李寶輝,楊艷,李會軍

(西北農林科技大學,陜西 楊凌 712100)

一、 引言

新時代背景下,沒有一個學科是孤島,也沒有一個產業(yè)能夠封閉自全。現(xiàn)代農業(yè)就是建立在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學技術基礎之上,充分融入現(xiàn)代市場理念和經營管理知識的農業(yè)形態(tài)[1］。與傳統(tǒng)農業(yè)產業(yè)的單一性特征不同,現(xiàn)代農業(yè)是一種一二三產業(yè)融合發(fā)展的新型農業(yè)產業(yè)模式。深度融合意味著學科交叉,要從新視角審視農業(yè)相關問題,要用新方法解決農業(yè)工程問題,這種“新”需從多學科交叉中萌生,要在博采眾長中獲得,這便對農業(yè)院校高度專業(yè)化、技術化的教學方式和人才培養(yǎng)模式提出了新的挑戰(zhàn)[2］。新農科建設就是基于這種背景提出的,其核心就是通過改革現(xiàn)有涉農專業(yè),為國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

創(chuàng)新型人才是高等教育這棵大樹上結出的果實,要想果實豐碩,大樹就須根深、枝壯、葉茂[3］。根深指的就是基本功扎實,基礎知識牢固,習近平總書記在清華大學110年校慶講話中指出,高等教育體系是一個有機整體,其內部具有內在的相互依存關系,要用好學科交叉融合的“催化劑”,加強基礎學科培養(yǎng)能力,打破學科專業(yè)壁壘,對現(xiàn)有學科專業(yè)體系進行調整升級,瞄準科技前沿和關鍵領域,推進新工科、新農科、新醫(yī)科、新文科建設[4］。

二、 力學是強基固本的必備學科

(一) 力學具有基礎與應用雙重屬性

習總書記強調的基礎包括數學、物理、力學等,其中力學的地位最為特殊,它具有基礎和應用雙重屬性,既是工程基礎,又是工科基礎,所使用的工具是應用數學,這也是歷史上一段時期稱力學專業(yè)為數學力學的原因。最初,力學屬于物理的一個分支,研究理想狀態(tài)下物質的運動規(guī)律,20世紀初,工業(yè)界面臨著許多亟待解決的實際問題,最著名的就是如何計算物體在真實流體中運動時的受力,德國的普朗特通過實驗觀察,提出了著名的邊界層理論,這一理論的提出給當時注重理論但難以應用的理論流體力學和便于應用但過分依賴經驗的水力學注入了新的活力,直接促成了現(xiàn)代流體力學的誕生,而這也是現(xiàn)代航空工業(yè)誕生和飛速發(fā)展的理論基礎[5］。以此為標志,力學開始告別物理,擁抱工程,在不計其數的工程應用中煥發(fā)出勃勃生機,既展現(xiàn)出該學科的應用力量,又不斷揭示出新的深刻規(guī)律。

力學是工科基礎的論斷是不言自明的,然而農業(yè)院校中力學教學的現(xiàn)狀卻是邊緣化的,原因是與傳統(tǒng)涉農專業(yè)相比,從原理理論到研究方法兩者都相去甚遠。然而,力學的生命力就在于應用,與農業(yè)相關的工程領域無疑是力學施展拳腳的好地方,如水土保持中涉及的泥沙運動規(guī)律,土壤耕作中刀具與土層的力學問題[6］,農業(yè)機械裝備中的力學問題,農作物生長過程中水分和糖分的輸送規(guī)律,不同生長階段各部分對液體的需要,對內因和外因參數進行優(yōu)化調節(jié),以達到消耗最少而收獲最多的目的;土壤、空氣和陽光這一大系統(tǒng)中質量與能量間的轉換與傳輸機制等力學問題[5］。

