全面深化新工科建設中“理論力學”課程內容體系探索

方棋洪　馮慧　劉又文　劉彬

［摘 要］ 全面深化新工科建設是為適應時代發展，響應國家戰略和新興產業發展需求，培養具有全球視野、創新精神和實踐能力的復合型人才?！袄碚摿W”是高校理工類專業必修的專業基礎課程，是從基礎理論學習邁向專業學習的關鍵一步?；谛鹿た平ㄔO對人才培養的目標，通過對“理論力學”課程體系和教學內容的思考、探索和實踐，提出了幾點有特色的建議，注重培養學生邏輯推理能力、強化問題分析能力、加強發散思維訓練，激勵學生科技報國，激發學生自主學習，為后續“理論力學”課程內容體系改革提供參考和思路。

［關鍵詞］ 新工科；理論力學；創新思維；自主學習；研究性教學

［基金項目］ 2021年度湖南省普通高校教學改革研究重點項目“面向國家戰略需求的力學—多學科交叉拔尖人才培養模式探索與實踐”（HNJG-2021-0026）；2021年度湖南大學本科規劃教材建設項目“‘理論力學（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，湖南大學機械與運載工程學院教授，主要從事先進材料和結構力學與人工智能輔助的新型合金強韌化設計研究；馮 慧（1988—），女，山西晉中人，博士，湖南大學機械與運載工程學院副教授，主要從事斷裂力學與細微觀力學研究；劉又文（1948—），男，湖南益陽人，碩士，湖南大學機械與運載工程學院教授，主要從事復合材料細微觀力學研究。

［中圖分類號］ O31［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0009-04 ［收稿日期］ 2023-01-16

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展等一系列國家戰略服務［1］。新工科建設培養實踐能力強、學習能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質杰出優秀人才。目前，新工科在“抓理論、建專業、改課程、變結構、促融合”等促進高素質人才培養方面取得了重要進展，已進入全面深化新工科建設階段。課程是人才培養的核心要素，針對基礎課程，重構和完善課程教學體系，加強課程系統化，做好課程教學設計，創新課程建設模式，將最新研究成果引入教學，是提升課程質量和建設“金課”的重要途徑［2］。

“理論力學”是高校理工類專業學生必修的專業基礎課程，是一門演繹性較強的課程，具有邏輯推理的嚴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習其他課程，有助于培養學生分析和解決問題的能力及提升綜合素質［3-4］。同時，“理論力學”理論性較強，教學內容相對經典，課堂講授相對單調，學生自主學習的熱情較低［5-7］。因此，需將工程中廣泛存在的理論力學問題引入課程教學，引導學生聯系實際，提高學習積極性［8］。近年來，我們在“理論力學”課程教學中進行了探索與實踐。

一、遵循一般導出特殊，嚴謹基礎理論體系

該理論力學體系在物理學的力學基礎上提高起點，理論推導從一般情形出發，給學生展示一個嚴謹的力學理論體系，注重培養學生邏輯推理能力。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別，導出平衡方程，并由此獲得各類特殊力系的平衡方程。又如點的合成運動，先導出動系作空間任意運動的合成定理，再由此得出動系作平移、定軸轉動和平面運動的相應公式。再如動量矩定理，先導出相對動矩心的定理形式，再由此得出幾種適用的特殊形式，包括相對于質心的動量矩定理等。在此基礎上，逐步建立了充分體現研究性教學理念，注重邏輯推理能力的養成，強化實際問題分析基礎、貫穿創新思維訓練，并實現與后續力學課程相關內容自然銜接與融會貫通的嚴謹的基礎理論體系。

二、擴展運動機構研究，加強動力沖擊分析

傳統理論力學的動力學內容研究對象局限于剛體和力的外效應，而后續“材料力學”“彈性力學”等課程又側重于靜力分析，運動機構和變形體的動力強度分析較為薄弱。力學專業的學生，甚至工科專業的學生在其學習生涯中認識動力強度分析的唯一機會是“理論力學”課程。新體系針對工程實踐中存在的力學問題，加強了變形體動力問題的研究，如簡單機構和結構的沖擊內力計算和運動構件的動力效應分析等。同時，概述了物體對心碰撞的基本力學規律。針對理論力學的動力學部分提供的理論工具僅限于動量守恒和動量—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量，由此分析了鍛壓、打樁等工程問題。

