新工科背景下“理論力學(xué)”課程建設(shè)與學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)＊

王曉杰，陳佩江

（臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1 “理論力學(xué)”課程建設(shè)改革的時(shí)代背景

高等院校培養(yǎng)的工程科技人才，一直是中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的力量源泉。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)的20年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，中國(guó)對(duì)能夠適應(yīng)和引領(lǐng)新時(shí)代變化的工科人才的需求變得更加迫切。培養(yǎng)合格的工科人才已然成為中國(guó)工程教育事業(yè)建設(shè)的重中之重。

為了探索新形勢(shì)下的中國(guó)工科人才的培養(yǎng)模式，中國(guó)2016-06成為國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會(huì)員。加入《華盛頓協(xié)議》是促進(jìn)中國(guó)工程類人才培養(yǎng)邁入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措，對(duì)中國(guó)工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、走向世界具有重要意義。2017年以來(lái)，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下的科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)變革，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)迭代升級(jí)，支撐“一帶一路”“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

在中國(guó)新工科本科人才培養(yǎng)的大背景下，以新工科人才培養(yǎng)理念為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的目標(biāo)導(dǎo)向評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，高等院校紛紛著手對(duì)本科教育課程體系進(jìn)行改革探索，其中針對(duì)工科專業(yè)本科生基礎(chǔ)力學(xué)類課程改革成為國(guó)內(nèi)諸多高校課程改革的重點(diǎn)領(lǐng)域[1-3]。同時(shí)，以注重科學(xué)研究思維培養(yǎng)的教學(xué)方式改革和探索也引起了領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者的關(guān)注[4-6]。

本文將結(jié)合作者自身的教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)歷，就普通本科院校車輛工程專業(yè)“理論力學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐和相關(guān)改革措施作總結(jié)研究，進(jìn)而以“理論力學(xué)”課程為例，就本科院校工科學(xué)生的科學(xué)思維培養(yǎng)問(wèn)題作探討思考。念，對(duì)“理論力學(xué)”的課程建設(shè)作了初步的探索與實(shí)踐，現(xiàn)主要在課程內(nèi)容、教學(xué)方法、成果考查三個(gè)方面展開論述。

2.1 課程內(nèi)容及目標(biāo)

“理論力學(xué)”是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)核心課，包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分。課程主要研究質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，初步學(xué)會(huì)應(yīng)用理論力學(xué)的理論和方法解決一些簡(jiǎn)單工程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合本課程特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力起著重要的作用。根據(jù)以上課程的主要內(nèi)容，以工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)課程建設(shè)的基本宗旨為出發(fā)點(diǎn)，確定課程的教學(xué)目標(biāo)。“理論力學(xué)”課程教學(xué)目標(biāo)主要為以下四點(diǎn)：①掌握理論力學(xué)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，具有分析工程力學(xué)問(wèn)題的能力；②能基于理論力學(xué)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論知識(shí)，經(jīng)過(guò)抽象化建立力學(xué)模型，分析物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析物體產(chǎn)生這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原因；③能根據(jù)理論力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，針對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題，能夠選擇和使用恰當(dāng)?shù)姆椒ń鉀Q問(wèn)題；④充分理解理論力學(xué)的研究方法，培養(yǎng)辯證唯物主義世界觀，培養(yǎng)正確的分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，為以后解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題打下基礎(chǔ)。

2.2 理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方法

“理論力學(xué)”課程中主要講授的是質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，旨在通過(guò)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)探索解決復(fù)雜的工程問(wèn)題的方法和途徑。下面以問(wèn)題、方法、結(jié)論三要點(diǎn)為主線，探討理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合模式。

在“問(wèn)題”部分，針對(duì)授課部分所涉及的不同教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置不同的課程導(dǎo)入模式。向?qū)W生講授不同的力學(xué)問(wèn)題可以從哪些工程實(shí)際中得到。例如，針對(duì)靜力學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容，有軸承的支撐、屋架以及桁架的平衡的平面力學(xué)問(wèn)題，航天

2 目標(biāo)導(dǎo)向的“理論力學(xué)”課程建設(shè)探索與實(shí)踐

結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證以學(xué)生為本、目標(biāo)導(dǎo)向的基本理飛行器、汽車變速箱等受力的空間力學(xué)問(wèn)題，汽車行駛直接驅(qū)動(dòng)力、千斤頂工作原理的摩擦問(wèn)題等。這些工程問(wèn)題可以在具體知識(shí)的講授中讓學(xué)生意識(shí)到所學(xué)知識(shí)的存在價(jià)值及意義，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在“方法”部分，針對(duì)上述問(wèn)題建立不同的數(shù)學(xué)模型，將工程或者理論問(wèn)題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用不同的方法求解上述數(shù)學(xué)方程，可以對(duì)比不同的方法求解的異同，使學(xué)生加深對(duì)不同方法的理解和認(rèn)知，產(chǎn)生探索問(wèn)題的工程科學(xué)思維。

在“結(jié)論”部分，根據(jù)求解的結(jié)果分析其工程實(shí)踐意義，把抽象的數(shù)學(xué)結(jié)果作為符合工程背景的具體結(jié)論，讓數(shù)學(xué)問(wèn)題重新回到工程問(wèn)題中。

以問(wèn)題、方法、結(jié)論為主線的理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式，可以使“理論力學(xué)”課程更具工程實(shí)踐教育意義，是有效培養(yǎng)工科專業(yè)本科生科學(xué)思維的教學(xué)模式。

