小議結構力學與自然辯證法的融合范文

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對立統一規律

在自然辯證法的三大規律中，對立統一規律(也稱為矛盾規律)處于核心地位，矛盾是指客觀事物本身所固有的既對立又統一的本性及其在人們頭腦中的正確反映。矛盾的統一性和對立性相互聯系，不可分割，在分析矛盾和處理矛盾時，必須把統一性和對立性有機結合，在對立中把握統一，在統一中把握對立，反對形而上學的片面性。例如，在講結構力學幾何組成分析的三個規則時，既要看到三剛片規則、兩剛片規則和二元體規則在分析問題上的不同，又要學會看到三個規則之間的聯系，即可以看成一個整體———三角形規則。針對具體問題，既要看到有些問題只能利用其中一種規則分析的對立性，又要看到一些問題均可以用三個規則分析的統一性，分別舉例講解，避免學生“不識三則真面目，只緣身在一則中”的困惑。又如，講到超靜定結構2種基本計算方法:力法和位移法時，既要讓學生看到這2種方法計算原理上的對立性，又要讓學生看到計算步驟上的統一性。二者的對立統一如圖1所示。

質量互變規律

辯證法認為，事物的發展是通過量變和質變及其相互轉化實現的。質量互變規律揭示了事物發展的形式和狀態。量變是事物數量的增減或者空間排列次序的變化，質變是事物根本性質的變化，量變和質變是辯證統一的。事物的發展是量變和質變、連續性和間斷性的辯證統一。在實際教學中，既要有合理的教學計劃，又要根據學生的實際掌握程度量力而行;既要重視課堂上同類型例題的講解，又要注意新內容的學習。例如，在講平面體系的幾何組成分析時，根據幾何組成分析規則，可知原體系為幾何組成且無多余聯系，圖2(a)所示。但當將EC桿和CF桿分別移動到與AE桿和BF桿所在直線上時，如圖2(b)所示，則體系的性質將發生變化，由原來的幾何不變體系變為現在的瞬變體系。這其中蘊含質量互變規律的自然辯證法原理:2個體系中的桿件數量沒有發生變化，只是排列方式變化或者桿件尺寸改變，就會帶來不一樣的結果，前一種體系可以作為結構，后一種體系不可以作為結構。結構力學課程教學基本要求(A類)指出結構力學課程教學對學生能力的培養包括4個方面:分析能力、計算能力、判斷能力和自學能力［10］。基礎結構力學是對結構力學中基本計算方法的掌握和計算能力的培養，程序結構力學是對結構計算程序的使用能力，定性結構力學是對結構的理解、分析、判斷和選擇的能力。基礎結構力學中知識的學習是對學生的最初級要求，是自然科學知識體系方面量的積累;程序結構力學中的知識幫助學生學會程序閱讀，利用計算機輔助設計，是工具知識體系方面量的積累;定性結構力學是對學生力學素養的培養，是對結構的宏觀理解和本質把握，這是結構力學教學的最終目標，是感性認識到理性認識質的飛躍。由此可見，結構力學教學內容是質和量的統一。

否定之否定規律

(一)辯證的否定

唯物辯證法認為，否定是事物的自我否定，它是事物發展過程中具有決定作用的環節，其實質就是揚棄。辯證的否定觀具有重要的方法論和意義，對事物不能簡單地肯定一切或否定一切，而要依據事物的內在矛盾運動和發展的規律具體分析。例如，在講結構位移計算的內容時，首先應講解積分法，然后再講圖乘法。通過筆者多年的教學經驗，發現學生容易混淆積分法和圖乘法的區別與聯系，認為兩者都可以對同一問題求解，不會有所側重或互相結合去解題，甚至有些學生將軸力圖與剪力圖也進行圖乘法運算，學習了圖乘法，忘掉了積分法，出現這些問題就是沒有理解這2種計算方法的區別與聯系。自然辯證法認為任何事物內部都包含肯定和否定兩方面。結構的位移計算方法也不例外，積分法在計算結構位移上值得肯定的是應用范圍廣。表現在以下幾個方面:(1)從變形類型看，可以考慮彎曲變形、軸向變形、剪切變形和支座位移。(2)從變形原因看，可以考慮荷載作用、溫度改變、支座移動等不同原因引起的位移。(3)從結構類型看，可用于計算梁、剛架、桁架、拱等各種類型結構的位移，靜定結構和超靜定結構都適用。(4)從材料性質上看，可用于彈性材料，也可用于非彈性材料。

