方棋洪　馮慧　劉又文　劉彬

［摘 要］ 全面深化新工科建設(shè)是為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，響應(yīng)國家戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)具有全球視野、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才?！袄碚摿W(xué)”是高校理工類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)邁向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵一步。基于新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的目標(biāo)，通過對“理論力學(xué)”課程體系和教學(xué)內(nèi)容的思考、探索和實(shí)踐，提出了幾點(diǎn)有特色的建議，注重培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力、強(qiáng)化問題分析能力、加強(qiáng)發(fā)散思維訓(xùn)練，激勵(lì)學(xué)生科技報(bào)國，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為后續(xù)“理論力學(xué)”課程內(nèi)容體系改革提供參考和思路。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；理論力學(xué)；創(chuàng)新思維；自主學(xué)習(xí)；研究性教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度湖南省普通高校教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“面向國家戰(zhàn)略需求的力學(xué)—多學(xué)科交叉拔尖人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐”（HNJG-2021-0026）；2021年度湖南大學(xué)本科規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目“‘理論力學(xué)（劉又文主編）第二版修訂”（HNUJC-2021-24）

［作者簡介］ 方棋洪（1977—），男，浙江淳安人，博士，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授，主要從事先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)與人工智能輔助的新型合金強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)研究；馮 慧（1988—），女，山西晉中人，博士，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院副教授，主要從事斷裂力學(xué)與細(xì)微觀力學(xué)研究；劉又文（1948—），男，湖南益陽人，碩士，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授，主要從事復(fù)合材料細(xì)微觀力學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ O31［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）07-0009-04 ［收稿日期］ 2023-01-16

2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，為主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展等一系列國家戰(zhàn)略服務(wù)［1］。新工科建設(shè)培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)杰出優(yōu)秀人才。目前，新工科在“抓理論、建專業(yè)、改課程、變結(jié)構(gòu)、促融合”等促進(jìn)高素質(zhì)人才培養(yǎng)方面取得了重要進(jìn)展，已進(jìn)入全面深化新工科建設(shè)階段。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，針對基礎(chǔ)課程，重構(gòu)和完善課程教學(xué)體系，加強(qiáng)課程系統(tǒng)化，做好課程教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新課程建設(shè)模式，將最新研究成果引入教學(xué)，是提升課程質(zhì)量和建設(shè)“金課”的重要途徑［2］。

“理論力學(xué)”是高校理工類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門演繹性較強(qiáng)的課程，具有邏輯推理的嚴(yán)密性和對工程問題的抽象性，其基本概念和研究方法有助于學(xué)習(xí)其他課程，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力及提升綜合素質(zhì)［3-4］。同時(shí)，“理論力學(xué)”理論性較強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容相對經(jīng)典，課堂講授相對單調(diào)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情較低［5-7］。因此，需將工程中廣泛存在的理論力學(xué)問題引入課程教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)習(xí)積極性［8］。近年來，我們在“理論力學(xué)”課程教學(xué)中進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

一、遵循一般導(dǎo)出特殊，嚴(yán)謹(jǐn)基礎(chǔ)理論體系

該理論力學(xué)體系在物理學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)上提高起點(diǎn)，理論推導(dǎo)從一般情形出發(fā)，給學(xué)生展示一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)理論體系，注重培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力。例如，力系的簡化與約束力、典型約束模型的約束力均可以由一般力系根據(jù)力的平移定理簡化得到。力系的平衡，從空間一般力系入手，闡明力系平衡與物體平衡的區(qū)別，導(dǎo)出平衡方程，并由此獲得各類特殊力系的平衡方程。又如點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)，先導(dǎo)出動(dòng)系作空間任意運(yùn)動(dòng)的合成定理，再由此得出動(dòng)系作平移、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)公式。再如動(dòng)量矩定理，先導(dǎo)出相對動(dòng)矩心的定理形式，再由此得出幾種適用的特殊形式，包括相對于質(zhì)心的動(dòng)量矩定理等。在此基礎(chǔ)上，逐步建立了充分體現(xiàn)研究性教學(xué)理念，注重邏輯推理能力的養(yǎng)成，強(qiáng)化實(shí)際問題分析基礎(chǔ)、貫穿創(chuàng)新思維訓(xùn)練，并實(shí)現(xiàn)與后續(xù)力學(xué)課程相關(guān)內(nèi)容自然銜接與融會(huì)貫通的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)理論體系。