2.3 在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論學(xué)習(xí)成果

在“理論力學(xué)”課程建設(shè)中，如何考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握程度，檢驗(yàn)課程改革和探索的成效也是需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。針對(duì)理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合，以問(wèn)題、方法、結(jié)論三要點(diǎn)為主線的“理論力學(xué)”課程建設(shè)模式，探索在實(shí)踐中檢驗(yàn)理論學(xué)習(xí)成果就顯得尤為必要[7]。主要考查措施和內(nèi)容可包括：①力學(xué)相關(guān)工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模。在課程考查中，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的理解能力和認(rèn)知情況。②不同求解方法的對(duì)比分析?？疾閷W(xué)生對(duì)課程中所述求解方法的掌握情況，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)值計(jì)算方法的理解情況。③現(xiàn)代工程軟件的應(yīng)用。數(shù)值計(jì)算的應(yīng)用主要是在理解基本求解思路的基礎(chǔ)上，考查學(xué)生對(duì)計(jì)算軟件的應(yīng)用熟練程度。④對(duì)求解結(jié)果基于工程意義的解釋。從工程實(shí)際得到的數(shù)學(xué)問(wèn)題，針對(duì)求解結(jié)果，應(yīng)擺脫傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課程抽象理解的束縛，著重考查學(xué)生對(duì)求解結(jié)果的基于工程意義的解釋，使數(shù)學(xué)問(wèn)題重新回歸到工程實(shí)際問(wèn)題中。

3 加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)的思考

在“理論力學(xué)”的教學(xué)中，借助課程自身注重科學(xué)應(yīng)用的內(nèi)容特點(diǎn)，在教授學(xué)生基本力學(xué)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維也具有其內(nèi)在的課程優(yōu)勢(shì)。下面從主要從兩個(gè)方面闡述在課程中如何加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)。

3.1 從工程實(shí)踐出發(fā)的問(wèn)題導(dǎo)入

“理論力學(xué)”課程主要講授的是經(jīng)典力學(xué)體系下的一般性的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題。所涉及的問(wèn)題往往是抽象的，為加強(qiáng)工科專業(yè)本科生對(duì)抽象問(wèn)題的認(rèn)知和理解，則需要回到工程實(shí)踐問(wèn)題中。

例如，在“動(dòng)量矩定理”章節(jié)的教學(xué)中，首先將動(dòng)量矩與動(dòng)量作對(duì)比討論，引出動(dòng)量矩這一基本概念的物理意義，進(jìn)而分析質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量矩定理。同時(shí)結(jié)合工程中運(yùn)送礦石、重物等的卷?yè)P(yáng)機(jī)的應(yīng)用，分析卷?yè)P(yáng)機(jī)所帶動(dòng)的物體或小車的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，結(jié)合通過(guò)慣性半徑計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的簡(jiǎn)單形式，介紹慣性半徑在工程實(shí)踐中的重要意義。在對(duì)動(dòng)量矩定理綜合問(wèn)題進(jìn)行講授時(shí)，可以通過(guò)汽車變速箱中軸和齒輪的旋轉(zhuǎn)為例進(jìn)行講授，主要分析不同擋位下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并結(jié)合動(dòng)量矩定理分析不同齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

針對(duì)工科專業(yè)的本科生，將基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題回歸到工程實(shí)際問(wèn)題中去，使課程教學(xué)有出發(fā)點(diǎn)，有利于引起學(xué)生興趣，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

3.2 加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)理論的掌握及應(yīng)用

加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究是提高中國(guó)原始創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的根本動(dòng)力。加強(qiáng)工科專業(yè)本科生對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)理論的掌握及應(yīng)用是適應(yīng)新工科發(fā)展的有效途徑。基于此，在“理論力學(xué)”課程中，首先，應(yīng)講解基礎(chǔ)的理論知識(shí)，循序漸進(jìn)，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)；其次，應(yīng)將多課程交叉融合，在課程講解過(guò)程中，不留課程死角，對(duì)涉及到“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”等數(shù)學(xué)課程的理論知識(shí)進(jìn)行再次強(qiáng)化吸收和理解，使得各課程的知識(shí)能夠融會(huì)貫通；再次，在課程考查環(huán)節(jié)，不僅僅要考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)的掌握情況，而也應(yīng)對(duì)經(jīng)典力學(xué)結(jié)論的推導(dǎo)和理解做系統(tǒng)性的考查；最后，要回顧經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展歷程，為學(xué)生們樹立正確的科學(xué)價(jià)值觀。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)代大學(xué)生在學(xué)習(xí)基本理論知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)實(shí)際科學(xué)問(wèn)題的理解和思考。大學(xué)生的課程建設(shè)同樣需要考慮如何鍛煉學(xué)生的實(shí)踐探索能力以及培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。工科本科生的“理論力學(xué)”課程，是在經(jīng)典力學(xué)體系下研究物體運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的學(xué)科，是工科本科生力學(xué)基礎(chǔ)課程。“理論力學(xué)”所涉及的具體知識(shí)使其具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課程屬性，所以從工程實(shí)踐出發(fā)的課程內(nèi)容導(dǎo)入就顯得尤為必要。也正是由于“理論力學(xué)”課程自身的工程實(shí)踐背景，使得通過(guò)本課程的建設(shè)來(lái)培養(yǎng)具有科學(xué)思維意識(shí)，具有更強(qiáng)工程實(shí)踐能力，適應(yīng)新工科發(fā)展的本科生更具現(xiàn)實(shí)意義。