湯可可 王華寧

(同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092)

教育研究

以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系探索1)

湯可可2)王華寧3)

(同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092)

在以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的高校理論力學(xué)教學(xué)體系中，應(yīng)以邏輯方法為基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中強調(diào)科學(xué)方法論的作用，提高學(xué)生綜合分析問題的能力.同時，輔以積極心理學(xué)的教育理論，結(jié)合教學(xué)實踐，在課堂教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生健全的人格，鼓勵學(xué)生的主觀創(chuàng)新精神，最終實現(xiàn)其創(chuàng)新能力的全面發(fā)展與提高.

創(chuàng)新能力培養(yǎng),邏輯,科學(xué)方法論,教育理論,積極心理學(xué)

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是本科教育的重要組成部分.理論力學(xué)作為工科院校的主要基礎(chǔ)課之一，覆蓋土木、機械、交通及力學(xué)等專業(yè)，是繼數(shù)學(xué)、物理等課程之后，所開設(shè)的第一門技術(shù)基礎(chǔ)課，起到承前啟后的橋梁作用.對缺少工程概念的大學(xué)生來說，要順利進入更高層次的專業(yè)課學(xué)習(xí)，理論力學(xué)在創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中的銜接作用尤為關(guān)鍵.同濟大學(xué)在面向全校的理論力學(xué)教學(xué)中，始終以學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為導(dǎo)向：一方面以邏輯方法為基礎(chǔ)，在課堂教學(xué)中灌輸科學(xué)方法論的思想；另一方面，積極吸收先進研究理論，綜合多種教學(xué)手段，在理論力學(xué)教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生健全的人格，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新精神，最終實現(xiàn)創(chuàng)新能力的全面發(fā)展與提高.

1 以邏輯為教學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)方法論策略

理論力學(xué)是一門發(fā)展較為完善的學(xué)科，整體內(nèi)容體系具備嚴密的邏輯性，分析求解問題的過程又體現(xiàn)科學(xué)方法的系統(tǒng)性和完整性，最適合進行創(chuàng)新思維方式的訓(xùn)練.在整個教學(xué)過程中，教師應(yīng)根據(jù)理論力學(xué)課程特點，向?qū)W生描繪并構(gòu)造一幅邏輯嚴密，科學(xué)方法成熟和完整的學(xué)科畫卷.“Big Picture”的建立，有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，把握問題的主要方面，從而使學(xué)生的能力得到真正的鍛煉與提高.

1.1 教學(xué)過程的邏輯性

力學(xué)具有縝密的邏輯性[1].富有邏輯的教學(xué)，將讓學(xué)生以探索者的姿態(tài)主動鉆研并獲取知識，從而得到創(chuàng)新訓(xùn)練.理論力學(xué)的三大部分——靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)，有其內(nèi)在的邏輯關(guān)系.在課程講授過程中，應(yīng)貫徹以動力學(xué)為核心，運動學(xué)為先導(dǎo)，靜力學(xué)為動力學(xué)特殊情形的思想.同時，遵循靜力學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)的漸進次序，階段性推進，環(huán)環(huán)相扣，最終在動力學(xué)部分達到理論力學(xué)知識體系的高潮.在教學(xué)中我們反復(fù)啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生從宏觀上把握知識點之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，培養(yǎng)全局性思考方式，加深理解力學(xué)概念.例如在運動學(xué)中講完合成運動以后，會引導(dǎo)學(xué)生思考如何用合成運動的知識，來解釋平面運動剛體內(nèi)部兩點速度和加速度的關(guān)系，促進學(xué)生全景畫卷的建立，在整體的框架下理解不同知識點之間的關(guān)聯(lián).

理論力學(xué)中公式推導(dǎo)很多，公式推導(dǎo)順序?qū)W(xué)生邏輯思維方式的培養(yǎng)亦十分重要.對于基礎(chǔ)較好，數(shù)學(xué)、力學(xué)要求較高的專業(yè)，宜采用從一般到特殊的推導(dǎo)方式，可以較快讓學(xué)生掌握一般情況下的結(jié)論.我們在長期的教學(xué)過程中，已經(jīng)形成較為成熟的理論公式推導(dǎo)體系[2]，在實際教學(xué)中也取得了良好的效果.例如點的加速度合成定理，在推導(dǎo)中不限定動系的具體運動形式，從而得到一般情況下的公式，可直接用于特殊情況分析.這樣一來，不僅授課時間減少，學(xué)生也更容易接受從一般到特殊的哲學(xué)思想.對力學(xué)要求不高的工科專業(yè)，則采用從特殊到一般的推導(dǎo)方式，用符合認知規(guī)律的邏輯教學(xué)，使其逐步接受較難的知識.