二、擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究，加強(qiáng)動(dòng)力沖擊分析

傳統(tǒng)理論力學(xué)的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容研究對象局限于剛體和力的外效應(yīng)，而后續(xù)“材料力學(xué)”“彈性力學(xué)”等課程又側(cè)重于靜力分析，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和變形體的動(dòng)力強(qiáng)度分析較為薄弱。力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，甚至工科專業(yè)的學(xué)生在其學(xué)習(xí)生涯中認(rèn)識(shí)動(dòng)力強(qiáng)度分析的唯一機(jī)會(huì)是“理論力學(xué)”課程。新體系針對工程實(shí)踐中存在的力學(xué)問題，加強(qiáng)了變形體動(dòng)力問題的研究，如簡單機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的沖擊內(nèi)力計(jì)算和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)力效應(yīng)分析等。同時(shí)，概述了物體對心碰撞的基本力學(xué)規(guī)律。針對理論力學(xué)的動(dòng)力學(xué)部分提供的理論工具僅限于動(dòng)量守恒和動(dòng)量—沖量定理，增加了撞擊力、撞擊脈沖和能量損失等重要的力學(xué)量，由此分析了鍛壓、打樁等工程問題。

三、貫穿發(fā)散思維訓(xùn)練，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)

教學(xué)內(nèi)容貫穿創(chuàng)新思維訓(xùn)練，通過合理設(shè)問，引導(dǎo)探索思維。本文論述引導(dǎo)探索思維，問題解析激發(fā)直覺與靈感，例題變換訓(xùn)練發(fā)散思維與聯(lián)想。針對某些重要概念，及時(shí)出示靈活多樣的思考題，引發(fā)學(xué)生積極思考，訓(xùn)練直覺，刺激靈感；典型例題以力學(xué)模型的建立、求解與分析為主線，注重題型歸納與方法總結(jié)；例題解答后思考問題，引導(dǎo)多方法求解、多層次分析、多形式變換，構(gòu)造點(diǎn)、線、面、體思維網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維，引導(dǎo)研究探索，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。每章后的習(xí)題與討論題提供了不同層次的訓(xùn)練素材，特別是每章的討論題，有的難度較大，可供課堂討論和有余力的學(xué)生課外訓(xùn)練，其中部分例題、習(xí)題與討論題是筆者的教學(xué)研究成果。由教師或?qū)W生針對已學(xué)章節(jié)內(nèi)容提出相關(guān)疑難問題，事先發(fā)給學(xué)生，學(xué)生以小組為單位隨機(jī)選題，集體討論，分析問題。之后安排2個(gè)學(xué)時(shí)的討論課，由學(xué)生推選代表進(jìn)行課堂報(bào)告，學(xué)生當(dāng)場提問，教師及時(shí)解答。積極鼓勵(lì)學(xué)生說出與別人不同的想法鍛煉其創(chuàng)造性思維，包括與教師不同的想法，從提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的角度出發(fā)，讓學(xué)生多自主探究，交流合作。通過學(xué)生之間對問題的相互質(zhì)疑、相互辯論、相互激勵(lì)，一方面促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，另一方面充分地激發(fā)學(xué)生的探索意識(shí)。