否定的方面是積分法計算需要列出實際狀態和虛擬狀態下的內力方程，當桿件多、荷載復雜時，積分運算相當復雜，而且容易出錯。于是1925年莫斯科鐵路運輸學院的學生Vereshagin提出圖乘法概念，他發現利用積分法計算荷載作用下梁和剛架等以彎曲變形為主的結構位移時，可以將積分運算轉化為代數和的運算形式。圖乘法不需要列出實際狀態與虛擬狀態的內力表達式，利用2種狀態下的彎矩圖進行運算，計算速度快，而且應用非常方便。同時，也要認識到圖乘法的局限性，即應用時要滿足一定的條件:(1)桿件為等截面直桿;(2)EI為常數;(3)Mk、Mp圖形中至少有1個為直線圖形。計算梁和剛架在荷載作用下的位移時，圖乘法保留了這種結構的主要變形———彎曲變形，而軸向變形和剪切變形從工程應用角度對位移的影響很小，可以忽略，這從哲學角度上稱為“揚棄”。把握了否定的實質，是正確理解辯證否定的關鍵。例如，結構力學中桁架位移計算法包括結點法、截面法、結點截面聯合應用法，其中結點截面聯合應用法是對前兩種方法的一種辯證否定。超靜定結構位移計算的基本方法有力法和位移法，根據具體情況，可以采用力矩分配法、無剪力分配法、矩陣位移法等，力矩分配法、無剪力分配法和矩陣位移法，其理論基礎都是位移法。計算連續梁和無結點線位移的剛架時，采用力矩分配法更方便;對有結點線位移的剛架，可以考慮位移法與力矩分配法聯合應用求解;除無側移桿外，其余桿為剪力靜定桿時，采用無剪力分配法更適宜;利用計算機求解復雜結構的位移與內力時，則體現出矩陣位移法優勢。這些知識點都滲透著自然辯證法中辯證否定的思想，去其糟粕，取其精華，保留新事物中一切有利于事物發展的積極因素，從而保證發展過程的連續性。

(二)否定之否定

事物的發展都是通過否定實現的，辯證的否定不是一次完成，而是事物自我發展、自我完善的過程。在這個過程中，事物的發展經過三個階段兩次否定，即由肯定到否定，再由否定到否定之否定。在這個周期中，事物的發展經過兩次辯證的否定，表現為螺旋式上升和波浪式前進［11］。例如，結構力學教學手段的發展過程是:“板書為主”到“多媒體為主、板書為輔”再到“多媒體為輔、板書為主”，其體現的就是否定之否定的發展過程。過去計算機技術還不夠成熟，教師的講解主要是通過板書，速度較慢，但便于師生交流、利于教學互動，教師從學生的課堂反應中能及時了解學生的學習情緒、理解程度、出現的問題及癥結等，并可及時采取對策，發揮教師的主導性，使學生可以與教師思維同步。由此可見，“板書為主”的教學手段曾在教學過程中發揮重要作用。

20世紀末，隨著大土木專業體系的建立，人才培養目標轉變為“厚基礎、寬口徑”，結構力學的授課學時也由原來的120～140學時壓縮到80學時，原來教學大綱的內容按傳統的教學方法難以完成。隨著新技術和新型結構體系的發展，計算機技術在土木工程專業廣泛應用，給傳統結構力學補充了新內容。多媒體教學由于授課信息量大，可將大量的工程實例引入課堂，教學效率高，解決了內容多學時少的矛盾。對復雜的工程實例，教師無法用語言來描述，可以采用多媒體手段演示，把實際的結構與抽象后的計算簡圖相聯系，加強了教學良性互動，提高了教學效率，彌補了以“板書為主”教學手段的不足，發展成為“多媒體為主、板書為輔”的組合式教學手段。結構力學課程計算量大，基本原理需通過具體例題講解，宜采用“多媒體為主、板書為輔”的教學手段。

近幾年，由于招生規模擴大，學生整體素質下降，學生的基本計算能力與分析問題能力較差，難以跟上多媒體教學節奏，學生更希望教師利用黑板進行公式推導和具體例題講解。另外隨著社會發展速度加快，教師的社會壓力增大，教師待遇又普遍偏低，部分教師在教學同時從事一些兼職工作，于是不可能全身心投入教學，整體教學質量有所下降。在此背景下，學校鼓勵教師采用“多媒體為輔，板書為主”的新形式。教學中讓學生體會到“板書—多媒體—板書”的過程就是螺旋式上升的過程，是一個揚棄的過程。雖然看似回到了板書的教學方式，但實質是對單一板書的否定，吸取板書在教學上的積極因素，消除消極因素，增加了多媒體輔助教學的內容，每經過一次否定，都加進了富有生命力的新內容，從而使事物達到更高的水平。

結語

結構力學的教學內容、教學手段和教學方法是在教學過程中長期形成的創造性成果，其中蘊含深厚哲理，因此，結構力學教學不僅是知識的學習過程，更是科學哲理的探索過程。教學中運用自然辯證法、美學理論等將是對力學教學的升華，同時，也對專業課教師的哲學修養提出了更高要求。（本文作者：周海龍、李平、申向東單位：內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院）