在例題講解中，應(yīng)鼓勵學(xué)生尋找問題的突破口，從已知條件中抓住問題的關(guān)鍵信息，并且結(jié)合題目所要求解的未知量“順藤摸瓜”，最終實現(xiàn)與關(guān)鍵突破信息的匯合.這樣邏輯嚴密的問題分析方法，同樣可以用于其他工科課程的學(xué)習(xí)，在理論力學(xué)教學(xué)中應(yīng)反復(fù)強調(diào)，并鼓勵學(xué)生將分析、解決問題的方法用于工程實踐，從而真正實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升.

1.2 力學(xué)與工程的結(jié)合

學(xué)生面對復(fù)雜工程問題時，分析和解決問題的策略及態(tài)度，是衡量創(chuàng)新能力的主要標準之一.理論力學(xué)針對工程問題，力學(xué)模型均有清晰的工程背景[3].但實際教學(xué)情況則是，剛剛步入大學(xué)的學(xué)生對于工程實際認知較為缺乏，因此在這一環(huán)節(jié)應(yīng)有意識地補充和加強.在教學(xué)伊始，應(yīng)該讓學(xué)生對眾多工程實例有初步的認識與了解，進而從工程實際出發(fā)提出問題和假定，進行力學(xué)模型的抽象.在講授每個知識點前，我們采用大量原版教材的實例，鼓勵學(xué)生大膽假定，簡化力學(xué)模型.通過對實際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的抽象，不僅培養(yǎng)了學(xué)生簡化解決問題的能力，還讓學(xué)生認識到力學(xué)知識的重要，增加了學(xué)習(xí)的積極性.

此外，在習(xí)題設(shè)置上，每個力學(xué)模型都給出實例，并對求解的結(jié)果進行討論，指出理論模型在工程實踐中的意義.在每堂習(xí)題課中設(shè)置了一個簡單的實際問題讓學(xué)生分析，學(xué)生分組準備，并在課堂上展示講解.采用的小問題諸如：汽車差速器的分析(速度合成定理)；動車中動力源分散的設(shè)計原理(有摩擦的動力學(xué)問題)；茹科夫斯基凳的能量分析等.這些討論深受學(xué)生歡迎，激發(fā)了他們探索的欲望，培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)實際問題和解決問題的能力.

通過力學(xué)與工程實踐的緊密結(jié)合，也為在教學(xué)中貫徹科學(xué)方法論的策略奠定堅實的基礎(chǔ).

1.3 科學(xué)方法論體系

理論力學(xué)中的科學(xué)方法論策略是我們重點關(guān)注的環(huán)節(jié).在整個理論力學(xué)體系中，抽象與理想模型、分解與合成、虛擬以及解析的方法[4]是解決問題的四塊基石.在教學(xué)中，通過向?qū)W生反復(fù)強調(diào)這些科學(xué)的方法，對培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜問題的能力具有舉足輕重的作用.

以抽象化與理想化為例，沒有抽象化與理想化就沒有理論力學(xué)這門學(xué)科的存在.但也應(yīng)向?qū)W生強調(diào)，這樣的模型簡化可以滿足一定條件下工程實踐的需要，如剛體與質(zhì)點的假設(shè)、理想約束二力桿、桁架等.分解與合成的方法則更為突出，靜力學(xué)中，平面任意力系可看作平面匯交力系與平面力偶系的合成；整個運動學(xué)都是圍繞著分解與合成運動來進行.動力學(xué)則可看成靜力學(xué)與運動學(xué)問題的合成.解析法貫穿于理論力學(xué)問題求解的始終，是矢量力學(xué)的主要工具，在理論公式推導(dǎo)及代數(shù)運算方面起到主導(dǎo)的作用；虛擬法則是分析力學(xué)最重要的手段，典型例子如達朗貝爾原理及虛位移原理等知識點，更廣義的科學(xué)虛擬法也貫穿于理論力學(xué)這門課程始終，如靜力學(xué)中的加減平衡力學(xué)的方法，動力學(xué)質(zhì)心運動定理的質(zhì)量集中于一點的假設(shè)等.在講解的過程中，應(yīng)讓學(xué)生更清楚認識到，這樣的科學(xué)策略有助于我們分析復(fù)雜問題的本質(zhì)，實現(xiàn)去繁就簡，化難為易的目標.在今后的課程學(xué)習(xí)以及工程實際中，這些科學(xué)的方法論仍會發(fā)揮重要的作用.

總體來說，以邏輯為教學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)方法論策略的實施，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的大局觀，建立全景式畫卷.在這幅畫卷中，應(yīng)是以邏輯理論和科學(xué)方法論為主要枝干，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，逐漸添加知識點，從而豐富整個知識體系.掌握這種知識體系，會使學(xué)生在今后的課程學(xué)習(xí)乃至人生道路上持續(xù)獲益.