四、引入現(xiàn)代科研成果，激勵(lì)學(xué)生科技報(bào)國

經(jīng)典理論力學(xué)的內(nèi)容體系大多按照靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的順序，而且課程內(nèi)容、例題和習(xí)題也很相似，討論對象是簡單剛體、滑輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等，與工程需求的聯(lián)系不密切，不是現(xiàn)代科技和工程中的重要問題。在緊密結(jié)合課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引入最新的相關(guān)研究成果，開闊學(xué)生視野，使學(xué)生體會(huì)到基礎(chǔ)課程的重要性，并激發(fā)學(xué)生科技強(qiáng)國的情懷。例如，在講授力系簡化原理后，引導(dǎo)學(xué)生重新分析連續(xù)介質(zhì)微元體平衡，不但明白了傳統(tǒng)理論的局限，還引出了現(xiàn)代彈性力學(xué)的偶應(yīng)力及非局部理論新概念。再如，講授質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能定理后，基于質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)特性，引導(dǎo)學(xué)生接觸目前應(yīng)用最廣泛的納米尺度力學(xué)計(jì)算方法——分子動(dòng)力學(xué)模擬。1957年阿爾德和溫賴特采用硬球模型的分子動(dòng)力學(xué)方法獲得了氣體和液體的狀態(tài)方程，從此開創(chuàng)了利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究物質(zhì)宏觀性質(zhì)的先例。分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本思想是：建立符合經(jīng)典牛頓力學(xué)規(guī)律的原子體系，并用于研究結(jié)構(gòu)演變，通過求解牛頓運(yùn)動(dòng)方程組獲得所有原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理計(jì)算出該體系相應(yīng)的宏觀物理特性。迄今為止，分子動(dòng)力學(xué)方法已成為應(yīng)用最廣泛的納米力學(xué)計(jì)算方法，是連結(jié)微觀空間尺度和時(shí)間尺度與宏觀性質(zhì)的橋梁。在課程教學(xué)中，向?qū)W生講授分子動(dòng)力學(xué)方法的基本原理和建模技術(shù)，拓寬視野，將學(xué)生引領(lǐng)到現(xiàn)代科學(xué)的前沿窗口。最后，著力營造活躍、互動(dòng)的課堂學(xué)習(xí)氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生向教師和教材提出挑戰(zhàn)，有疑問可以隨時(shí)提出，讓學(xué)生互相探討，再由教師進(jìn)行總結(jié)，找出正確答案。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究前沿科學(xué)知識(shí)的形成和發(fā)展過程，形成在教師激勵(lì)和指導(dǎo)下的學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新研究精神。

五、貫通后續(xù)課程內(nèi)容，加強(qiáng)共享知識(shí)遷移

理論力學(xué)的基本模型和基礎(chǔ)理論是后續(xù)一切力學(xué)課程的基礎(chǔ)，其課程體系以質(zhì)點(diǎn)系為基本模型導(dǎo)出普遍理論，以剛體系為主要應(yīng)用對象，同時(shí)涉及有關(guān)變形固體與流體問題，如力系的簡化與平衡原理貫穿于剛體、變形固體和流體的靜力分析中，又如質(zhì)點(diǎn)系的虛位移原理用于剛體時(shí)，內(nèi)力虛功為零；用于變形體時(shí)，計(jì)入內(nèi)力虛功，并導(dǎo)出變形體的幾個(gè)能量定理。新體系與后續(xù)課程相關(guān)內(nèi)容自然銜接，融會(huì)貫通，形成有機(jī)整體。如力系簡化原理與桿件內(nèi)力分析、剛體平衡條件與變形微元體平衡、質(zhì)點(diǎn)系虛位移原理與變形體能量方法、剛體動(dòng)約束力與變形體動(dòng)內(nèi)力等，都在新體系內(nèi)容中適當(dāng)滲透并建立了統(tǒng)一的理論原理，與后繼的“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和“流體力學(xué)”等課程相關(guān)內(nèi)容自然銜接，建立了其理論上的內(nèi)在聯(lián)系。

六、引進(jìn)創(chuàng)新遞進(jìn)實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)

在引進(jìn)浙江大學(xué)理論力學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)充建設(shè)與推廣應(yīng)用，逐步形成具有湖南大學(xué)（以下簡稱“我?！保┨厣睦碚摿W(xué)實(shí)驗(yàn)室。將理論力學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)納入課程教學(xué)體系，安排6學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中2學(xué)時(shí)為課外。在教學(xué)中，按照“認(rèn)知—基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”的遞進(jìn)關(guān)系，分階段設(shè)置實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）項(xiàng)目，推進(jìn)學(xué)生核心能力的萌芽與發(fā)展，形成獨(dú)具特色的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐途徑。明確研究型創(chuàng)新人才的核心能力結(jié)構(gòu)，以“雙平臺(tái)”為基礎(chǔ)，將核心能力的培養(yǎng)分階段、有重點(diǎn)地安排在“理論力學(xué)”教學(xué)的全過程。要求學(xué)生在創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開闊思想，創(chuàng)新實(shí)踐，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并撰寫相應(yīng)的創(chuàng)新論文，實(shí)驗(yàn)成果的評比與答辯均由學(xué)生自主完成，并以10%的占比計(jì)入課程總成績。學(xué)生在新成果總結(jié)與提煉、論文撰寫技巧等方面獲得訓(xùn)練，為以后發(fā)展提供基礎(chǔ)技能。同時(shí)，將最新的實(shí)驗(yàn)研究成果引入課程內(nèi)容，開闊學(xué)生研究視野，開拓創(chuàng)新思維。為培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、善于鉆研、勤于思考、興趣廣泛，具有社會(huì)責(zé)任感，并具備初步研究能力和科學(xué)精神的創(chuàng)新人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)語

