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 王華寧

(同濟(jì)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(jì)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(qiáng)調(diào)科學(xué)方法論的作用，提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題的能力.同時(shí)，輔以積極心理學(xué)的教育理論，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在課堂教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生健全的人格，鼓勵(lì)學(xué)生的主觀創(chuàng)新精神，最終實(shí)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(jī)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(duì)缺少工程概念的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，要順利進(jìn)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(guò)程中的銜接作用尤為關(guān)鍵.同濟(jì)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(jìn)研究理論，綜合多種教學(xué)手段，在理論力學(xué)教學(xué)過(guò)程中，注重培養(yǎng)學(xué)生健全的人格，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，最終實(shí)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(yán)密的邏輯性，分析求解問(wèn)題的過(guò)程又體現(xiàn)科學(xué)方法的系統(tǒng)性和完整性，最適合進(jìn)行創(chuàng)新思維方式的訓(xùn)練.在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)根據(jù)理論力學(xué)課程特點(diǎn)，向?qū)W生描繪并構(gòu)造一幅邏輯嚴(yán)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(guò)程中，把握問(wèn)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(guò)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(dòng)鉆研并獲取知識(shí)，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(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，有其內(nèi)在的邏輯關(guān)系.在課程講授過(guò)程中，應(yīng)貫徹以動(dòng)力學(xué)為核心，運(yùn)動(dòng)學(xué)為先導(dǎo)，靜力學(xué)為動(dòng)力學(xué)特殊情形的思想.同時(shí)，遵循靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的漸進(jìn)次序，階段性推進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，最終在動(dòng)力學(xué)部分達(dá)到理論力學(xué)知識(shí)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(shí)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)中講完合成運(yùn)動(dòng)以后，會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考如何用合成運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，來(lái)解釋平面運(yùn)動(dòng)剛體內(nèi)部?jī)牲c(diǎn)速度和加速度的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生全景畫卷的建立，在整體的框架下理解不同知識(shí)點(diǎn)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(duì)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?cè)陂L(zhǎng)期的教學(xué)過(guò)程中，已經(jīng)形成較為成熟的理論公式推導(dǎo)體系[2]，在實(shí)際教學(xué)中也取得了良好的效果.例如點(diǎn)的加速度合成定理，在推導(dǎo)中不限定動(dòng)系的具體運(yùn)動(dòng)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(lái)，不僅授課時(shí)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(duì)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(rèn)知規(guī)律的邏輯教學(xué)，使其逐步接受較難的知識(shí).

在例題講解中，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生尋找問(wèn)題的突破口，從已知條件中抓住問(wèn)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(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵突破信息的匯合.這樣邏輯嚴(yán)密的問(wèn)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(qiáng)調(diào)，并鼓勵(lì)學(xué)生將分析、解決問(wèn)題的方法用于工程實(shí)踐，從而真正實(shí)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(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題時(shí)，分析和解決問(wèn)題的策略及態(tài)度，是衡量創(chuàng)新能力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一.理論力學(xué)針對(duì)工程問(wèn)題，力學(xué)模型均有清晰的工程背景[3].但實(shí)際教學(xué)情況則是，剛剛步入大學(xué)的學(xué)生對(duì)于工程實(shí)際認(rèn)知較為缺乏，因此在這一環(huán)節(jié)應(yīng)有意識(shí)地補(bǔ)充和加強(qiáng).在教學(xué)伊始，應(yīng)該讓學(xué)生對(duì)眾多工程實(shí)例有初步的認(rèn)識(shí)與了解，進(jìn)而從工程實(shí)際出發(fā)提出問(wèn)題和假定，進(jìn)行力學(xué)模型的抽象.在講授每個(gè)知識(shí)點(diǎn)前，我們采用大量原版教材的實(shí)例，鼓勵(lì)學(xué)生大膽假定，簡(jiǎn)化力學(xué)模型.通過(guò)對(duì)實(shí)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(jiǎn)化解決問(wèn)題的能力，還讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到力學(xué)知識(shí)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(gè)力學(xué)模型都給出實(shí)例，并對(duì)求解的結(jié)果進(jìn)行討論，指出理論模型在工程實(shí)踐中的意義.在每堂習(xí)題課中設(shè)置了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題讓學(xué)生分析，學(xué)生分組準(zhǔn)備，并在課堂上展示講解.采用的小問(wèn)題諸如：汽車差速器的分析(速度合成定理)；動(dòng)車中動(dòng)力源分散的設(shè)計(jì)原理(有摩擦的動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(shí)際問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

通過(guò)力學(xué)與工程實(shí)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(jiān)實(shí)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(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié).在整個(gè)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(wèn)題的四塊基石.在教學(xué)中，通過(guò)向?qū)W生反復(fù)強(qiáng)調(diào)這些科學(xué)的方法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜問(wèn)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(qiáng)調(diào)，這樣的模型簡(jiǎn)化可以滿足一定條件下工程實(shí)踐的需要，如剛體與質(zhì)點(diǎn)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(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)都是圍繞著分解與合成運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行.動(dòng)力學(xué)則可看成靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的合成.解析法貫穿于理論力學(xué)問(wèn)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(yùn)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(dá)朗貝爾原理及虛位移原理等知識(shí)點(diǎn)，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(dòng)力學(xué)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理的質(zhì)量集中于一點(diǎn)的假設(shè)等.在講解的過(guò)程中，應(yīng)讓學(xué)生更清楚認(rèn)識(shí)到，這樣的科學(xué)策略有助于我們分析復(fù)雜問(wèn)題的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)去繁就簡(jiǎn)，化難為易的目標(biāo).在今后的課程學(xué)習(xí)以及工程實(shí)際中，這些科學(xué)的方法論仍會(huì)發(fā)揮重要的作用.