三、貫穿發散思維訓練，注重創新能力培養

教學內容貫穿創新思維訓練，通過合理設問，引導探索思維。本文論述引導探索思維，問題解析激發直覺與靈感，例題變換訓練發散思維與聯想。針對某些重要概念，及時出示靈活多樣的思考題，引發學生積極思考，訓練直覺，刺激靈感；典型例題以力學模型的建立、求解與分析為主線，注重題型歸納與方法總結；例題解答后思考問題，引導多方法求解、多層次分析、多形式變換，構造點、線、面、體思維網絡，訓練學生的發散思維，引導研究探索，培養其創新能力。每章后的習題與討論題提供了不同層次的訓練素材，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生課外訓練，其中部分例題、習題與討論題是筆者的教學研究成果。由教師或學生針對已學章節內容提出相關疑難問題，事先發給學生，學生以小組為單位隨機選題，集體討論，分析問題。之后安排2個學時的討論課，由學生推選代表進行課堂報告，學生當場提問，教師及時解答。積極鼓勵學生說出與別人不同的想法鍛煉其創造性思維，包括與教師不同的想法，從提高學生的綜合素質的角度出發，讓學生多自主探究，交流合作。通過學生之間對問題的相互質疑、相互辯論、相互激勵，一方面促進學生主動學習，另一方面充分地激發學生的探索意識。

四、引入現代科研成果，激勵學生科技報國

經典理論力學的內容體系大多按照靜力學、運動學和動力學的順序，而且課程內容、例題和習題也很相似，討論對象是簡單剛體、滑輪、曲柄連桿機構等，與工程需求的聯系不密切，不是現代科技和工程中的重要問題。在緊密結合課程內容的基礎上，引入最新的相關研究成果，開闊學生視野，使學生體會到基礎課程的重要性，并激發學生科技強國的情懷。例如，在講授力系簡化原理后，引導學生重新分析連續介質微元體平衡，不但明白了傳統理論的局限，還引出了現代彈性力學的偶應力及非局部理論新概念。再如，講授質點系動能定理后，基于質點系動力學特性，引導學生接觸目前應用最廣泛的納米尺度力學計算方法——分子動力學模擬。1957年阿爾德和溫賴特采用硬球模型的分子動力學方法獲得了氣體和液體的狀態方程，從此開創了利用分子動力學方法研究物質宏觀性質的先例。分子動力學模擬的基本思想是：建立符合經典牛頓力學規律的原子體系，并用于研究結構演變，通過求解牛頓運動方程組獲得所有原子的運動軌跡，然后根據統計物理學原理計算出該體系相應的宏觀物理特性。迄今為止，分子動力學方法已成為應用最廣泛的納米力學計算方法，是連結微觀空間尺度和時間尺度與宏觀性質的橋梁。在課程教學中，向學生講授分子動力學方法的基本原理和建模技術，拓寬視野，將學生引領到現代科學的前沿窗口。最后，著力營造活躍、互動的課堂學習氛圍，鼓勵學生向教師和教材提出挑戰，有疑問可以隨時提出，讓學生互相探討，再由教師進行總結，找出正確答案。同時，引導學生主動探究前沿科學知識的形成和發展過程，形成在教師激勵和指導下的學生主動學習，培養學生的自主學習能力和創新研究精神。

五、貫通后續課程內容，加強共享知識遷移

理論力學的基本模型和基礎理論是后續一切力學課程的基礎，其課程體系以質點系為基本模型導出普遍理論，以剛體系為主要應用對象，同時涉及有關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，又如質點系的虛位移原理用于剛體時，內力虛功為零；用于變形體時，計入內力虛功，并導出變形體的幾個能量定理。新體系與后續課程相關內容自然銜接，融會貫通，形成有機整體。如力系簡化原理與桿件內力分析、剛體平衡條件與變形微元體平衡、質點系虛位移原理與變形體能量方法、剛體動約束力與變形體動內力等，都在新體系內容中適當滲透并建立了統一的理論原理，與后繼的“材料力學”“結構力學”和“流體力學”等課程相關內容自然銜接，建立了其理論上的內在聯系。

