全面深化新工科建设中“理论力学”课程内容体系探索

［摘 要］ 全面深化新工科建设是为适应时代发展，响应国家战略和新兴产业发展需求，培养具有全球视野、创新精神和实践能力的复合型人才。“理论力学”是高校理工类专业必修的专业基础课程，是从基础理论学习迈向专业学习的关键一步。基于新工科建设对人才培养的目标，通过对“理论力学”课程体系和教学内容的思考、探索和实践，提出了几点有特色的建议，注重培养学生逻辑推理能力、强化问题分析能力、加强发散思维训练，激励学生科技报国，激发学生自主学习，为后续“理论力学”课程内容体系改革提供参考和思路。

［关键词］ 新工科；理论力学；创新思维；自主学习；研究性教学

［基金项目］ 2021年度湖南省普通高校教学改革研究重点项目“面向国家战略需求的力学—多学科交叉拔尖人才培养模式探索与实践”（HNJG-2021-0026）；2021年度湖南大学本科规划教材建设项目“‘理论力学’（刘又文主编）第二版修订”（HNUJC-2021-24）

［作者简介］ 方棋洪（1977—），男，浙江淳安人，博士，湖南大学机械与运载工程学院教授，主要从事先进材料和结构力学与人工智能辅助的新型合金强韧化设计研究；冯 慧（1988—），女，山西晋中人，博士，湖南大学机械与运载工程学院副教授，主要从事断裂力学与细微观力学研究；刘又文（1948—），男，湖南益阳人，硕士，湖南大学机械与运载工程学院教授，主要从事复合材料细微观力学研究。

［中图分类号］ O31 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0009-04 ［收稿日期］ 2023-01-16

2017年以来，教育部积极推进新工科建设，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等一系列国家战略服务［1］。新工科建设培养实践能力强、学习能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质杰出优秀人才。目前，新工科在“抓理论、建专业、改课程、变结构、促融合”等促进高素质人才培养方面取得了重要进展，已进入全面深化新工科建设阶段。课程是人才培养的核心要素，针对基础课程，重构和完善课程教学体系，加强课程系统化，做好课程教学设计，创新课程建设模式，将最新研究成果引入教学，是提升课程质量和建设“金课”的重要途径［2］。

“理论力学”是高校理工类专业学生必修的专业基础课程，是一门演绎性较强的课程，具有逻辑推理的严密性和对工程问题的抽象性，其基本概念和研究方法有助于学习其他课程，有助于培养学生分析和解决问题的能力及提升综合素质［3-4］。同时，“理论力学”理论性较强，教学内容相对经典，课堂讲授相对单调，学生自主学习的热情较低［5-7］。因此，需将工程中广泛存在的理论力学问题引入课程教学，引导学生联系实际，提高学习积极性［8］。近年来，我们在“理论力学”课程教学中进行了探索与实践。

一、遵循一般导出特殊，严谨基础理论体系

该理论力学体系在物理学的力学基础上提高起点，理论推导从一般情形出发，给学生展示一个严谨的力学理论体系，注重培养学生逻辑推理能力。例如，力系的简化与约束力、典型约束模型的约束力均可以由一般力系根据力的平移定理简化得到。力系的平衡，从空间一般力系入手，阐明力系平衡与物体平衡的区别，导出平衡方程，并由此获得各类特殊力系的平衡方程。又如点的合成运动，先导出动系作空间任意运动的合成定理，再由此得出动系作平移、定轴转动和平面运动的相应公式。再如动量矩定理，先导出相对动矩心的定理形式，再由此得出几种适用的特殊形式，包括相对于质心的动量矩定理等。在此基础上，逐步建立了充分体现研究性教学理念，注重逻辑推理能力的养成，强化实际问题分析基础、贯穿创新思维训练，并实现与后续力学课程相关内容自然衔接与融会贯通的严谨的基础理论体系。

