新工科背景下力學(xué)跨學(xué)科課程的建設(shè)與探討1)

萬 超 于 洋 霍 波

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081)

全球新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革業(yè)已開始并在加速進行。在這一新的歷史機遇下,我國提出了創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展國家戰(zhàn)略,在高等工程教育方面重點開展新工科建設(shè),既要設(shè)置發(fā)展與大數(shù)據(jù)、云計算、人體健康等相關(guān)的新興工科專業(yè),又要推進機械、鋼鐵等現(xiàn)有工科產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。其中,多學(xué)科交叉融合的工程技術(shù)人才培養(yǎng)是新工科建設(shè)的重要組成部分[1]。

力學(xué)是與新興工科專業(yè)和現(xiàn)有工科專業(yè)均緊密相關(guān)的關(guān)鍵基礎(chǔ)學(xué)科之一。通過力學(xué)教育,學(xué)生可成長為應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進行產(chǎn)品研發(fā)的工程師以及開展原始技術(shù)創(chuàng)新的工程科學(xué)家[2]。近些年來,力學(xué)也出現(xiàn)了諸如生物力學(xué)、仿生力學(xué)等新的交叉研究領(lǐng)域,呈現(xiàn)出介質(zhì)交叉、層次交叉、質(zhì)智交叉、剛?cè)峤徊娴榷鄬W(xué)科深度融合的鮮明特征[3]。

如何基于上述力學(xué)交叉前沿有效開展力學(xué)跨學(xué)科教育,培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、學(xué)科交叉融合的高素質(zhì)工程技術(shù)人才,是力學(xué)服務(wù)新工科建設(shè)亟需解決的關(guān)鍵問題之一。作為學(xué)科教育的核心要素,課程是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的具體形式和有效抓手。因此,如何推進力學(xué)跨學(xué)科課程建設(shè),與優(yōu)化學(xué)科結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新培養(yǎng)模式、建立跨學(xué)科團隊等其他措施同等重要。本文以生物力學(xué)與仿生跨學(xué)科課程為例,對當(dāng)前力學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)現(xiàn)狀和問題進行分析,并對所開展的針對性措施及其實施經(jīng)驗進行總結(jié)。

1 現(xiàn)狀及問題

1.1 學(xué)生對跨學(xué)科領(lǐng)域缺少了解

學(xué)生需要掌握相對較多的專業(yè)基礎(chǔ)知識,才能更好地對學(xué)科交叉前沿內(nèi)容形成深入理解。因此,學(xué)科交叉前沿內(nèi)容相關(guān)的課程一般會安排在大三或大四年級。然而,由于體現(xiàn)專業(yè)特征的課程開設(shè)較晚,學(xué)生已在基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)過程中逐漸消磨掉了學(xué)習(xí)熱情,錯過了激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣和發(fā)展?jié)摿Φ淖罴褧r機[4]。此外,即使通過課程學(xué)習(xí)對該學(xué)科交叉方向產(chǎn)生了興趣,由于學(xué)制安排,往往也缺少足夠的時間來系統(tǒng)提升相關(guān)的知識及能力。

1.2 教師對跨學(xué)科課程內(nèi)容定位不清

以麻省理工學(xué)院的跨學(xué)科課程為例,主要有教師自主設(shè)計所授課程中的跨學(xué)科內(nèi)容、來自不同學(xué)科的學(xué)生共同進行課程學(xué)習(xí)、以及不同學(xué)科教師共同開設(shè)跨學(xué)科課程三種形式[5]。在我國,目前的跨學(xué)科課程多是第一種形式。然而,這種跨學(xué)科課程較易造成學(xué)生獲得知識的碎片離散化,更無法形成多學(xué)科的系統(tǒng)性思維。艾倫·雷普克[6]在《如何進行跨學(xué)科研究》中明確指出：“假如每個課程都必須重新開始的話,跨學(xué)科研究課程就無法令交叉學(xué)科更深刻、更完備”。因此,對力學(xué)跨學(xué)科課程內(nèi)容進行準(zhǔn)確定位,處理好與前后課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系和鋪墊呼應(yīng),是跨學(xué)科課程教師面臨的一個主要問題。

1.3 跨學(xué)科課程教學(xué)方式單一

學(xué)科交叉領(lǐng)域新產(chǎn)生的知識信息量每兩年即增加一倍[7]。因此,跨學(xué)科課程只有及時吸納當(dāng)前最新的研究成果,才能使學(xué)生具備最新的科學(xué)知識和研究技能。但是,由于力學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域的實驗設(shè)備多數(shù)價格昂貴,用于教學(xué)的相關(guān)實驗項目較少,目前的跨學(xué)科課程仍以知識講解和前沿講座等為主。新技術(shù)、新理論相關(guān)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)缺失,使學(xué)生喪失了進行實際操作和鍛煉動手能力的機會,導(dǎo)致新工科人才跨學(xué)科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果大打折扣。