(二) 現(xiàn)代農業(yè)需要堅實的力學根基

隨著農業(yè)生產方式的轉變,一二三產業(yè)融合的加深,將會面對許多新的基礎科學問題和工程技術問題,這為力學的應用提供了廣闊的天地。力學作為最早定量化的學科已在多個行業(yè)中發(fā)揮了至關重要作用,作為現(xiàn)代生物科學、工程技術科學和管理科學融合的典范[6］,現(xiàn)代農業(yè)要走集約化、精準化、節(jié)能化、環(huán)境友好化道路,必然需要與力學融合。

新農科建設是要在傳統(tǒng)農科專業(yè)交叉融合的基礎上,滲透進新工科、新醫(yī)科、新文科等學科。因此,多學科交叉融合就是新農科建設的靈魂所在[7］,在這樣的背景下,農業(yè)高校應該培養(yǎng)出具有多學科背景和創(chuàng)新能力的復合型人才,以推動產業(yè)升級和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施,力學可以發(fā)揮積極的作用。

然而,農業(yè)院校不可能照搬工科院校的模式開設多門專業(yè)力學課程,因為培養(yǎng)目標與應用環(huán)境完全不同。要在學生的頭腦里生發(fā)出力學的原理、思維、方法和能力,需要通過具體的力學課程。教師承擔著引導學生思維、傳授知識、發(fā)展能力的關鍵紐帶作用,所以創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式到深處就是課程改革,到痛處就是教師能力提升[2］。通常,農業(yè)院校給本科生開設的力學課程較少,一般包括“理論力學”“材料力學”“結構力學”和“彈性力學”,其中,“理論力學”的任務在于闡述最基本的力學原理和最普遍的力學規(guī)律,這些基本原理就是人才培養(yǎng)、激發(fā)創(chuàng)新的源泉,對基本原理的掌握程度決定著學生能否從紛繁復雜的現(xiàn)象中抓住問題本質,對“理論力學”思維方法的貫徹有利于學生量化能力的培養(yǎng),從而有助于推動傳統(tǒng)農業(yè)向精準化、集約化的現(xiàn)代農業(yè)方向發(fā)展,而這些能力正是新農科建設中人才培養(yǎng)的終極目標。所以,這些大類基礎課關系著學生的綜合素質,教師應當更加自覺地更新教學理念、創(chuàng)新教學方法[8］。作者多年來一直承擔著“理論力學”教學工作,所以本文只針對“理論力學”課程如何更好地服務于新農科人才培養(yǎng),包括教學中遇到的問題及對解決途徑的思考,課堂教學取舍與側重的探討,講授內容的精簡與擴充,實踐課堂的開設以及力學類系列課程的呼應與遞進。

三、 “理論力學”的教學現(xiàn)狀

“理論力學”屬于力學學科中的一般力學分支,這一分支是最具有基礎性質的學科,同時又具有很強的、直接的自然科學和工程技術應用背景,可以說近代力學和科學技術的奠基性發(fā)展是從一般力學開始的[5］?！袄碚摿W”課程的核心任務是闡述和建立研究力學對象的數學模型所需的原理和方法,包括矢量力學方法和分析力學方法[9］,因此,“理論力學”便成了基礎中的基礎。本該聚焦培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的基礎課,實際上卻給學生留下了枯燥、難懂的印象,造成學生學習動力不足、基礎功底虛化及學科視野局限[10］的結果。從多年的授課實踐來看,農業(yè)院校中學生的力學知識相對較薄弱,導致這種現(xiàn)象的原因復雜多樣,很難歸因于某一種因素,這里姑且從作者個人的教學經驗來談談。

第一,“理論力學”課程與其他涉農專業(yè)課程思維方法差異較大,由此造成的疏離感會讓原本就對專業(yè)認知不足的學生誤判該課程屬于非核心課程,無法意識到這類基礎骨干課的根基作用,也就不愿意花心思學。從短期功利角度看,產生這種認識有一定的原因,現(xiàn)實情況就是農業(yè)類專業(yè)與力學的結合度不高。然而,從長遠看,在未來面對新的復雜問題時,學生腦海里能夠溯源到的具有指導性的原理、方法明顯不足,學生的知識結構中缺少了堅實的基礎,也就難以支撐起新技術的突破。

