付佳维 陈龙淼 赵鹏举

摘  要：高等院校的兵器类专业承担着为兵器行业培养创新人才的重任，在新工科改革形势下，优化专业培养方案，加强创新能力培养，提升人才质量，支撑兵器行业发展，势在必行。结合新工科的创新本质要求和力学的双重属性，文章提出了对兵器专业学生强化力学素质教育的观点。通过对现有培养方案中基础力学课程体系主要缺陷的分析，提出了改革兵器专业基础力学教育的三点思路：一是重视力学教育，优化力学课程体系，适度增加力学课程课时量;二是紧紧抓住固体力学在力学教学中的核心地位，开设固体力学基础课程，培养学生力学建模能力;三是开设力学前沿选修课，开阔学生视野，提高科研能力。

关键词：兵器专业;新工科;力学;课程改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）18-0127-04

Abstract： The weapon majors in colleges and universities take the responsibility for training creative talents for weapon industry. To meet the reformation requirements of "new engineering"， it is imperative to optimize the training program of weapon majors and enhance the innovation ability of talents to achieve higher qualities. By comparing the innovation nature of emerging engineering with the dual properties of mechanics， it is proposed in current paper that the mechanics ability of students in weapon majors should be enhanced. After analyzing the disadvantages of mechanics curriculums in the current training program， three suggestions are put forward to reform the main courses in mechanics. Firstly， the education on mechanics should be taken enough care of， the contents of mechanics courses need optimization， and credits of mechanics courses can be increased properly. Secondly， taking consideration of the core role of solid mechanics in mechanics， the course of foundations of solid mechanics is advised to set up， and the mechanical modelling ability of students will be promoted. Finally， optional courses on the frontier of mechanics are offered for interested students， which will broaden their view in mechanics and improve their research abilities.

Keywords： weapon major; new engineering; mechanics; curriculum reformation

一、“新工科”的创新要求

“新工科”的概念自2016年被提出以来[1]，教育部在2017年上半年召开了三次大型研讨会，形成了“复旦共识”[2]、“天大行动”[3]、“北京指南”[4]，在新工科的内涵、发展蓝图、发展模式、路径选择等方向给出了纲领性指示，拉开了我国新时期工科专业建设改革的大幕。会议指出，第四次工业革命正在迅速展开，世界高等工程教育面临新挑战新机遇，我国正在通过“中国制造2025”“一带一路”“网络强国”等重大战略实施创新驱动发展，高等工程教育已经处于新的历史起点，建设新的工科专业，发展工科专业的新模式势在必行。基于此，教育部于2018年初确定了首批612项新工科研究与实践项目，根据高校的不同层次，划分成三组开展新工科建设。并于2020年初启动了第二批新工科研究与实践课题[5]，于2020年中发布了“未来技术学院建设指南（试行）的通知”[6]，开启了新工科建设的再出发、再突破。由此可见，新工科已经成为我国未来一段时期高等工科专业改革的主流方向。发展新工科的核心目标是适应未来经济发展要求，在新一代科技革命和产业竞争中占据优势地位，这就要求新工科培养的人才具有更强的原始创新能力和交叉学科整合能力。因此，更加宽厚的基础知识就成了新工科人才培养的必然要求。

二、力学的双重属性

力学在现代科学中的定位如何呢？

首先，力学具有理科属性。力学是第一个精确化的科学，它研究物质的运动规律和受力特性的关系，经典力学属于物理的分支学科。力学与数学的关系也是异常紧密，两个学科长期以来相互促进，一体化发展。历史上很多伟大的数学家也是力学家，例如，牛顿不仅是微积分的创始人，而且，由他创立的三大力学定律成为经典力学最基本的定理。再比如，欧拉不仅在几何学、微积分、变分学上做出了卓越贡献，还建立了描述物质运动的基本方法，欧拉描述在力学中起着举足轻重的作用。此外，拉格朗日、柯西、阿基米德、伯努利等人都是杰出的力學家和数学家。建国以来，我国很多高校将数学和力学放在一起，开办数学力学系，例如，新中国第一个数学力学系由周培源先生在北京大学开办。由此可见，力学与物理数学有着非常紧密的联系。