二、扩展运动机构研究，加强动力冲击分析

传统理论力学的动力学内容研究对象局限于刚体和力的外效应，而后续“材料力学”“弹性力学”等课程又侧重于静力分析，运动机构和变形体的动力强度分析较为薄弱。力学专业的学生，甚至工科专业的学生在其学习生涯中认识动力强度分析的唯一机会是“理论力学”课程。新体系针对工程实践中存在的力学问题，加强了变形体动力问题的研究，如简单机构和结构的冲击内力计算和运动构件的动力效应分析等。同时，概述了物体对心碰撞的基本力学规律。针对理论力学的动力学部分提供的理论工具仅限于动量守恒和动量—冲量定理，增加了撞击力、撞击脉冲和能量损失等重要的力学量，由此分析了锻压、打桩等工程问题。

三、贯穿发散思维训练，注重创新能力培养

教学内容贯穿创新思维训练，通过合理设问，引导探索思维。本文论述引导探索思维，问题解析激发直觉与灵感，例题变换训练发散思维与联想。针对某些重要概念，及时出示灵活多样的思考题，引发学生积极思考，训练直觉，刺激灵感；典型例题以力学模型的建立、求解与分析为主线，注重题型归纳与方法总结；例题解答后思考问题，引导多方法求解、多层次分析、多形式变换，构造点、线、面、体思维网络，训练学生的发散思维，引导研究探索，培养其创新能力。每章后的习题与讨论题提供了不同层次的训练素材，特别是每章的讨论题，有的难度较大，可供课堂讨论和有余力的学生课外训练，其中部分例题、习题与讨论题是笔者的教学研究成果。由教师或学生针对已学章节内容提出相关疑难问题，事先发给学生，学生以小组为单位随机选题，集体讨论，分析问题。之后安排2个学时的讨论课，由学生推选代表进行课堂报告，学生当场提问，教师及时解答。积极鼓励学生说出与别人不同的想法锻炼其创造性思维，包括与教师不同的想法，从提高学生的综合素质的角度出发，让学生多自主探究，交流合作。通过学生之间对问题的相互质疑、相互辩论、相互激励，一方面促进学生主动学习，另一方面充分地激发学生的探索意识。

四、引入现代科研成果，激励学生科技报国

经典理论力学的内容体系大多按照静力学、运动学和动力学的顺序，而且课程内容、例题和习题也很相似，讨论对象是简单刚体、滑轮、曲柄连杆机构等，与工程需求的联系不密切，不是现代科技和工程中的重要问题。在紧密结合课程内容的基础上，引入最新的相关研究成果，开阔学生视野，使学生体会到基础课程的重要性，并激发学生科技强国的情怀。例如，在讲授力系简化原理后，引导学生重新分析连续介质微元体平衡，不但明白了传统理论的局限，还引出了现代弹性力学的偶应力及非局部理论新概念。再如，讲授质点系动能定理后，基于质点系动力学特性，引导学生接触目前应用最广泛的纳米尺度力学计算方法——分子动力学模拟。1957年阿尔德和温赖特采用硬球模型的分子动力学方法获得了气体和液体的状态方程，从此开创了利用分子动力学方法研究物质宏观性质的先例。分子动力学模拟的基本思想是：建立符合经典牛顿力学规律的原子体系，并用于研究结构演变，通过求解牛顿运动方程组获得所有原子的运动轨迹，然后根据统计物理学原理计算出该体系相应的宏观物理特性。迄今为止，分子动力学方法已成为应用最广泛的纳米力学计算方法，是连结微观空间尺度和时间尺度与宏观性质的桥梁。在课程教学中，向学生讲授分子动力学方法的基本原理和建模技术，拓宽视野，将学生引领到现代科学的前沿窗口。最后，着力营造活跃、互动的课堂学习氛围，鼓励学生向教师和教材提出挑战，有疑问可以随时提出，让学生互相探讨，再由教师进行总结，找出正确答案。同时，引导学生主动探究前沿科学知识的形成和发展过程，形成在教师激励和指导下的学生主动学习，培养学生的自主学习能力和创新研究精神。