該“理論力學(xué)”課程內(nèi)容新體系的建立與實(shí)施歷時(shí)十余年，分為兩個(gè)階段兩種模式進(jìn)行。第一階段第一種模式始于2007年，在學(xué)校多項(xiàng)教改課題支撐下，全面貫通“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”三門課程內(nèi)容，打破原有課程界限，分為運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)三篇，并已在我校工程力學(xué)專業(yè)試點(diǎn)。第一種模式由于受到現(xiàn)有人事體制等客觀條件限制難以推廣應(yīng)用，未能形成標(biāo)志性成果，但為第二種模式積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。第二階段第二種模式始于2011年秋季，充分采用了第一階段的改革與實(shí)踐成果，其特點(diǎn)是：仍按傳統(tǒng)名稱設(shè)課，多門力學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容實(shí)質(zhì)性貫通。該模式在我校工程力學(xué)專業(yè)連續(xù)試點(diǎn)至今。新體系實(shí)施第一階段效果較好，每次在全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽理論賽中，均有數(shù)名學(xué)生獲全國二等獎(jiǎng)及以上的獎(jiǎng)項(xiàng)。2015年湖南大學(xué)獲得了第十屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽“理論設(shè)計(jì)與操作”團(tuán)體賽唯一特等獎(jiǎng)，并于2017年承辦了第十一屆全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽“理論設(shè)計(jì)與操作”團(tuán)體賽。根據(jù)“引入現(xiàn)代科研成果，激勵(lì)學(xué)生科技報(bào)國”的目標(biāo)培養(yǎng)創(chuàng)新人才，有多名本科生在教師指導(dǎo)下，通過課外綜合性訓(xùn)練，激發(fā)了探究欲望和創(chuàng)新靈感，撰寫了創(chuàng)新論文，并將研究成果發(fā)表于高水平專業(yè)期刊；同時(shí)，有數(shù)位學(xué)生申請了國家發(fā)明專利并授權(quán)。新體系實(shí)施的第二階段形成了高質(zhì)量特色鮮明的《理論力學(xué)》系列教材，準(zhǔn)備在高等教育出版社出版。

在新形勢下，通過創(chuàng)新教學(xué)模式和豐富教學(xué)內(nèi)容提升課程教學(xué)效果、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是各個(gè)高校需要積極開展的重要工作。相較于其他力學(xué)課程，“理論力學(xué)”的紐帶過渡作用更加顯著，是從基礎(chǔ)理論邁向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵一環(huán)，對培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、思維創(chuàng)新能力尤為重要。當(dāng)前，在“理論力學(xué)”的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革中，我們主要注重培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力、強(qiáng)化問題分析能力、提升發(fā)散思維訓(xùn)練、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激勵(lì)學(xué)生科技報(bào)國。在后續(xù)的教學(xué)科研中，如何實(shí)現(xiàn)課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，如何面向?qū)嶋H需求、提升學(xué)術(shù)品位、拓寬學(xué)術(shù)視野等，均是需要重點(diǎn)關(guān)注和逐步解決的問題。同時(shí)，教材是傳播知識(shí)的主要載體和人才培養(yǎng)的主要?jiǎng)”?，其?nèi)容體現(xiàn)著一個(gè)國家、一個(gè)民族的價(jià)值觀體系，在全面深化新工科建設(shè)時(shí)期，編著適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的理論力學(xué)教材亦刻不容緩。

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Exploration of the Content System of Theoretical Mechanics in Comprehensive Establishment of New Engineering and Technical Disciplines

FANG Qi-hong1， FENG Hui1， LIU You-wen1， LIU Bin2

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： Comprehensive construction of new engineering and technical disciplines is to adapt to the development of the times， respond to the national strategy and the development needs of emerging industries， and cultivate compound talents with global vision， innovative spirit and practical ability. Theoretical mechanics is a compulsory basic course for science and engineering majors in colleges and universities， which is a key step from basic theoretical learning to professional learning. Based on the goal of talent training in the construction of new engineering， through thinking and exploring the curriculum system and teaching content of theoretical mechanics， this paper puts forward five distinctive suggestions. These suggestions focus on cultivating students logical reasoning ability， strengthening their problem analysis ability， improving divergent thinking training， encouraging students to serve the country through science and technology， and inspiring students to study independently. It provides reference and thought for the subsequent reform of the content system of theoretical mechanics.

Key words： new engineering; theoretical mechanics; innovative thinking; autonomous learning; research based teaching