新工科背景下“理论力学”课程改革的探索与实践

［摘 要］ “理论力学”是高等院校多数工科专业第一门面向工程的专业基础课，具有历史悠久、理论严谨、学习难度高、与工程实践联系紧密等特点。在新工科背景下，“理论力学”课程改革是培养多样化、创新型卓越工程技术人才的重要组成部分。基于新工科的要求，分析总结了现有“理论力学”教学改革的成果，提出了“理论力学”课程改革的若干思路：在教学方法方面，须从传输理论知识的方式转变为由工程实际出发引导主动解决问题的方式；在教学思路方面，须引入现代化建设中解决国家重大需求面临的紧迫问题；在教学内容方面，须在理论分析中适度引入现代数学方法，提升科学素养。

［关键词］ 理论力学；课程改革；新工科；创新型人才

［基金项目］ 2023年度北京交通大学校级教改项目

［作者简介］ 陈恩惠（1991—），女，河南平顶山人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院讲师，硕士生导师，主要从事微重力流体物理研究；税国双（1971—），男，四川射洪人，博士，北京交通大学物理科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事复杂介质和结构的波动力学及应用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）28-0108-05 ［收稿日期］ 2023-05-28

引言

21世纪以来，全球范围的新一轮科技革命和产业变革正在加速进行。我国提出了新工科建设，旨在加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。2018年3月，教育部发布《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》后，新工科建设如火如荼，逐渐深化。2019年，教育部成立“全国新工科教育创新中心”，全力推进新工科建设。2023年2月，教育部等五部门印发《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》，提出以新工科建设为引领，形成人才培养高地，主动适应产业发展趋势，主动服务制造强国战略，将相关学科专业发展前沿成果、最新要求融入人才培养方案和教学过程。

新工科建设是教育部提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划，是为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，推动新工科建设再深化、再拓展、再突破、再出发，是探索形成中国特色、世界水平的工程教育体系，建设工程教育强国的重要举措。“理论力学”是高校大多数工科专业，如航空航天、机械工程、土木工程、车辆工程、动力工程等专业的第一门面向工程的基础课程。理论力学与工程实践密切关联，是飞机制造、机械设计、桥梁隧道等工程的基础核心，同时具有极强的理论性，是后续专业课程的理论基础。因此，应把新工科建设作为引领教育教学改革的有力抓手，开展新工科背景下的“理论力学”课程改革，使这门历史悠久的课程焕发新的生机，扎实推进新工科建设和工程教育质量整体提升，适应现代科学技术与产业变革，服务制造强国，培养新兴领域工程科技人才。

一、研究现状分析

近年来，各高等院校面向新工科的专业建设开展得如火如荼、百花齐放，呈现逐渐深化、扎实落地的特点。在2020年北京交通大学新工科建设研讨会上，主管教学的校长闫学东指出，新工科建设立足于新一轮科技革命和产业变革加速演进并处于取得关键突破的历史关口，我校新工科建设要与“四通模式”人才培养体系深度融合，加速本研贯通的培养方案、课程体系等的落地落实。关于高等教育基础力学系列课程的培养方案和课程体系，各高校已陆续开展了“结构力学”“材料力学”“工程力学”“流体力学”“土力学”等课程改革探索。理论力学是工程力学的一个重要组成部分，但在实际授课过程中，“工程力学”课程中的理论力学部分与多学时专业要求中单独开设的“理论力学”课程相比，在教学学时分配、教学内容、教学重点及难点等方面还存在一定差异。在新工科背景下，亟须探索与实践“理论力学”课程改革，积极开展教学方法、内容与思路变革，以满足培养兼具理论与实践能力的多样化、创新型卓越工程技术人才需求，引领学生从理论迈向解决复杂工程技术问题［1］。

本文针对“理论力学”课程改革进行了调研，发现清华大学、浙江大学、南开大学等多个高校持续开展“理论力学”教学改革工作，并且有多所高校开展了包含理论力学的“工程力学”或“基础力学”课程思政建设与教学改革工作，通过调整教学方法、修订教学大纲、调整教学内容，以提升理论力学教学效果，与时俱进，加强课程育人，加强理论力学与现代工程的结合。因此，北京交通大学立足于传统专业升级改造、“高峰”“高原”拔尖人才培养，积极推进新工科背景下“理论力学”课程改革的探索与实践。

目前，针对“理论力学”课程存在的问题与调整，多所高校与教师提出了相应的解决方案。比如，针对“理论力学”与现代工程科技差距大的问题，北京理工大学胡海岩［1］提出了动力学反问题教学方案，并给出了在习题例题中融入先进能源与动力、体育静平衡等科技工程要素的建议。上海大学陈立群［2］回顾了欧美国家力学教材的现代化过程，为“理论力学”教学内容的更新指明了方向。对于理论力学与工程问题相互依赖的关系，西北工业大学张娟［3］提出了教学过程中的抽象化建模过程，从而帮助提升学生解决实际问题的能力。北京工业大学叶红玲等［4］在国家级一流“基础力学”课程建设中总结并建立了非标准化考核模式，这为“基础力学”课程的建设提供了新的思路。此外，中国矿业大学李英杰等［5］给出了实践选题训练的内容，广西大学郭铁丁等［6］给出了“理论力学”研究性教学的案例，合肥工业大学浦玉学等［7］进行了“理论力学”课程思政探索并给出了多个思政素材设计，等等。针对“理论力学”学习难度大的问题，西北农林科技大学李宝辉等［8］提出课堂分组讨论方案，以小组为单位完成课堂练习。针对学时紧张的问题，佛山科学技术学院陈为林等［9］提出了针对机械工程专业机构部分仅讨论平面机构的方法。