其次，力学具有很强的工程属性。例如，发动机中的气动力学、建筑结构中的结构力学、汽车设计中的板壳理论、机械部件中的碰撞力学和摩擦力学、电子元器件设计中的热应力理论、炸药爆炸和弹丸侵彻中的冲击动力学、血管内血液流动的流体力学、压电压磁传感器中的多物理场理论、材料设计中的材料微观力学等等，都是典型工程中的力学问题。被称为我国“中国航天之父”“中国导弹之父”“火箭之王”的钱学森先生就是著名的力学家，他在流体边界层理论、空气动力学、板壳屈曲变形理论方面都卓有成效，并创办了中国科学技术大学近代力学系并担任系主任。国家最高科技奖获得者郑哲敏院士长期从事固体力学研究，提出了流体弹塑性体理论，他善于运用力学原理解决工程问题，在核爆反应、穿甲破甲、岩土爆破等工程问题方面取得了重要成果，并提出了海洋工程力学、环境灾害力学等应用力学学科。再如，冯·卡门既是20世纪最伟大的航空专家也是空气动力学家，茅以升院士既是伟大的桥梁专家又是我国土力学的创始人，钱七虎院士既是防护工程专家又是岩石力学专家。他们取得的伟大成就来源于优异的思维方式，而正是力学思维赋予了他们极大的创造力。正如马克思所说“力学是大工业的真正科学的基础”。

所以说，力学既具有理科属性，又具有工科属性，既具有量化基因，又具有创新基因[7]，它是科学与技术的桥梁，是现代科学最早成熟的学科，也是现代工程学科的支柱。北京大学武际可教授说过，一名优秀的工程师首先是力学家，要想做一名优秀的工程师，首先要把自己变成力学家。由此可见，力学在工科专业人才培养中起着举足轻重的作用。新工科的创新本质要求力学在人才培养中发挥更加重要的作用，为提升我国工程人才的原始创新力做出贡献。

三、兵器专业基础力学课程的主要问题

兵器科学与技术（0826）为工学类国家一级学科，含有武器系统与运用工程（082601）、兵器发射理论与技术（082602）、火炮自动武器与弹药工程（082603）、军事化学与烟火技术（082604）四个二级学科。该学科研究身管武器从发射、飛行到命中目标全过程的化学、力学、机械等问题，涉及工学、理学、军事学等众多学科技术领域，是集武器装备科学原理、系统分析、工程设计和先进技术综合运用于一体的重要学科。常见的本科专业有：武器系统与工程（包含火炮、自动武器、火箭炮、弹药、火箭弹、引信、装甲车辆等方向）、武器发射工程（包含现代发射理论及控制技术、外弹道理论及弹箭飞行控制技术等方向）、弹药工程与爆炸技术、特种能源技术与工程、探测制导与控制技术等。其中武器系统与工程、武器发射工程、弹药工程与爆炸技术三个专业的主要学科还包括力学、机械工程、控制科学与技术等，其中，力学都排在第二位，属主干学科或第一交叉学科。

一级学科“力学”共有四个二级学科，分别为：一般力学与力学基础、固体力学、流体力学、工程力学。一般力学与力学基础主要研究动力学与控制、振动理论等，固体力学研究可变形固体的运动规律，流体力学研究流体的运动规律，工程力学主要研究工程实际中的力学问题。兵器类专业一般在力学的每个二级学科中安排一门基础课。例如，南京理工大学的武器系统与工程专业，安排了4个学分的“理论力学”作为“一般力学与力学基础”的基础课，4个学分的“材料力学”作为“固体力学”的基础课，2个学分“工程流体力学基础”作为“流体力学”的基础课，1个学分的“工程力学实验”和2个学分的“有限元基础与应用”作为工程应用类力学课程的基础课，合计13个学分，占到总学分数的7.8%。

现有的兵器类专业的基础力学课程体系主要存在以下问题：

1. 力学基础课程学分数占总学分的比例较低

黄再兴和胡海岩[8]对国外部分知名高校的工科专业中基础力学课程的学分数进行了统计，主要包括理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学和流体力学，并未包括有限元课程，结果表明，力学课程占比平均为11.8%，最高达到16.7%。这说明国外高水平大学普遍重视基础力学课程在工科专业本科教育中的作用，安排的课时数比国内高校多出3-18个学分。

2. 知识陈旧，体系不完整

理论力学课程中的部分内容与高中物理中的力学部分重复，例如，点的运动与高中物理“质点”运动重复;部分教学内容陈旧繁复，例如，从“平面汇交力系”到“平面任意力系”到“空间力系”内容简单易懂，但用时较多，难以吸引学生兴趣。材料力学课程以“欧拉-伯努利梁”的经典梁理论为主要教学内容，这种理论发展于18世纪初，目前已很难满足现代工程研究的需要，因此，日常练习与期末考核多以做练习题为主。此外，材料力学虽然是固体力学的入门课程，但涉及到的固体力学的核心思想较少，也与现代材料力学的内涵大相径庭，这使得基础力学课程的安排在固体力学方面出现偏颇，体系不完善。而工程流体力学基础讲述了不少管道流近似计算的内容，不仅计算方法陈旧，经验公式颇多，而且对流体的基本理论讲述不够深入，未涉及Navier-Stokes方程。

