建筑环境与能源应用工程专业基础课教学思考*——以“工程力学”为例

孙晓勇 ， 李树谦 ， 李桐栋 ， 侯娜娜 ， 仝国军

（1.河北水利电力学院土木工程系，河北 沧州 061001；2.河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北 沧州 061001）

0 引言

“工程力学”课程对工科专业有重要作用，是主要基础课程之一，其重基础理论且兼顾应用[1]。“工程力学”的学科特点是理论与实践联系密切，既包含很多基本概念，又有很多逻辑推理和实际计算，因此造就了其习题多样化的特点。20世纪70年代后，我国的建筑环境与能源应用工程专业逐步发展起来[2]，其与土木、建筑、结构、通风、能源、水利水电、国防工程等多方面专业都有联系。随着我国社会经济不断发展，城市建设过程中高层甚至超高层建筑数量逐渐增多，建筑结构的超高高度使得土建工作者实际操作过程中必须精通必要的力学知识，工程力学对于建筑结构的安全性、稳定性起到了关键作用，同时保证了建筑的使用寿命。在能源工程方面，无论是风能、电力、石油，还是核能工程建设，都必须有力学知识的融入。如在建设核电站时，工程力学可以保证反应堆外壳的坚固性和稳定性满足使用要求，从整体上提升工程安全性。在水利水电工程方面，如长江三峡水利工程建设过程中，河流动力学、通航水力学都发挥了巨大作用。在国防工程方面，无论是建设机场还是港口，或者是在飞机、导弹等方面的研究过程中，力学都发挥了无法忽视的作用，很多伟大的导弹专家如钱学森等都有很深的力学素养。国家不断加大对碳排放和碳中和的要求[3]，各种能源减排设备的设计和应用日益增多。在工程实际工况中，这些设备复杂的受力以及变形情况，使得力学知识广泛应用于我国多种类型的项目工程建设中。技术分析研究者通过分析力学知识与工程类型要点，整合理论与实践，通过实践系统更新研究成果充实力学学科，反过来又服务于实践，因此，注定了“工程力学”课程开设的必要性。通俗地说，建筑环境与能源应用工程是建筑物里面设计各种管线的；建筑学是设计建筑物的；工程力学的作用是为大型施工企业或研究单位对涉及的工程进行安全检测与结构合理评判提供科学数据支撑的。

建筑环境与能源应用工程专业培养计划里，由“微积分”“高等物理”“计算机知识”“工程制图”“基础外语”等作为基础课程，进而研究诸如“机械设计”“工程力学”“电工电子学”“C语言”“CAD”等第一层专业基础课。第二层专业基础课是诸如“工程热力学”“传热学”“流体力学泵与风机”“流体输配管网”“热质交换原理与设备”“建筑环境学”“自动控制原理”等课程。打好基础后，进入专业课领域，包括“制冷原理及应用”“锅炉与锅炉房设备”“空调工程”“通风工程”“建筑给排水”“建筑电气”“建筑自动化”和专业实习等[4]。由此可见，“工程力学”属于培养计划中“打地基”的学科之一，对后续课程的学习均会造成一定的影响。

建筑环境与能源应用工程专业开设的“工程力学”课程，内容主要包括静力学、运动学和材料力学三部分。目前大部分学校建筑环境与能源应用工程专业安排学时基本在56学时或64学时，其中课堂讲授课时约占90%，实验教学课时约为10%[5]。“工程力学”课程学时少、内容多、概念抽象、理解困难，而教学目标和计划中要求加快教学进度，但学生思维跟不上，形不成完整的力学体系。因此，要从教学思想上彻底改变，努力让学生思维成为一个闭环，尽可能多传授力学思想，调整教学体系，培养出符合要求的“一大批具有国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队，力争实现前瞻性基础研究、引领性原创成果的重大突破”[6]，对当前行业发展有更为突出的意义。

1 教学内容与时间排布

“工程力学”主要研究力学和数学的基本理论和知识，研习二维、三维绘图，运用计算机和现代实验技术手段解决与力学有关的工程问题。例如：桥梁的总承重计算、室内墙体的强度和受重分析计算、建筑的结构稳定性分析等。“工程力学”培养具有力学基础理论知识、计算和试验能力，能在各种工程（如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等）中从事与力学有关的科研、技术开发、工程设计和力学教学等工作的高级工程科学技术人才。

在建筑环境与能源应用工程专业领域中，与“工程力学”相关的部分主要是各种建筑能源设备和给排水管道在工程中的变形和受力情况分析，所以“工程力学”并非全部要讲，遴选合适内容可以聚力于点，以点破面。静力学是所有力学学科的基础，是所有工科专业力学学习的基石；运动学研究点和刚体的基本运动；材料力学判定材料在多种基本变形下哪里最易破坏、破坏原因为何、怎样避免破坏，与实际工程有很高的相关度，对工业设计和工程鉴定而言必不可少。

