梁的强度校核与职业精神的研究

1.课程内容简介

“材料力学”是研究构件（主要是杆件）的强度、刚度和稳定性的课程，为合理进行结构构件选材、确定构件截面形状和尺寸提供必要的理论基础、计算方法以及实验技术，使设计的构件既安全又经济。梁的弯曲变形是基本变形中较难的教学内容，因为相对拉压杆件和圆杆扭转，梁受弯的变形形式及内力分布较为复杂。因此“梁的强度校核”这部分内容虽然和前面两种基本变形的强度校核基本思想和方法相同，但内容相对复杂且和工程联系紧密。为了强化学生对“梁的强度条件”的理解、对工程结构的认知并为今后“梁的合理设计”奠定基础，这部分教学将结合工程结构设计及安全、梁结构合理设计基本思想进行讲解。此部分教学内容主要是：

第一，理解梁的强度条件，掌握梁的强度校核的基本类型和求解方法；

第二，建立“梁的强度校核”和“梁的合理设计”的联系，为今后进一步学习梁的合理设计奠定基础，同时加深对梁的强度校核的理解。

2.课程设计思路

第一，课程的引入。首先由一工程事故案例分析，说明如何合理地确保材料的使用既经济又安全，引出教学内容——“梁的强度校核”，强调其在工程结构设计中的重要性和必要性。从事故的严重性、危害性及安全意识的重要性，延伸出“塑造工程师爱岗敬业的使命感和责任感”。

第二，课程的深入。强度校核的三类问题：许用应力校核、许用荷载计算、结构尺寸设计和选材。在对这三类问题进行回顾以后，具体对“梁的强度校核”进行简单举例讲解。再由不同的结构、不同的载荷对比分析举例，以逆向思维的方式进一步阐述“许用荷载计算”的重要性，同时说明载荷的合理设计可以降低梁的内力，为梁的合理设计打下基础。通过提出问题，引导学生思考如何降低最大应力、提高强度，培养学生的创造性思维；同时，此处联系工程实例应用，由支座到吊环的类比分析培养学生的研究性思维，由此也延伸出工程师“安全经济意识”的职业素养。

第三，课程的升华。列举交通工程中飞机的机翼、火车或者汽车的减震弹簧中梁结构的特殊设计，引导学生思考：不同的截面设计引起内力如何变化？说明强度校核的另一类主要问题“许用尺寸设计”的重要性，对教学内容进行了延伸，为梁的截面合理设计奠定了基础。此处多个工程应用举例既强化了力学知识的工程应用，同时也蕴含了“专业、严谨的职业态度，求真务实、开拓创新的职业精神”，有利于培养学生的思想态度、学习能力、综合素质，全方位地实现知识传授、能力培养和思想育人有机融合的“三全育人”的课程教学总目标。

3.具体实施方案

第一，课程内容导入。由“某小区阳台从1层到6层全部突然断裂破坏”的实例（如图2-18所示）引出悬臂梁的内力分析，简单回顾梁的变形与内力相关知识点；进而引出本部分教学内容——梁的强度校核，说明其对实际工程结构应用的重要性。进一步简单解析阳台破坏原因——悬臂梁的配筋问题。钢筋混凝土结构中，钢筋是塑性材料，用来受拉；混凝土是脆性材料，用来受压。由此说明根据内力分析合理选材的重要性，延伸出结构工程师的职责和严谨的职业态度，引领学生塑造工程师爱岗敬业的使命感和责任感。

图2-18　阳台断裂破坏

第二，课程内容讲解。

授课环节1：对前面所学的拉压杆和圆轴扭转的强度知识进行复习总结，通过类比引出梁的强度校核的三类问题。由于拉压杆、圆轴扭转、梁弯曲变形强度校核三类问题类型相同，故这里对梁的强度条件三类问题只通过简单举例讲解分析求解思路。但由于梁的弯曲内力计算较为复杂，且建立强度条件时需要同时考虑：