3. 动态力学内容较少，知识层次不高

兵器工程往往涉及强瞬态、短脉冲、高温高压等冲击动力学问题，需要对兵器材料的动态力学行为、结构件在冲击载荷作用下的刚强度、循环动载荷作用下结构可靠性等问题进行研究。然而，目前开设的基础力学课程中很少讲述动态力学的内容，使得学生对材料在高应变率下的响应、结构动态应力场的计算等问题没有基本概念，在处理相关问题时常简化为静态问题。例如，学生经常把火炮膛压载荷的最大值作为静态压力载荷施加到身管内表面，然后使用厚壁圆筒理论对身管进行强度校核，这种处理方法虽然简单，但是误差较大，已无法满足现代武器高精度设计的要求。

四、基础力学课程改革的几点思考

（一）成体系优化课程内容，适度增加基础力学课程学时

由于我国的本科生课程体系中，安排了不少学时的英语课和政治课，而且近年来的改革趋势是总课时数持续收缩。在这样的大背景下，维持现有课时数或者适度增加课时数，优化现有的基础力学课程内容，就成为缩小与国外知名高校在学生力学思维培养上的差距，提升武器专业学生的原始创新能力的主要出路。例如，建议大幅压缩理论力学的课时数，删除与高中物理重复的部分，引入振动理论和分析力学的基础知识，开设一般力学基础课程。再如，以弹性力学和有限元单元法为主要内容，附加讲述晶体塑性理论的基本概念，开设固体力学基础课程。流体力学课程应当以优化内容为主，进一步加强基本理论的讲述，介绍部分先进的计算流体力学方法，淡化针对特定工程应用对象的内容，避免过多讲述陈旧的经验公式。

（二）开设面向兵器专业的固体力学课程，强化学生力学思维

固体力学对于锻炼学生的力学思维非常有用，但是，材料力学内容无法覆盖固体力学的核心知识点，对于力学思维的培养较为有限，而弹性力学才是固体力学的核心基础课程。因此，建议开设面向兵器专业的以弹性力学为主要内容的固体力学基础课程，辅助讲解金属材料基本知识，并介绍以有限单元法为主的数值求解方法，形成“材料基础-力学模型-工程应用”的固体力学课程体系，重点培养学生力学思维和力学建模能力。

武器系统大量使用金属材料，包括炮钢、装甲钢、一般合金钢、铝合金、钛合金等，一般占到武器重量的80%以上。因此，了解金属材料微观组织，熟悉宏观力学性能，对于武器设计人员合理判断结构的力学性能和工作可靠性非常重要。金属具有晶体结构，可以向学生介绍晶体的主要结构形式、晶体内部的缺陷形式、位错的概念、金属弹性变形和塑性变形的物理机制、提高金属材料强度的原理等内容，使学生获得基本的材料学概念。材料宏观力学属性是武器结构设计选材的重要依据，介绍各种金属材料力学概念和实验测试方法，有利于提升学生在武器设计时的原始创新能力。包括静态屈服强度和准静态拉伸实验，弯曲扭转强度和弯曲扭转实验，硬度的不同表示方法和测试手段，动态屈服强度的概念和分离式Hopkinson压杆原理，断裂韧性的不同表示方法和测试手段（例如通过落锤试验获得冲击功、通过拉伸试验获得应力强度因子），疲劳失效原理和疲劳寿命实验方法，高温软化特性及高温力学性能实验等。

弹性力学对培养学生的力学思维非常重要。其主要内容应该包括：平衡方程、几何方程、本构方程的推导，边界条件的表达，两类平面问题（平面应力、平面应变）的内涵，控制方程的推导，弹性力学问题的典型解法等。在完成基本理论的讲述之后，可以从武器结构中选择一些形状简单的典型结构，来系统性讲述弹性力学问题的求解方法，培养学生使用力学思维来解决工程问题的能力。例如，厚壁圆筒在内外压力作用下的位移场和应力场的理论解，可以为身管在膛压载荷作用下的响应计算提供理论支撑;经典Hertz接触理论可以为结构件的接触碰撞问题提供理论支撑;圆孔的孔边应力集中问题的解答，可以为平板类构件的孔边应力场计算提供理论支撑。通过工程实际结构件与典型力学结构的相互对照，可以锻炼学生合理简化结构、准确确定边界条件的能力，从而全面提升学生力学建模的水平。