第二,“理論力學”課程中有部分內容學生在物理課中已有了解,導致其思想上懈怠,覺得重復學習沒勁,在相關知識上僅停留在泛泛而談的水平,難以深入潛修,最終的結果是學生只會處理簡單的單體力學問題,對涉及體系的力學問題則毫無頭緒。

第三,“理論力學”課程的學時壓縮變成了講授內容的砍刪,而且遵循 “砍高不砍低”的原則[9］,導致動力學部分內容講授不足,經典力學的核心內容缺失導致學生的力學訓練殘缺不全,力學視野狹窄且模糊,力學水平始終在低層次徘徊。

第四,教學模式仍以教師為主,注重原理闡述,應用場景缺乏與專業(yè)的銜接,學生參與度低,學生只能跟著老師的思路走,久而久之就抑制了學生批判思維的養(yǎng)成,這種單向的知識傳授使學生對知識的掌握多停留在理解層次,很難上升到運用層次。另外,課堂講授仍然停留在中學或大學物理的層次,以演繹推導為主,忽略了原理的發(fā)展歷程,無法幫助學生認識學科的完整圖景,這種千人一面的講授方式對學生缺乏吸引力。

第五,評定學生對課程知識掌握情況的方式主要是考試,導致學生的知識應用場景是封閉的、碎片的,當實際綜合問題呈現(xiàn)時,很難提出有效的解決方案,這就阻礙了學生綜合創(chuàng)新能力的養(yǎng)成。在各種因素綜合作用下,學生的成績不盡理想,這或許就是學生經常籠統(tǒng)反映該課程較難的原因。

四、 涉農高?！袄碚摿W”課程的改革方向

(一) 加強教材建設,編寫具有農業(yè)特色的教材

當下農業(yè)院校的“理論力學”教材與工科院校無異,最為經典、采用最廣的當數哈工大版[11］,如今已再版八次。這些教材中的例題與習題均取材于常見的機械構件,通過分析這些機構的運動來演繹基本的力學原理,對于工科院校的學生來說,這種做法無可厚非,但對于農業(yè)院校學生而言,這樣就顯得疏離了,在一眾農業(yè)氣息濃郁的課程中,“理論力學”顯得些許突兀,學生對這門課在整個專業(yè)中的作用會感到困惑。這種困惑會隨著專業(yè)學習的深入而加劇,因為專業(yè)課中涉及的“理論力學”知識僅僅是零星的只語片言,有些甚至完全不涉及。所以,農業(yè)院校“理論力學”教材應該有一定比例具有農業(yè)特色或來自農業(yè)生產的課題,這樣有助于“理論力學”以更大的親和力呈現(xiàn)在學生面前。進一步,通過這些課題的分析和解答,一方面闡明力學普遍規(guī)律,更重要的是讓學生意識到專業(yè)問題的解答還存在一種“理論力學”模式,這樣在后續(xù)的學習或工作中,學生會自覺不自覺地回到“理論力學”尋求新認識與新感發(fā),這類基礎課的骨干作用也會得到學生的認可,也有助于提高學生對專業(yè)的認知程度。

(二) 講授需有取舍,從高層次起步進而形成理論力學思維

現(xiàn)有教材為了自身體系的完整,按照由簡單到復雜、由特殊到一般的認知規(guī)律將靜力學、運動學和動力學三個篇章順序編排,其中確實有跟物理課重疊的部分,但這完全可以通過講授方式和側重的轉變加以避免。物理中強調的是質點或單個剛體運動所遵循的普遍規(guī)律,而“理論力學”則注重闡明受約束的質點系或剛體系的機械運動規(guī)律,重點在如何運用這些規(guī)律解決實際工程技術問題?！袄碚摿W”中涉及的每一個運動機構都是從工程中經過合理抽象中而來的,沒有憑空的模型。因此,在講授過程中應從宏觀整體觀點看待問題,注重工程技術思維的培養(yǎng),這樣學生才能在處理問題的能力上提高一個層次,不至于每遇到系統(tǒng)問題就想著拆開單獨處理。比如,靜力學部分的重點放在力系的簡化與物體系的平衡上;運動學部分精講合成運動理論;動力學部分先建立起普遍定理對問題的類別化處理方式,再通過綜合問題反映出該方法的繁瑣性,進而過渡到動力學問題的一般處理方法——達朗貝爾原理和動力學普遍方程。這樣打破常規(guī)不面面俱到的講授會在靜力學部分節(jié)省出一些學時,可為后面動力學重點內容留出更寬裕的時間。另外,靜力學與運動學兩部分內容并沒有邏輯上的先后,完全可以先講運動學后講靜力學,這樣便可以消除學生的似曾相識感,思想上的懈怠自然也就不存在了。這種講授次序的調整是基于靜力學部分精簡扼要的前提下,否則將冗長的靜力學內容安排在運動學和動力學之間勢必會影響運動學知識運用的時效性,效果反而不好。