總體來(lái)說(shuō)，以邏輯為教學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)方法論策略的實(shí)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(guò)程中，逐漸添加知識(shí)點(diǎn)，從而豐富整個(gè)知識(shí)體系.掌握這種知識(shí)體系，會(huì)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(lì)

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(lái)，還應(yīng)包括學(xué)生健全人格的塑造，以及面對(duì)困難問(wèn)題積極樂觀的態(tài)度.積極的態(tài)度帶來(lái)創(chuàng)新精神層面的激勵(lì)，最終達(dá)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(dòng)，在教和學(xué)的互動(dòng)中去實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生參與課堂教學(xué)，從而創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)態(tài)的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果.筆者在近兩年的教學(xué)實(shí)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(gè)分支領(lǐng)域，利用比較完善的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量手段，研究人類的力量和美德等積極方面的一個(gè)心理學(xué)思潮.它從一種積極的新視角來(lái)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(lái)輔助培養(yǎng)學(xué)生積極的人格，主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度、促進(jìn)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(dá)到教學(xué)之間良好互動(dòng)的實(shí)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(diǎn)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生常會(huì)對(duì)難以理解的問(wèn)題產(chǎn)生抵觸情緒.這時(shí)教師應(yīng)適時(shí)介入，運(yùn)用積極心理學(xué)知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生帶著積極的情緒，發(fā)掘自身的優(yōu)點(diǎn)和潛能，并發(fā)揮主觀能動(dòng)性，處于一種對(duì)新知識(shí)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(guò)程中來(lái)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有著切身的領(lǐng)悟，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng).如在講授動(dòng)力學(xué)普遍定理的綜合運(yùn)用時(shí)，應(yīng)要求學(xué)生首先判斷系統(tǒng)的自由度，進(jìn)而確定系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參量的個(gè)數(shù).然后鼓勵(lì)學(xué)生將系統(tǒng)的未知數(shù)與獨(dú)立方程數(shù)遙相呼應(yīng).通過(guò)啟發(fā)式的引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上主動(dòng)投入思考，對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的求解和知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)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(shí)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(wèn)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(shí)踐中擴(kuò)展和培育這些積極品質(zhì).實(shí)踐活動(dòng)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(lì)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(shí)際相結(jié)合，在理論力學(xué)中加入課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié).鼓勵(lì)學(xué)生利用現(xiàn)有的理論力學(xué)知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋找并解決身邊的實(shí)際力學(xué)問(wèn)題.學(xué)生們按個(gè)性特點(diǎn)和個(gè)人喜好組隊(duì)，隊(duì)員之間要在互助互動(dòng)的過(guò)程中完成實(shí)踐項(xiàng)目.學(xué)生在合作與競(jìng)爭(zhēng)的氛圍中提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性，加深對(duì)理論知識(shí)的理解.如在講授“靜力學(xué)的應(yīng)用——桁架”一節(jié)時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自由組隊(duì)設(shè)計(jì)制作桁架，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)桁架受力及穩(wěn)定性方面的理解.教師可鼓勵(lì)思維活躍的同學(xué)發(fā)揮其所長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面積極探索；對(duì)小組中性格內(nèi)向的學(xué)生，鼓勵(lì)其擔(dān)任發(fā)言人的角色，對(duì)其隊(duì)伍的實(shí)踐作品進(jìn)行全方位介紹.這樣在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，每一位同學(xué)都能夠直接感受到自己個(gè)性特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)與不足，在思維開拓、分析表達(dá)、情緒調(diào)控等方面都得到充分的鍛煉，這種注重個(gè)體、積極發(fā)展人的潛力的策略，大大提升了學(xué)生對(duì)理論力學(xué)學(xué)習(xí)的興趣.

同濟(jì)大學(xué)一年一度的應(yīng)用力學(xué)競(jìng)賽，也在引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際生活中的力學(xué)問(wèn)題.取得名次的同學(xué)則可獲得同濟(jì)大學(xué)創(chuàng)新學(xué)分的認(rèn)定.在競(jìng)賽準(zhǔn)備階段，老師會(huì)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(wèn)題的本質(zhì)上來(lái).學(xué)生通過(guò)應(yīng)用的形式，在這一創(chuàng)新學(xué)分認(rèn)定的過(guò)程中得到能力的提升.

我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中，不僅要求學(xué)生掌握分析解決問(wèn)題的技巧，還鼓勵(lì)學(xué)生利用現(xiàn)有的高等數(shù)學(xué)知識(shí)，主動(dòng)使用Matlab,Mathematica以及Maple等數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)理論力學(xué)一般問(wèn)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(shí)踐[6-8].通過(guò)這樣的實(shí)踐鍛煉，極大地調(diào)動(dòng)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(jì)算機(jī)乃至英語(yǔ)等多學(xué)科有機(jī)地結(jié)合到一起.學(xué)生在這樣的過(guò)程中，充分體會(huì)到綜合利用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的愉悅感，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新精神層面上質(zhì)的跨越.

3 結(jié)語(yǔ)

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(shí)，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(shí)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(dòng)的態(tài)度去解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的全面發(fā)展與提高，從而真正達(dá)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(shí)踐,2015,37(4)：543-546

2 同濟(jì)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(jì)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(shí)踐.中國(guó)大學(xué)教學(xué), 2008,(4)：10-134蘇禾.對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)——在理論力學(xué)教學(xué)中.力學(xué)與實(shí)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(shí)踐,2007,29(5)：68-69

7張永存,于申,馬紅艷.計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)大學(xué)2015-2016年教學(xué)改革研究與建設(shè)資助項(xiàng)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?yàn)槎喑叨绕谂c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?yàn)閹r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(shí)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