2 健全人格的培養(yǎng)及創(chuàng)新精神的激勵

創(chuàng)新能力的提高不僅是邏輯理論及科學(xué)方法論的掌握.在筆者看來，還應(yīng)包括學(xué)生健全人格的塑造，以及面對困難問題積極樂觀的態(tài)度.積極的態(tài)度帶來創(chuàng)新精神層面的激勵，最終達到真正意義上創(chuàng)新能力的提高.

2.1 啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是一種極為重要的教學(xué)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)教師和學(xué)生的互動，在教和學(xué)的互動中去實踐，促進學(xué)生參與課堂教學(xué)，從而創(chuàng)造一個動態(tài)的教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)良好的教學(xué)效果.筆者在近兩年的教學(xué)實踐中，在啟發(fā)式教學(xué)方法的整體框架下，引入積極心理學(xué)的研究成果，將其用在理論力學(xué)的教學(xué)中，起到了良好的效果.

積極心理學(xué)是心理學(xué)的一個分支領(lǐng)域，利用比較完善的心理學(xué)實驗方法和測量手段，研究人類的力量和美德等積極方面的一個心理學(xué)思潮.它從一種積極的新視角來詮釋心理學(xué)，尤為注重人性積極面的研究，主張使人的潛力得到充分發(fā)揮[5].因此，積極心理學(xué)充分體現(xiàn)了以人為本的思想.其研究成果可用來輔助培養(yǎng)學(xué)生積極的人格，主動的學(xué)習(xí)態(tài)度、促進創(chuàng)新思維和能力的提升，從而構(gòu)建和諧、積極向上的師生關(guān)系，達到教學(xué)之間良好互動的實踐效果.

具體到理論力學(xué)的學(xué)習(xí)，由于理論力學(xué)課程的自身特點，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生常會對難以理解的問題產(chǎn)生抵觸情緒.這時教師應(yīng)適時介入，運用積極心理學(xué)知識，鼓勵學(xué)生帶著積極的情緒，發(fā)掘自身的優(yōu)點和潛能，并發(fā)揮主觀能動性，處于一種對新知識的渴望狀態(tài)，作為主體投入到理論力學(xué)的學(xué)習(xí)中去.作為教師，應(yīng)始終以學(xué)生為中心，讓學(xué)生充分參與到課堂教學(xué)過程中來，對知識點有著切身的領(lǐng)悟，從而實現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng).如在講授動力學(xué)普遍定理的綜合運用時，應(yīng)要求學(xué)生首先判斷系統(tǒng)的自由度，進而確定系統(tǒng)獨立運動參量的個數(shù).然后鼓勵學(xué)生將系統(tǒng)的未知數(shù)與獨立方程數(shù)遙相呼應(yīng).通過啟發(fā)式的引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生在課堂上主動投入思考，對學(xué)生的每一步驟的回答都能給予積極的肯定.學(xué)生在這種輕松的情緒中實現(xiàn)對復(fù)雜問題的求解和知識點的融會貫通.這種全局把握、逐步輕松突破的策略同樣可使后續(xù)課程的學(xué)習(xí)受益.

2.2 實踐教學(xué)

積極心理學(xué)并不僅僅解決學(xué)生在心理方面存在的問題，更主要的是要發(fā)掘、把握學(xué)生外表顯露的和潛在的多重積極品質(zhì)，并在教育實踐中擴展和培育這些積極品質(zhì).實踐活動是理論力學(xué)課程的重要組成部分，也是使積極心理學(xué)發(fā)揮作用的最佳手段.在創(chuàng)新精神的激勵層面，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.我們將理論力學(xué)的學(xué)習(xí)與工程實際相結(jié)合，在理論力學(xué)中加入課程設(shè)計環(huán)節(jié).鼓勵學(xué)生利用現(xiàn)有的理論力學(xué)知識，發(fā)揮主觀能動性，尋找并解決身邊的實際力學(xué)問題.學(xué)生們按個性特點和個人喜好組隊，隊員之間要在互助互動的過程中完成實踐項目.學(xué)生在合作與競爭的氛圍中提高了學(xué)習(xí)主動性，加深對理論知識的理解.如在講授“靜力學(xué)的應(yīng)用——桁架”一節(jié)時，鼓勵學(xué)生自由組隊設(shè)計制作桁架，進一步加深學(xué)生對桁架受力及穩(wěn)定性方面的理解.教師可鼓勵思維活躍的同學(xué)發(fā)揮其所長，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面積極探索；對小組中性格內(nèi)向的學(xué)生，鼓勵其擔(dān)任發(fā)言人的角色，對其隊伍的實踐作品進行全方位介紹.這樣在整個實踐過程中，每一位同學(xué)都能夠直接感受到自己個性特點的優(yōu)勢與不足，在思維開拓、分析表達、情緒調(diào)控等方面都得到充分的鍛煉，這種注重個體、積極發(fā)展人的潛力的策略，大大提升了學(xué)生對理論力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣.