(三) 充實加強動力學內容,突出力學建模能力培養(yǎng)

“理論力學”的靈魂在動力學部分,學生的力學原理運用能力也大都取決于動力學理論的掌握程度,然而在學時壓縮的背景下刪減最多的卻是動力學部分的內容,這與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標是相違背的。能力的培養(yǎng)需經過循序漸進的過程,工科院校中在“理論力學”課程之后大都會安排“數學物理方法”再繼之以“振動理論”等課程,目的就在于逐步培養(yǎng)學生應用力學原理解決工程問題的能力,但這兩門課在農業(yè)院校的本科課程中鮮有安排,那么所缺失的這部分訓練就應該在“理論力學”課程講授中有所體現(xiàn)。手段有二,一是擴充動力學部分的內容,二是改變現(xiàn)有教材的側重點?，F(xiàn)有講授中動力學部分的內容仍舊是經典牛頓力學的內容,不涉及分析力學的內容,這對學生掌握現(xiàn)代力學方法是不利的,因此需將虛位移原理、動力學普遍方程、拉格朗日方程及哈密頓原理這些內容都納入進來,所缺的學時從哪里來?就是上面講到的靜力學精簡省出一部分,運動學里邊點的運動和剛體基本運動中再省出一些。再有就是要改變講授側重點,現(xiàn)有教材偏重于培養(yǎng)學生計算運動系統(tǒng)某一瞬時的力學參數,這在工科院校無可厚非,因為還有后續(xù)課程接力培養(yǎng)學生的其他能力,可是在缺乏后續(xù)課程的農業(yè)院校就不妥,于是教師在講授時不僅要注意培養(yǎng)學生這部分的計算能力,還應該更注意培養(yǎng)學生應用力學原理建立系統(tǒng)運動微分方程的能力——力學建模,因為實際遇到的問題要定量描述第一步就是建模問題。例如,在講授達朗貝爾原理時以載流管道的振動模型為例,從振動過程中管內流體絕對加速度的表示到系統(tǒng)慣性力的簡化,最后運用原理建立其振動微分方程,這一實例雖然超出了剛體的范疇但還在學生的接受范圍之內,舉該例的重點不是讓學生明白管道的振動方程是什么,而是讓學生感受實際問題處理中的首要工作是什么。實際上,力學模型建立后還有求解問題,這部分能力可交由高年級的專門課程培養(yǎng)。再比如,動能定理標志著從“力”描述向“能量”描述的轉變,是牛頓力學向拉格朗日力學過渡的一個前期準備,學生此時仍處在無意識的“力”慣性狀態(tài),這時可以引入動能概念的演化歷史,從活力mv2到現(xiàn)在動能的概念,從達朗貝爾到莎特萊再到恩格斯的工作介紹,不僅有助于學生弄明白矢量力學與分析力學在處理問題時的側重點,而且會給學生留下力學的進步不在于憑空數學技巧的運用,而是依賴于力學觀念的改變的印象。幸運的話,科學家的故事還會激發(fā)學生求知的內在動力。