因此，这部分教学内容更多结合工程实际应用进行举例分析。对于“许用载荷计算”，这里采用逆向思维引导学生思考：如果构件中任何一点的应力超过材料的许可应力，构件因不满足强度条件会造成安全问题，那么如何降低最大工作应力，从而提高构件的承载能力？并以车间厂房内的桁架梁（如图2-19所示）上的滑轮组设计为例，激发学生主动分析解决问题。进而以“三种等效荷载作用下梁的内力对比分析”为例（如图2-20所示），说明附加梁设计可以有效降低梁内的最大弯矩，从而降低最大应力，故而解释车间厂房内的桁架梁上的滑轮组具有减小集中荷载（起吊重物）的作用。

图2-19　桁架梁

图2-20　不同载荷下梁的内力对比分析

上例可说明：等效载荷作用形式不同引起梁的内力不同，即以逆向思维方式证明了许用荷载计算的必要性。而后，结合优化设计思想，启发学生思考：装配式建筑中预制构件（预制梁、预制板、预制楼梯等）在现场安装施工（如图2-21所示）时，起吊吊环的位置该如何选择？这样的对比、类比分析训练不仅有利于培养学生的研究性思维和创造性思维，而且结合工程实例的分析更易让学生感悟工程师的职业素养、职业态度、职业精神的培养才是学习的真正动力和内核。

授课环节2：由正应力强度条件知道，最大正应力发生在弯矩最大的横截面上距中性轴最远的各点处。从充分利用材料、节约成本的目标出发，由梁横截面的应力分布规律和内力图两个角度来说明等截面梁材料的富余，从而启发学生思考：如何使梁各截面上的最大正应力相等，均达到材料的许用应力？列举交通工程中飞机的机翼、火车或者汽车的减震弹簧中梁结构（如图2-22所示）的特殊设计，引导学生思考：为何进行变截面设计？它将引起内力如何变化？此处的分析解释既说明了等强度梁的设计思想，同时也说明了“许用尺寸设计”的重要性和必要性。此处多个工程应用举例既强化了力学知识的工程应用，同时也可让学生在积极思考中自然领悟“工程师的责任与担当，专业、严谨的职业态度，求真务实、开拓创新的职业精神”，培养学生爱国、敬业、诚信的社会主义核心价值观。

图2-21　工程中的预制构件起吊受力分析

图2-22　工程中等强度梁

4.教学效果和反思

“梁的强度校核”这部分内容的教学重点是让学生掌握梁的强度校核三类问题的分析求解。但由于这部分内容和前面两种基本变形的强度校核基本思想和方法相同，易引起学生轻视，因此在教学设计上必须注重知识的趣味和知识的拓展。故而在授课中结合梁的合理设计思想来加大课程难度，同时紧密结合工程实际来增加知识趣味性，进而通过融入思政元素拓展知识深度，培养学生的工匠精神。

具体来说，从教学内容和育人目标出发进行课堂的教学设计和组织：（1）由一工程事故案例分析，说明事故的严重性、危害性及安全意识重要性，引出教学内容——“梁的强度校核”的重要性，并延伸出思政元素——工程师职业精神。（2）对前面的课程内容进行复习，同时对前面轴向拉压杆和圆轴扭转构件知识体系进行总结和类比，引出“梁的强度校核”的具体教学内容；以工程实例分析强化学生对“许用载荷设计”的理解，并进一步深入思政元素。（3）通过多个工程实例的探讨分析，理论结合实际，加强学生对弯曲强度校核的理解和梁合理设计应用的思考，进一步使思政元素得到升华。整个教学过程不仅促使学生掌握知识，而且有利于培养学生分析解决问题的创新性思维，循序渐进地启发和加强学生对工程师的职业素养、职业态度、职业精神的思考和感悟。

不足之处在于：学生反馈所举工程实例难度较大，而学时有效导致分析不够详细透彻。由此说明：这部分教学内容在有限学时内加大难度并拓展深度，使得教学节奏过于紧凑，今后可利用混合式课程开展，对教学设计进一步优化。

（刘娟）

【注释】

[1]本节内容系教育部人文社会科学研究青年基金西部和边疆地区项目“新时代中国参与全球治理的能力提升路径研究”（18XJCGJW003）的阶段性成果。（部分内容期刊待发）

[2]习近平：把思想政治工作贯穿教育教学全过程[EB/OL].新华网，[2021-03-05].http：//www.xinhuanet.com/politics/2016-12/08/c_1120082577.htm.