有限单元法作为目前工程分析中最广泛使用的数值计算方法，应用于机械、电子、土木建筑、军事工程、生物等众多学科。有限单元法具有四大特点：可以通过不同形式的单元来模拟复杂的几何结构;可以求解包括位移场、温度场、速度场、电磁场在内的各种物理场;数学基础是变分原理、加权余量法等，具有严格的理论基础;使用规范化的矩阵表达，易于编程求解。有限单元法起源于力学问题的求解，与固体力学有着深厚的关联，同时，鉴于有限单元法在武器型号研发、关键技术预研等方面的重要作用，结合固体力学课程，对武器专业学生讲述有限单元法的知识显得尤为重要。可以大幅减少弹簧单元、杆单元、梁单元的介绍，以平面单元、三维实体单元、等参单元、动力学问题的求解方法为主，结合工程实例，引导学生使用大型有限元商业软件，学会使用固体力学知识分析计算结果，达到“不仅会算，还要算对”的目的。

（三）开设冲击动力学前沿选修课，提升学生科研水平

武器发射是一个瞬态冲击过程，产生的高温高压载荷作用于武器本身，对武器部件的安全性和可靠性提出了很高的要求。例如，火炮内弹道过程一般在十几个毫秒的时间，膛压高达300兆帕以上，火药燃气温度大约为3000开尔文，同时发生各种复杂的物理现象（例如，数倍或数十倍于武器本身重量的后座冲击力产生、弹带结构发生高应变率下的大变形行为、炮口流场冲击波反作用于火炮本身、电气功能部件处于高频振动载荷下）。由此可见，武器设计离不开冲击动力学的基本知识，开设冲击动力学前沿选修课，对有志于从事武器科研工作的学生的创新能力培养很有必要。主要内容应该包括：材料的动态力学基本理论、动态加载技术、冲击波三个方面的知识。

火炮射击时，弹带挤入身管内膛，发生高温高应变率下的大变形，對这种动态工况下的金属材料动态力学行为的准确描述非常有助于提高火炮身管设计水平。类似的还有弹丸侵彻靶体的过程、穿甲弹的穿甲过程、弹丸爆炸毁伤目标的过程等。因此，在兵器各个本科专业开设相关课程，介绍金属材料的动态力学基本理论对于培养知识面广泛、专业功底深厚的兵器人才锦上添花，能够为部分以后继续深造研究生的同学奠定良好的基础。材料动态力学基本理论可以包括塑性流动理论、基于温度和应变率的本构关系、常用的材料损伤准则和屈服准则等内容。

兵器射击的动态过程难以在实验内进行操作，一方面场地受限、成本较高，另一方面也存在较大的安全隐患，因此，借助其他加载方式对兵器材料或者结构件进行动态加载来模拟射击载荷，获得材料的动态响应规律是常见的研究手段。常用的加载方式有：轻气炮加载技术、炸药爆轰加载技术、电磁加载技术等。轻气炮加载技术方面重点介绍分离式Hopkinson压杆/拉杆技术的原理和实验方法，并安排学生进行实验操作，辅助介绍单级轻气炮原理、飞盘实验、Taylor杆碰撞实验原理。其他加载手段，可以介绍磁驱动等熵压缩实验原理和电磁炮原理。

兵器中涉及很多冲击波问题，既有气体中的冲击波又有固体中的冲击波。例如，炮口位置处火药燃气中的冲击波作用于火炮本身，后座产生的冲击力在火炮结构中形成应力波后传导到地面。因此，在冲击波方面可以重点介绍简单波的概念、气体中的冲击波基本关系式和性质、固体中的物态方程和一维应力波的基本方程等。

五、结束语

兵器专业本科人才的培养对我国兵器行业发展具有重要意义，提升学生的创新能力是未来兵器跨越式发展的必然要求。由于兵器与力学息息相关，为了充分发挥力学在科学与工程之间桥梁作用，提出以高质量力学基础教育为抓手，来突破学生创新能力培养难题的方法。具体措施包括：重视力学在兵器专业人才培养中的作用，成体系优化基础力学课程内容;开设固体力学基础课程，着重培养学生力学思维;开设冲击动力学前沿选修课，拓宽学生视野，培养学生科研能力。

参考文献：

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[6]教育部办公厅.教育部办公厅关于印发《未来技术学院建设指南（试行）》的通知[EB/OL].（2020-05-15）.[2020-08-03].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/202005/t20200520_456664.html.

[7]鄭泉水.论创新型工科的力学课程体系[J].力学与实践，2018，40（2）：194-202.

[8]黄再兴，胡海岩.国内外大学工科专业力学课程设置情况对比[J].力学与实践，2003（1）：72-73.

基金项目：国家自然科学基金项目“基于非傅里叶热传导理论的含裂纹弹带热塑性行为研究”（编号：11702137）;江苏省自然科学基金项目“极端环境下弹带细观结构演化及多尺度本构关系研究”（编号：BK20170816）

作者简介：付佳维（1989-），男，汉族，陕西宝鸡人，博士，讲师，研究方向：兵器教学改革、火炮身管设计。