2 措施

2.1 與低年級通識教育相結(jié)合

生物力學(xué)導(dǎo)論是筆者面向力學(xué)專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的專業(yè)選修課,共32 學(xué)時(其中實驗6 學(xué)時),主要講解生物運動的力學(xué)機理、生物表界面潤濕機制、細胞的多場耦合力學(xué)特性等生物力學(xué)與仿生領(lǐng)域的前沿成果,旨在提升力學(xué)專業(yè)學(xué)生對跨學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)知,形成運用多學(xué)科方法分析解決問題的綜合能力。在新工科建設(shè)背景下,自2020 年開始將生物力學(xué)導(dǎo)論課程增設(shè)為通專融合型公共選修課。課程主要以形象有趣的生物現(xiàn)象和功能為導(dǎo)引,通過先進技術(shù)的實驗分析來揭示其力學(xué)特征和機理,并進一步展示該成果在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用情況。課程考核以考查方式開展,調(diào)研報告占50%、實驗報告占30%、課堂作業(yè)占20%。該課程通過與低年級通識教育相結(jié)合,吸引了全校五十余名學(xué)生選修,有效地激發(fā)了低年級學(xué)生對跨學(xué)科領(lǐng)域的興趣。例如,學(xué)生自主確定調(diào)研報告主題,涵蓋了昆蟲外骨骼、動物運動原理、生物集群行為、仿生微結(jié)構(gòu)等多方面(如表1 所示),報告中既有對當(dāng)前研究現(xiàn)狀的總結(jié),還有在現(xiàn)狀調(diào)研基礎(chǔ)上提出的創(chuàng)新想法。

表1 生物力學(xué)導(dǎo)論學(xué)生調(diào)研報告典型題目

2.2 與基礎(chǔ)力學(xué)課程相結(jié)合

跨學(xué)科教育不僅可以作為獨立的一門課程出現(xiàn),還可嵌入到現(xiàn)有課程中進行呈現(xiàn),通過前后相關(guān)課程內(nèi)容的相互融合,使學(xué)生能夠形成完整的跨學(xué)科思維和解決問題的能力[8]。因此,力學(xué)跨學(xué)科課程建設(shè)還要注重與基礎(chǔ)力學(xué)課程相結(jié)合。對實際案例的分析是基礎(chǔ)力學(xué)課程開展教學(xué)的重要方式,是學(xué)生學(xué)習(xí)如何應(yīng)用力學(xué)理論最為直接的途徑。在基礎(chǔ)力學(xué)課程案例庫中引入跨學(xué)科案例,既能使學(xué)生在深入理解理論的同時拓寬視野,又能為今后的跨學(xué)科課程學(xué)習(xí)進行鋪墊,有助于形成解決復(fù)雜問題的綜合創(chuàng)新能力[9]。

結(jié)合筆者在基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)中的經(jīng)驗與思考,發(fā)現(xiàn)在理論力學(xué)課程教學(xué)中較易引入運動生物力學(xué)案例,如以武術(shù)中的燕式平衡姿勢為例講解靜力平衡條件(如圖1,其中,Ci為各體段的質(zhì)心位置,FN為地面支持力)、以芭蕾舞旋轉(zhuǎn)時的小腿內(nèi)收為例講解動量矩守恒定律(如圖2,其中,實線、圓圈和點畫線分別表示人體體段、關(guān)節(jié)及旋轉(zhuǎn)軸)、以舉重支撐狀態(tài)下的下肢復(fù)杠桿[10]為例講解虛位移原理(如圖3)等；在材料力學(xué)課程教學(xué)中易引入生物固體力學(xué)案例,如以骨科臨床中提出的人體股骨近端三元素穩(wěn)定理論[11]為例講解彎曲內(nèi)力計算(如圖4)、以動物骨骼的中空結(jié)構(gòu)為例講解抗彎剛度、以竹節(jié)蟲細長下肢的著陸分析[12]為例講解壓桿穩(wěn)定(如圖5) 等。此外,今后在力學(xué)其他課程中也可引入相關(guān)的跨學(xué)科案例,如在力學(xué)中的數(shù)理方法課程教學(xué)中可以骨愈合過程中的細胞分化與增殖[13]為例講解常微分方程和偏微分方程相關(guān)知識等。需要注意的是,在選取與基礎(chǔ)力學(xué)課程進行融合的跨學(xué)科案例時,要保證案例的真實、難度適宜,并體現(xiàn)出研究探索性,還要注意案例需明顯體現(xiàn)出力學(xué)的樞紐作用,使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不被表面的交叉學(xué)科知識分散關(guān)注點[14]。