“工程力学”是对建筑能源设备和给排水管道在工程中的变形和受力情况进行分析的课程。因此，将“工程力学”作为专业基础课在大二上学期开设，可为后续其他专业课的开设打下坚实的基础，学生在将来接触专业课知识时，遇到相关力学问题，便可迎刃而解、事半功倍。学生解决难题的成就感带来对专业课积极性的快速提高，提高了专业课的学习效果。

2 教学手段与方式方法

现有“工程力学”课程以课堂讲授为主，课时占比90%。概念抽象、计算烦琐、推理复杂，学生若不充分地进行复习和预习就会难以理解。为调动学生积极性，针对性解决问题，首先要提高学生数学思维能力和逻辑思考能力，授课期间多举实际例子、多做实验以激发学生兴趣。

2.1 增加教学实验

学生动手进行实验操作能使其直观地感受到力学的趣味性和实用性，在以课堂学习内容解释实验现象的过程中，随之而来会有学有可用的成就感，知识理解更为透彻。同时也有利于培养学生动手以及科研创新能力。目前建筑环境与能源应用工程专业的“工程力学”授课过程中，材料力学章节会有一些简易实验，如低碳钢与铸铁拉压实验、圆轴扭转实验、弯曲正应力测定实验等，这些实验无一不和理论教学息息相关，是教学过程的极大加强与补充。理论力学章节较抽象，故为提高趣味性，适时增加相关的趣味小实验，如动量矩守恒定律：在旋转的同时，旋转臂外侧挂有重物，旋转臂的伸长会使转动速率降低，而旋转臂收回时又会增加转动速率[7]。对于脆性材料的扭转破坏机理研究，可以课堂上演示用黄瓜代替扭转破坏，会产生明显的与横截面呈45°角的断口。而对于杆件受力组合变形，可用橡皮泥制作成摇杆演示弯扭组合变形。在压杆稳定章节，制作细长PVC管两端受压模具，演示临界压力随长细比变化的规律[8]。此类小实验简便易行、生动直观，有很好的效果。而对于较复杂的实验现象，可利用多媒体教学设备放视频展示。尽一切努力减弱力学枯燥无味、抽象呆板的课程特点，激发学生积极性。教师更应总结教学实验经验，编撰“工程力学”实验指导书等用于辅助实验教学，达到理论结合实践共促互补的目的。

2.2 理论聚焦实践

力学课程里抽象概念多，力、运动、能量等概念不是肉眼可见的实体，难以理解。所以在授课过程中，多举生活中具象的例子，可激发联想、加深印象。比如“非自由体”的概念是某个方向位移受到阻止的物体，“约束”的概念是“限制非自由体某个方向位移的周围物体”；那么在授课时，“自由体”的概念就可以举“飞机”的例子，它在空中是“自由”移动的，没有“约束”；而“非自由体”可以举“拴在地上的气球”的例子，它不能飞离地面，拴气球的绳子就是赋予它的“约束”。空间力系中，讲到“力对轴的矩”时，“如果力和轴同一平面，则力对轴的矩为零”[9]，教师可以以教室的门为例，当门把手的受力和门轴相交或平行时门无法转动；讲拉伸变形时，举“拉面”的例子；讲扭转变形时，举“拧麻花”的例子；讲弯曲变形时，举“扁担挑水”的例子。这样能充分调动学生的积极性，让沉闷的课堂气氛活跃起来，即使再懒惰的学生也会慢慢地加入到探索分析的队伍中。

3 多方面课程考核

在“工程力学”授课过程中，教师除讲解基本概念、带领大家推导公式、示范学生如何解题外，还要增加学生独立思考和动手的过程。因此，在期末考核时，要包含除试卷外的其他考核方面，评分标准涵盖的面要更广一些。项目小组的做法是：以理论考试为主，约占比60%；实验表现和平时表现共占比约40%。实验表现不仅是实验报告的撰写，还有实验过程中的主观能动性、动手能力、安全意识、主人翁意识。学生做实验不能只是听老师讲，不能只动手不思考，要在实验课上活跃起来，这恰恰也是课程思政方向的新要求[10]。平时表现包含平时的一些讨论，如看图讲原理、观影说原因，在实际现象中挖掘内在的科学原理。将实践环节和平时表现计入总成绩以后，势必会让学生更加重视平时的思考与跟进，由被动变主动，课堂变得丰富而又气氛热烈。不唯学生，教师也会因此而更加关注学生，真正地做到把课堂还给学生，更多的关注能让教师加深对学生的了解，达到更好的教学效果，培养更优秀的传承者和突破者。

4 结语

对于建筑环境与能源应用工程专业来说，“工程力学”课程无论是在校期间，还是从事相关工作后，都有举足轻重的作用。教师在授课过程中，必须结合学校整体专业侧重和方向把控，紧跟建筑环境与能源应用工程专业的培养目标，有的放矢，真正做到以培养学生为中心，让授课“活起来”，紧跟时代发展，积极响应党和政府的号召，紧密贴合学科发展和社会主义现代化建设需要，努力向培养综合素质过硬人才的目标靠拢，以培养出基本功扎实、知识面宽、符合建筑环境与能源应用工程专业培养目标要求的高素质人才。