同濟大學(xué)一年一度的應(yīng)用力學(xué)競賽，也在引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識解決實際生活中的力學(xué)問題.取得名次的同學(xué)則可獲得同濟大學(xué)創(chuàng)新學(xué)分的認定.在競賽準備階段，老師會充分聽取同學(xué)們的想法，給學(xué)生留下充分的發(fā)言討論空間，然后采用多種方式將同學(xué)們的思路引導(dǎo)到問題的本質(zhì)上來.學(xué)生通過應(yīng)用的形式，在這一創(chuàng)新學(xué)分認定的過程中得到能力的提升.

我們在實際教學(xué)中，不僅要求學(xué)生掌握分析解決問題的技巧，還鼓勵學(xué)生利用現(xiàn)有的高等數(shù)學(xué)知識，主動使用Matlab,Mathematica以及Maple等數(shù)學(xué)計算軟件，實現(xiàn)對理論力學(xué)一般問題，如線性代數(shù)和矩陣的求解，以及微分方程的數(shù)值解.這方面在教學(xué)中已有不少的實踐[6-8].通過這樣的實踐鍛煉，極大地調(diào)動了同學(xué)們學(xué)習(xí)理論力學(xué)的積極性，將高等數(shù)學(xué)、計算機乃至英語等多學(xué)科有機地結(jié)合到一起.學(xué)生在這樣的過程中，充分體會到綜合利用所學(xué)知識解決問題的愉悅感，從而實現(xiàn)創(chuàng)新精神層面上質(zhì)的跨越.

3 結(jié)語

以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系，應(yīng)是以邏輯為教學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)方法論策略的綜合應(yīng)用.同時，精神和心理層面的發(fā)展也應(yīng)是創(chuàng)新能力為導(dǎo)向教學(xué)的重要組成部分.在實際理論力學(xué)教學(xué)中，只有促使兩者的巧妙結(jié)合，學(xué)生才能夠以正確的科學(xué)方法論策略，和積極主動的態(tài)度去解決復(fù)雜的工程問題，實現(xiàn)創(chuàng)新能力的全面發(fā)展與提高，從而真正達到工科理論力學(xué)的教學(xué)目的.

1 張速,劉安中.幾種邏輯方法在理論力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用.力學(xué)與實踐,2015,37(4)：543-546

2 同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)研究部(編者).理論力學(xué)(第2版).上海：同濟大學(xué)出版社,2012

3 李俊峰. 理論力學(xué)課程體系改革探索與實踐.中國大學(xué)教學(xué), 2008,(4)：10-134蘇禾.對學(xué)生進行科學(xué)方法教學(xué)的幾點體會——在理論力學(xué)教學(xué)中.力學(xué)與實踐,2012,34(3)：78-80

5 Christopher P.A Primer in Positive Psychology.Oxford：Oxford University Press,2006

6邵小軍,劉永壽,岳珠峰.談工科理論力學(xué)教學(xué)中數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用.力學(xué)與實踐,2007,29(5)：68-69

7張永存,于申,馬紅艷.計算機數(shù)值模擬在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.實驗室科學(xué),2013,16(3)：74-77

8邢靜忠.代數(shù)系統(tǒng)Maple在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探討.力學(xué)與實踐,2010,32(4)：96-101

(責(zé)任編輯：胡 漫)

O31,G420

A

10.6052/1000-0879-16-419

2016-12-22收到第1稿，2016-12-26收到修改稿.

1)同濟大學(xué)2015-2016年教學(xué)改革研究與建設(shè)資助項目.

2)湯可可，博士，助理教授，從事理論力學(xué)的教學(xué)工作，主要研究方向為多尺度疲勞與斷裂力學(xué).E-mail：kktang@#edu.cn

3)王華寧，博士，教授，從事理論力學(xué)的教學(xué)工作，主要研究方向為巖土工程解析與數(shù)值方法.E-mail：wanghn@#edu.cn

湯可可,王華寧.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系探索.力學(xué)與實踐,2017,39(1)：68-70,67

Tang Keke，Wang Huaning.Study on teaching system of theoretical mechanics oriented by the development of innovation and creativity.Mechanics in Engineering,2017,39(1)：68-70,67