[3]本书编写组.中国特色社会主义理论与实践研究[M].北京：高等教育出版社，2018：34．(www.xing528.com)

[4]中国共产党第十九次全国代表大会文件汇编[M].北京：人民出版社，2017：9．

[5]肯尼思·华尔兹．国际政治理论[M].信强，译．上海：上海人民出版社，2003：106．

[6]肯尼思·华尔兹．国际政治理论[M].信强，译．上海：上海人民出版社，2003：109．

[7]肯尼思·华尔兹．国际政治理论[M].信强，译．上海：上海人民出版社，2003：108．

[8]Stephen D.Krasner.Structure Courses and Consequences[J].International Organization， 1982， 36（2）.

[9]罗伯特·基欧汉．霸权之后：世界政治经济中的合作与纷争[M].苏长和，等，译．上海：上海人民出版社，2001：130．

[10]罗伯特·基欧汉．霸权之后：世界政治经济中的合作与纷争[M].苏长和，等，译．上海：上海人民出版社，2001：290．

[11]The Commission on Global Governance.Our Global Neighborhood： The Report of the Commission on Global Governance[M].Oxford University Press，1995.

[12]James N.Rosenau.Governance in the Twenty-first Century[J].Global Governance.A Review of Multilateralism and International Organizations，1995， 1（1）： 13-43.

[13]星野昭吉．全球治理的结构与向度[J].南开学报：哲学社会科学版，2011（3）：1-2．

[14]2019中国经济年报[EB/OL].中国政府网，[2021-03-05].http：//www.gov.cn/zhuanti/2019zgjjnb/mobile.htm.

[15]中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].国家统计局，[2021-03-05].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202102/t20210227_1814154.html.

[16]中华人民共和国与各国建立外交关系日期简表[EB/OL].外交部，[2021-03-05].https：//www.fmprc.gov.cn/web/ziliao_674904/2193_674977/.

[17]已同中国签订共建“一带一路”合作文件的国家一览[EB/OL].中国一带一路网，[2021-03-05].https：//www.yidaiyilu.gov.cn/xwzx/roll/77298.htm.

[18]数据来源于亚洲基础设施投资银行官网，[2021-03-05].https：//www.aiib.org/en/about-aiib/index.html.

[19]大变化　大发展　大调整——中国日益走近世界舞台中央[EB/OL].中华人民共和国中央人民政府网站，2016-03-29[2021-03-05].http：//www.gov.cn/xinwen/2016-03/29/content_5059482.htm.

[20]习近平谈治国理政：第三卷[M].北京：外文出版社，2020：460．

[21]亨利·基辛格．大外交[M].顾淑馨，等，译．海口：海南出版社，2012：8．

[22]习近平谈治国理政：第三卷[M].北京：外文出版社，2020：473．

[23]中国共产党第十九次全国代表大会文件汇编[M].北京：人民出版社，2017：21．

[24]大变化　大发展　大调整——中国日益走近世界舞台中央[EB/OL].中华人民共和国中央人民政府网站，2016-03-29[2021-03-05].http：//www.gov.cn/xinwen/2016-03/29/content_5059482.htm.

[25]该研究受到以下项目资助：高等学校大学数学教学研究与发展中心2020年教学改革项目“在高等数学课程中融入思政教育，创新课程育人模式的探索与实践”（CMC20200415）；西南交通大学2020年本科教育教学研究与改革项目“高等数学课程思政育人模式的探索与实践”（20201034-07）；西南交通大学基层党建示范创建和质量创优培育项目“高校教师党支部课程思政育人模式的探索与实践”。

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