圖1 理論力學(xué)課程教學(xué)跨學(xué)科案例–– 武術(shù)燕式平衡

圖2 理論力學(xué)課程教學(xué)跨學(xué)科案例–– 芭蕾舞旋轉(zhuǎn)動作

圖3 理論力學(xué)課程教學(xué)跨學(xué)科案例–– 舉重

圖4 材料力學(xué)課程教學(xué)跨學(xué)科案例–– 股骨近端承載的簡化模型及其彎矩分布

2.3 與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合

作為培養(yǎng)學(xué)科交叉復(fù)合型卓越工程技術(shù)人才的重要途徑,實驗環(huán)節(jié)既能鞏固和強化學(xué)生對新理論和新技術(shù)的學(xué)習(xí)成果,還能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)參與度及自主學(xué)習(xí)能力[15]。在交叉學(xué)科實驗儀器昂貴、難以用于教學(xué)的現(xiàn)實條件下,筆者基于WebGL 技術(shù),使用Unity3D 和Maya 等開發(fā)工具,研發(fā)了人體運動與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺(如圖6 所示),并在2020–2021 學(xué)年的生物力學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)中進行了初步應(yīng)用。

圖6 人體運動與肌骨系統(tǒng)生物力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

該虛擬仿真實驗項目包括人體運動捕捉及分析、骨與軟骨壓痕測試、軟組織拉伸實驗三個模塊。在人體運動捕捉及分析模塊中,學(xué)生將學(xué)習(xí)掌握人體肌骨動力學(xué)分析的基本原理和常用測試技術(shù),具體開展步行、跑步等預(yù)設(shè)動作以及個性化動作下的人體動作捕捉和動力學(xué)分析實驗；在骨與軟骨壓痕測試模塊中,學(xué)生將掌握材料力學(xué)特性的壓痕理論及基于原子力顯微鏡的測試技術(shù),具體開展皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨各向異性力學(xué)特性的定量分析實驗；在軟組織拉伸實驗?zāi)K中,學(xué)生將了解軟組織力學(xué)測試原理和分析技術(shù),并針對韌帶組織的橫觀各向同性超彈性力學(xué)特性以及肌肉組織的主被動收縮特性開展拉伸實驗。

3 結(jié)語

綜上所述,本文圍繞我國“新工科”建設(shè)背景下的力學(xué)跨學(xué)科課程建設(shè),以北京理工大學(xué)力學(xué)系開設(shè)的生物力學(xué)與仿生課程為例,分析了當(dāng)前跨學(xué)科課程建設(shè)中所面臨的主要問題,提出了解決問題的針對性措施,并對其實施經(jīng)驗和效果進行總結(jié)。主要結(jié)論如下。

(1)針對學(xué)生對跨學(xué)科領(lǐng)域缺少了解的問題,可通過面向低年級學(xué)生開設(shè)跨學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的通識教育課程以及開展自選主題調(diào)研報告等方式,提升學(xué)生對跨學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)知,引發(fā)深入學(xué)習(xí)的興趣。

(2) 針對教師對跨學(xué)科課程內(nèi)容定位不清的問題,可通過梳理跨學(xué)科課程的教學(xué)內(nèi)容,提煉出反映跨學(xué)科課程內(nèi)容的實際案例,融入到前后基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)中,形成力學(xué)類課程的內(nèi)在聯(lián)系和鋪墊呼應(yīng),避免跨學(xué)科課程內(nèi)容的碎片化。

(3)針對跨學(xué)科課程教學(xué)方式單一的問題,可借助現(xiàn)代信息技術(shù),開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)項目,形成圍繞跨學(xué)科課程內(nèi)容的綜合創(chuàng)新線上實踐平臺,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度及自主學(xué)習(xí)能力。

此外,筆者在上述教學(xué)實踐基礎(chǔ)上,今后將在通識課教學(xué)模式和實踐環(huán)節(jié)創(chuàng)新、生物力學(xué)與仿生課程案例庫建設(shè)、虛擬仿真實驗教學(xué)的虛實結(jié)合探索、學(xué)生跨學(xué)科綜合創(chuàng)新實踐活動開展等方面開展進一步的教學(xué)改革實踐。