六、引進創新遞進實踐，增強學生綜合素質

在引進浙江大學理論力學創新應用實驗平臺的基礎上，通過擴充建設與推廣應用，逐步形成具有湖南大學（以下簡稱“我?！保┨厣睦碚摿W實驗室。將理論力學創新應用實驗納入課程教學體系，安排6學時的實驗教學，其中2學時為課外。在教學中，按照“認知—基礎—綜合—創新”的遞進關系，分階段設置實驗（實踐）項目，推進學生核心能力的萌芽與發展，形成獨具特色的實驗實踐途徑。明確研究型創新人才的核心能力結構，以“雙平臺”為基礎，將核心能力的培養分階段、有重點地安排在“理論力學”教學的全過程。要求學生在創新應用實驗的基礎上，開闊思想，創新實踐，完成實驗報告，并撰寫相應的創新論文，實驗成果的評比與答辯均由學生自主完成，并以10%的占比計入課程總成績。學生在新成果總結與提煉、論文撰寫技巧等方面獲得訓練，為以后發展提供基礎技能。同時，將最新的實驗研究成果引入課程內容，開闊學生研究視野，開拓創新思維。為培養敢于質疑、善于鉆研、勤于思考、興趣廣泛，具有社會責任感，并具備初步研究能力和科學精神的創新人才奠定堅實的基礎。

結語

該“理論力學”課程內容新體系的建立與實施歷時十余年，分為兩個階段兩種模式進行。第一階段第一種模式始于2007年，在學校多項教改課題支撐下，全面貫通“理論力學”“材料力學”和“結構力學”三門課程內容，打破原有課程界限，分為運動學、靜力學、動力學三篇，并已在我校工程力學專業試點。第一種模式由于受到現有人事體制等客觀條件限制難以推廣應用，未能形成標志性成果，但為第二種模式積累了豐富的經驗。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踐成果，其特點是：仍按傳統名稱設課，多門力學基礎課程內容實質性貫通。該模式在我校工程力學專業連續試點至今。新體系實施第一階段效果較好，每次在全國周培源大學生力學競賽理論賽中，均有數名學生獲全國二等獎及以上的獎項。2015年湖南大學獲得了第十屆全國周培源大學生力學競賽“理論設計與操作”團體賽唯一特等獎，并于2017年承辦了第十一屆全國周培源大學生力學競賽“理論設計與操作”團體賽。根據“引入現代科研成果，激勵學生科技報國”的目標培養創新人才，有多名本科生在教師指導下，通過課外綜合性訓練，激發了探究欲望和創新靈感，撰寫了創新論文，并將研究成果發表于高水平專業期刊；同時，有數位學生申請了國家發明專利并授權。新體系實施的第二階段形成了高質量特色鮮明的《理論力學》系列教材，準備在高等教育出版社出版。

在新形勢下，通過創新教學模式和豐富教學內容提升課程教學效果、提高人才培養質量是各個高校需要積極開展的重要工作。相較于其他力學課程，“理論力學”的紐帶過渡作用更加顯著，是從基礎理論邁向專業學習的關鍵一環，對培養學生自主學習能力、思維創新能力尤為重要。當前，在“理論力學”的課程體系和教學內容改革中，我們主要注重培養學生邏輯推理能力、強化問題分析能力、提升發散思維訓練、激發學生自主學習，激勵學生科技報國。在后續的教學科研中，如何實現課程的高階性、創新性、挑戰度，如何面向實際需求、提升學術品位、拓寬學術視野等，均是需要重點關注和逐步解決的問題。同時，教材是傳播知識的主要載體和人才培養的主要劇本，其內容體現著一個國家、一個民族的價值觀體系，在全面深化新工科建設時期，編著適應時代發展的理論力學教材亦刻不容緩。

參考文獻

［1］胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設，推進工程教育改革創新：“綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述［J］.復旦教育論壇，2017，15（2）：20-27+2.

［2］吳巖.中國式現代化與高等教育改革創新發展［J］.中國高教研究，2022（11）：21-29.

［3］葉紅玲，楊慶生，劉趙淼，等.理論力學課程教學高階性建設的探索與實踐［J］.力學與實踐，2020，42（4）：489-494.

［4］李俊峰.清華大學錢學森班的理論力學教學實踐［J］.力學與實踐，2018，40（4）：422-427.

［5］李寶輝，王正中，李會軍.新工科背景下“理論力學”教學改革探索［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2020（11）：15-16.

［6］石麗建，湯方平，楊帆.新工科背景下關于“理論力學”教學的幾點思考［J］.教育教學論壇，2020（23）：314-315.

［7］劉匯慧，李同偉，王翚，等.新形勢下改進理論力學課程教學的幾點思考［J］.科教導刊-電子版（下旬），2021（3）：152-153.

［8］劉又文，龍躍君.研究性課程教學：理論力學精品課程建設的探索與實踐［J］.中國大學教學，2008（11）：14-16.

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