到，由于结构的变形协调关系要求两种材料的压缩量相同，压应变也相同，先达到许用应变的材料必然先达到许用应力。因此，无论如何改变角钢与木柱的横截面积比，一直是角钢先达到许用应力，这也是复合材料结构中经常使用许用应变来评价材料间协调性的根本原因。例如，在发展纤维增强复合材料结构中的增强纤维时，就强调同时提高纤维的强度和弹性模量，以期保障纤维的许用应变，使之更好地与基体互相配合。

三、许用应变结构原理中的“柔弱胜刚强”思想

通过上述对两种材料许用应变与破坏顺序的分析，不仅可以向学生阐明复合材料结构中不同材料之间相互配合的许用应变结构原理，还有利于提高学生在工程分析中的参数识别能力。基于这部分的讲解，可以进一步阐述老子提出的“柔弱胜刚强”思想，将中国传统文化同工程结构设计与分析结合起来，展开课程思政教学。

老子的《道德经》中多处提到了“柔弱胜刚强”的思想，如第七十六章“人之生也柔弱，其死也坚强。草木之生也柔脆，其死也枯槁。故坚强者死之徒，柔弱者生之徒。是以兵强则灭，木强则折。强大处下，柔弱处上”;第七十八章“天下莫柔弱於水。而攻坚强者，莫之能胜。以其无以易之。弱之胜强。柔之胜刚。天下莫不知莫能行”。明确提出这一思想则在第四十三章“将欲歙之，必固张之;将欲弱之，必固强之;将欲废之，必固兴之;将欲夺之，必固予之。是谓微明。柔弱胜刚强，鱼不可脱于渊，国之利器不可以示人”。

木材无论是刚度（弹性模量）还是强度（许用应力）均远小于钢，即刚度“柔”强度“弱”，然而，当两者共同承受载荷时，木材却能晚于“刚强”的钢材发生破坏，其原因就是木材有着更大的许用应变。材料的许用应变与人在社会中的适应能力是对应的。社会（载荷）随着时间不断发生变化，每个人的角色与作用（变形）也发生着相应变化。然而，如同孔子提出的“三十而立”那样，无论世界如何变化，人必须坚持合理的核心价值观，不会在外界的影响下而改变自己的价值观，否则就会在外部压力下产生心理上的扭曲（不可恢复变形），甚至崩溃（破坏）。因此，适应能力如同材料许用应变一样，只有不断提高个人的适应能力，才能更好地坚持自己的核心价值观，才能更好地适应变化的世界（更大的弹性变形能力——许用应变）。

自2020年初COVID-19疫情爆发以来，全世界人民承受了巨大的压力。截止本文撰稿时，尚不清楚此次疫情何时可以完全可控。但是，在疫情面前，我们每一个人要主动适应生活上的一些改变，才能尽快迎来战胜疫情的那一天。如果把工作在疫情一线的英雄医护人员比作刚强的钢材的话，大多数的非一线人群则是柔弱的木材。只要我们做好自己的本职工作，保证承受较小压力的木材不出现问题，就能有力地保障承受大部分载荷的钢材解决问题。事实上，如果某一个人在这种情况下出现问题，其承担的压力将会传递到其他人身上，而且会因局部应力集中导致更多的压力转移到疫情一线的医护人员。因此，每一个学生能够认真学习，踏踏实实地实践自己的使命与职责，无论贡献大小，都是我国不断发展强大过程中不可或缺的一部分。

四、结论

本文通过分析“材料力学”教材中的一个简单的钢木结构压缩超静定问题，阐明复合结构中的许用应变结构原理，进而以比拟的方法简要论述了材料许用应变与人的适应能力的对应关系，并与老子的“柔弱胜刚强”思想相结合，提高学生对提升个人适应能力必要性的认识，从而达到了通过材料习题讲解结构原理，并加强了学生思想修为的目的。

参考文献：

[1]刘鸿文.材料力学（I）[M].第5版.北京：高等教育出版社，    2011：43-45.

[2]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（I）[M].第6版.北京：高等    教育出版社，2019：184-188.