(四) 活躍課堂氣氛,在交流中生發(fā)知識

傳統(tǒng)的教學模式以教師為中心,學生的課堂參與度不高,知識的獲得依靠單向灌輸,這樣的知識很難活用,更難以轉換為能力;傳統(tǒng)以考試為主的考核方式比較單一,對于能力培養(yǎng)也不夠,應該多樣化,更不必拘泥于形式,考核的目的不是給學生一個成績而是幫助學生查缺補漏,去偽存真,最終將準確的概念、原理及方法印刻在腦海里。課堂互動就是一種很好的教學模式和考核方式,在彼此的交流中教師要引導學生表達出他對所學內容的認識,在這過程中還要用恰當的問題或例子引導學生對自己的表述進行修正,直到最終獲得對內容的正確認識,并在腦海中生發(fā)出相應的知識。例如,在運動合成部分,盡可能多地讓學生描述動系的選取與三種運動形式,教師引導學生相互補充完善,直到形成準確描述;再如,剛體平面運動中轉動角速度的絕對性與相對性探討;又如,在動量矩定理中拋出問題,相對于質心以外的任意動點動量矩定理是什么樣兒?討論過程中不僅會讓學生對非慣性系中的轉動問題有初步了解,真正體會到質心在動力學中的重要性,而且避免了教材只介紹相對于質心的動量矩定理的突兀?；又屑词箤W生回答有誤,教師也要予以鼓勵,這樣可以為學生的成長營造一個寬松的環(huán)境,也有助于學生養(yǎng)成樂于表達的習慣,而這對于知識的獲取至關重要。比如,一次在運用速度投影定理處理問題時,學生突然提問,對于一個運動機構為何要多次應用投影定理,一次投影不是更簡潔嗎?這反映出學生對該定理適用條件掌握有所欠缺,教師在講授中強調過的內容,學生卻沒有入心,這應該就是講授方式問題,所以在學生有此疑問時,需要先肯定學生思路想法,然后再讓學生自己比較單個剛體與運動機構的不同,最后自己得出適用條件,這樣才能理解深刻。優(yōu)秀的教師還會凝練好的問題,引導學生作更深層次思考,逐步養(yǎng)成獨立思考的習慣。要做到這一點,對教師有兩方面要求,一是對所教內容了然于胸,二是要有強烈的表達欲望[12］,打心底兒想把自己的理解認識分享給學生。

(五) 開辟實踐課堂,讓知識從碎片到貫通

農業(yè)生產過程中遇到的力學問題都是新問題,也是綜合性復雜問題,需要抽象成恰當的力學模型。這個過程既需要力學專業(yè)人士敏銳的洞察力、超凡的主要矛盾感知能力,更需要農業(yè)人士的經驗輔助。所以力學問題從提出到修正到解決到再認識,要有多個專業(yè)背景的人員協(xié)同完成,這在課堂上是沒法做到的,必須到生產一線去。因此,“理論力學”還需要開辟第二課堂——實踐課。目前,農科人才培養(yǎng)中實踐教學依然是薄弱環(huán)節(jié)[1,13］,脫離實踐的人才培養(yǎng)模式無法滿足新農科建設的要求。

實踐的目的就是讓力學知識變成處理實際問題的能力,讓不同學科間的知識碎片變得融會貫通,這就好比打拳,學生學會了套路但不會在實戰(zhàn)中運用,實踐課的作用在于提供一個應用場景,可以用套路也可以隨機應變,總之最后要摸索形成自己的一套打斗風格。比如,學生在實踐中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉噴頭噴灑出的區(qū)域是圓形,容易形成重疊區(qū)和空白區(qū),如何設計一種能夠噴灑矩形區(qū)域的噴頭,在這個問題的牽引下,學生自行搜集相關知識,就包括運動學和動力學部分內容,這樣以前通過講解希望達到掌握知識的目標變成了現(xiàn)在解決問題時的附屬產品,并且學生體會更加深刻。