五、贯通后续课程内容，加强共享知识迁移

理论力学的基本模型和基础理论是后续一切力学课程的基础，其课程体系以质点系为基本模型导出普遍理论，以刚体系为主要应用对象，同时涉及有关变形固体与流体问题，如力系的简化与平衡原理贯穿于刚体、变形固体和流体的静力分析中，又如质点系的虚位移原理用于刚体时，内力虚功为零；用于变形体时，计入内力虚功，并导出变形体的几个能量定理。新体系与后续课程相关内容自然衔接，融会贯通，形成有机整体。如力系简化原理与杆件内力分析、刚体平衡条件与变形微元体平衡、质点系虚位移原理与变形体能量方法、刚体动约束力与变形体动内力等，都在新体系内容中适当渗透并建立了统一的理论原理，与后继的“材料力学”“结构力学”和“流体力学”等课程相关内容自然衔接，建立了其理论上的内在联系。

六、引进创新递进实践，增强学生综合素质

在引进浙江大学理论力学创新应用实验平台的基础上，通过扩充建设与推广应用，逐步形成具有湖南大学（以下简称“我校”）特色的理论力学实验室。将理论力学创新应用实验纳入课程教学体系，安排6学时的实验教学，其中2学时为课外。在教学中，按照“认知—基础—综合—创新”的递进关系，分阶段设置实验（实践）项目，推进学生核心能力的萌芽与发展，形成独具特色的实验实践途径。明确研究型创新人才的核心能力结构，以“双平台”为基础，将核心能力的培养分阶段、有重点地安排在“理论力学”教学的全过程。要求学生在创新应用实验的基础上，开阔思想，创新实践，完成实验报告，并撰写相应的创新论文，实验成果的评比与答辩均由学生自主完成，并以10%的占比计入课程总成绩。学生在新成果总结与提炼、论文撰写技巧等方面获得训练，为以后发展提供基础技能。同时，将最新的实验研究成果引入课程内容，开阔学生研究视野，开拓创新思维。为培养敢于质疑、善于钻研、勤于思考、兴趣广泛，具有社会责任感，并具备初步研究能力和科学精神的创新人才奠定坚实的基础。

结语

该“理论力学”课程内容新体系的建立与实施历时十余年，分为两个阶段两种模式进行。第一阶段第一种模式始于2007年，在学校多项教改课题支撑下，全面贯通“理论力学”“材料力学”和“结构力学”三门课程内容，打破原有课程界限，分为运动学、静力学、动力学三篇，并已在我校工程力学专业试点。第一种模式由于受到现有人事体制等客观条件限制难以推广应用，未能形成标志性成果，但为第二种模式积累了丰富的经验。第二阶段第二种模式始于2011年秋季，充分采用了第一阶段的改革与实践成果，其特点是：仍按传统名称设课，多门力学基础课程内容实质性贯通。该模式在我校工程力学专业连续试点至今。新体系实施第一阶段效果较好，每次在全国周培源大学生力学竞赛理论赛中，均有数名学生获全国二等奖及以上的奖项。2015年湖南大学获得了第十届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛唯一特等奖，并于2017年承办了第十一届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛。根据“引入现代科研成果，激励学生科技报国”的目标培养创新人才，有多名本科生在教师指导下，通过课外综合性训练，激发了探究欲望和创新灵感，撰写了创新论文，并将研究成果发表于高水平专业期刊；同时，有数位学生申请了国家发明专利并授权。新体系实施的第二阶段形成了高质量特色鲜明的《理论力学》系列教材，准备在高等教育出版社出版。

在新形势下，通过创新教学模式和丰富教学内容提升课程教学效果、提高人才培养质量是各个高校需要积极开展的重要工作。相较于其他力学课程，“理论力学”的纽带过渡作用更加显著，是从基础理论迈向专业学习的关键一环，对培养学生自主学习能力、思维创新能力尤为重要。当前，在“理论力学”的课程体系和教学内容改革中，我们主要注重培养学生逻辑推理能力、强化问题分析能力、提升发散思维训练、激发学生自主学习，激励学生科技报国。在后续的教学科研中，如何实现课程的高阶性、创新性、挑战度，如何面向实际需求、提升学术品位、拓宽学术视野等，均是需要重点关注和逐步解决的问题。同时，教材是传播知识的主要载体和人才培养的主要剧本，其内容体现着一个国家、一个民族的价值观体系，在全面深化新工科建设时期，编著适应时代发展的理论力学教材亦刻不容缓。

参考文献