實踐的另一目的是搜集整理農業(yè)相關的力學問題,按照問題屬性分類編排,最終由既懂力學又懂農業(yè)的人士編寫出一部具有鮮明農業(yè)特征且適合新農科人才培養(yǎng)的“理論力學”教材,這樣的教材可以增加涉農專業(yè)學生對課程的親和力從而消除以往的另類感。歸根結底就是將學科交叉融合的成果體現(xiàn)在教材上、課堂中及整個人才培養(yǎng)過程當中。

五、 既要自我改造,又要體系協(xié)同

力學類課程在整體學時壓縮的背景下需要進行系列課程體系內容的優(yōu)化改革,使每門課程的內容銜接更緊密,內容層次梯度更明顯,避免以往內容重疊、呼應缺失的情形?！袄碚摿W”課程內容的掌握不單單是在課堂上,學生需要反復地回顧、溫習、實踐才能融會貫通,在后續(xù)課程的內容設計上理應讓“理論力學”中的原理有一個施展的機會,這樣在系列課程內容編排上的呼應、顧盼與重溫有利于學生將“理論力學”知識轉變?yōu)榉治鰡栴}的能力從而長期掌握。然而,目前的情形卻是后續(xù)“材料力學”與“結構力學”的講授大都僅限于靜力學范疇,這便造成了學生動力學部分的理論無用武之地,一兩個學期過后相應的知識都忘得一干二凈,更談不上能力的提升了。

當然,課程體系的優(yōu)化也不應該僅局限在力學類課程,如果能以專業(yè)培養(yǎng)目標為指導,全局性地設計各專業(yè)課內容將是最好的情形。因為從知識到能力的轉變是極其困難的,不是學了幾門課程就會自動掌握,但有能力的前提的確是必須先掌握知識,然后在面對具體問題時通過大腦的創(chuàng)造性工作重新組合已有知識,形成一個解決方案。這個創(chuàng)造性工作是超越具體知識內容的,它更多是感性的、直覺的、頓悟的,這種妙不可言的能力從哪兒來?筆者認為從多種情懷素養(yǎng)中來,歷史的、哲學的、音樂的、藝術的都雜糅在一起經過發(fā)酵最后展現(xiàn)出一個對問題的感悟能力或者叫洞察力,這也是習近平總書記在講話中強調新文科建設[4］和通識教育的意義所在。因此,專業(yè)培養(yǎng)方案中那些以前看似與專業(yè)無關的人文社科類課程也應該有所體現(xiàn),這并非主張給學生加課程增加學業(yè)負擔,而是“擠水煉金”的過程,關鍵在于提升品味,能夠區(qū)分什么是“水”、什么是“金”,學生的負擔不但沒有增加,反而會有涵泳或深思。

“理論力學”課程的改革實踐從2020年開始持續(xù)到現(xiàn)在,取得了一定的效果。從學生的課堂表現(xiàn)來看,抬頭率明顯提高,說明所采取的講授方式是學生樂于接受的,所選取的理論載體是學生喜聞樂見的,消除了以前由于知識重疊和闡述方式千篇一律給學生帶來的疲憊感;從平時作業(yè)來看,學生的學習積極性在逐步提高,特別是與實踐聯(lián)系緊密的開放性題目最能激發(fā)大家的求解興趣;從期末成績來看,與未改革時的2019年對比(見表1)發(fā)現(xiàn),卷面不及格率在逐步降低,處于中等和良好等次的學生比例在逐步增加。

表1 西北農林科技大學“理論力學”課程近三年期末成績

結語

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是高等教育的永恒使命,其方式方法無固定模式可循,只能匯總經驗摸索前行,幸運的是雖無一定之規(guī),卻有厚基礎寬口徑的共識。基礎課程是創(chuàng)新人才之根本,創(chuàng)新能力為其末枝,只有本末正置,將基礎理論內化為己有,沃其根方能繁其枝,才能培養(yǎng)出具有跨學科能力的創(chuàng)新人才。

本文從教材建設、課堂模式及課程間的協(xié)同等方面嘗試摸索出一條路徑,以使“理論力學”這類基礎課程在農業(yè)院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中更充分地發(fā)揮其固本培元作用,以圖為新農科建設輸送更多具有厚基礎和跨學科能力的優(yōu)秀人才。