尽管在新工科背景下，目前针对“理论力学”的课程改革已经开展了大量的探索与实践，且取得了诸多成果，但仍存在一些问题。例如，“理论力学”课程学习需要大量的习题练习，而课时又很紧张，这将严重限制在课程内容中加入现代科技元素等理念的实施；现有的“理论力学”教学内容已经相对完善和充实，如何使学生既保证学习效果，又提高解决问题的能力，是“理论力学”教学工作需要面对的问题与挑战。

二、课程改革的规划设计

以新工科建设为背景，以培养多样化、创新型卓越工程技术人才为目标，开展“理论力学”课程改革的探索与实践：在教学方法与手段方面，须从仅传输理论知识的方式转变为由工程实际需求出发引导主动解决问题的模式；在教学思路方面，须引入现代化建设中解决国家重大需求面临的紧迫问题；在教学内容方面，须在理论分析中适度引入现代数学方法，提升科学素养。本节在这三个方面分别阐述了具体的教学改革设想。

（一）教学方法的改进——从传输理论知识转变为由工程实际需求出发引导学生主动解决问题

“理论力学”虽然是一门专业基础课，但与工程实际联系紧密，在教学过程中如果能在传授基本概念、理论的同时，培养学生将实际工程问题抽象为力学模型的能力，实现从单纯的传输理论知识转变为由工程需求出发引导学生主动解决问题和处理工程中有关力学问题的能力，则可显著提升学生对“理论力学”学习的兴趣，使学生主动学习。力学建模是理论力学研究分析中非常重要的一个步骤。工程中的各种力学问题往往具有一定的复杂性，须从复杂的力学现象中抓住共性，找出反映事物本质的主要因素、略去次要因素，经过简化把研究对象抽象为力学模型。在实际授课时，如果简单按照理论体系的思路开展教学，会容易显得枯燥、缺乏工程背景。

在讲解工程中常见的约束类型时，会介绍固定铰支座、滚动铰支座和滑槽约束等约束的简图，易使学生觉得抽象、容易混淆。在讲授过程中，一般会简单地分类罗列多种常见约束，并给出约束简图表示，在这种方式下学生很容易听懂，也认为很简单，但实际解题时往往混淆这些约束，导致受力分析时会漏掉或多画未知力等。如图1所示，如果先给出多种常见约束的实物图片，再引导学生自行分类、尝试自行画受力简图，并区分较为相似的约束，则教学效果会有明显提升，学生能较为准确地判断约束类型，最终得到正确的受力分析图。这种引导学生主动归纳总结、给出简图方案的方式，能提高学生解决问题的能力，并使他们对理论力学与工程实际相结合有深刻的体会及认识，从而深化对建立力学模型中模型简化思想的认知。

关于力学模型的简化，集中力与分布力是“理论力学”课程中非常重要的两个概念。在授课过程中，先给出集中力与分布力的概念和量纲，会使学生的理解不深刻，很快遗忘相关作用力的概念。如果先给出一些工程案例阐述集中力这一简化模型，引导学生分析受力，并尝试给出受力分析图，则会使学生对集中力与分布力留下深刻印象。如图2所示的集中力与分布力。分布力通常有均布荷载和线性分布荷载类型，这些类型均源自工程实践。这种通过先给出工程案例，再总结受力简化的方式，能够使学生建立由工程实际结构抽象为理论模型的思维方式。

“理论力学”课程还会涉及静定与超静定问题。在工程实践中，结构通常是超静定（或静不定）的。然而，结构中部分构件的存在是为了增加系统的平衡稳定性，因此为了方便求解，有些约束可以忽略，从而使问题简化为静定的结构，可以通过静力学平衡方程求出全部未知力。若在授课过程中先引入工程案例，再归纳总结出静定与超静定问题，则可避免机械的“灌输式”讲解。

（二）教学思路的改进——引入解决国家重大需求面临的紧迫问题

理论力学虽然是一门古老的学科，但在多年的发展过程不断引入新的工程背景知识。21世纪涌现出大量新的科学技术与工程应用，理应纳入“理论力学”课程体系。特别在“理论力学”习题中，现有的题目研究对象多为曲柄连杆机构、滑轮、滑块、桁架等，与现代工程应用有一定距离。在现代工程问题中，理论力学发挥着重要作用，因此在习题中纳入部分现代化内容是可行的，同时也可以极大地激发学生的学习热情。另外，可以适当引入一些前沿课题，也就是制造业等前沿科技拟解决而未解决的“卡脖子”课题。以下提供相关案例进行说明。

1.空间站的平衡问题。空间站是失重环境（微重力环境，10-3～10-5 g），可近似视为静力平衡状态。事实上，空间站相对于地面高度转动。这就是典型的惯性力与合外力在形式上构成平衡力系的达朗贝尔原理。空间站环境的物体失重现象，可以使用我国太空课堂等多媒体资源进行展示，例如航天员的行动方式、水滴等流体的流动行为等。

2.前沿摩擦学。摩擦导致了大量的能源浪费，摩擦引起的磨损是机械零件失效的主因。在宏观尺度下，摩擦力的主要原因是物体间接触面是粗糙的。通过分析粗糙接触面的相互作用力，使学生明了摩擦力的来源。那么进一步分析减小摩擦力的有效途径之一，即是改变物体表面性质，如粗糙度等，相应的方法有抛光物体表面、添加润滑油等。然而，当物体接触面粗糙度下降到一定值后，摩擦系数不再随之下降，反而有上升的趋势。这是由于有了新的作用力，增加了物体间的摩阻，因此，摩擦力的本质须建立新的理论模型来解释。

3.陀螺效应。高速旋转的陀螺在外力干扰下相对稳定，其旋转轴保持进动。这一现象有许多应用，例如现代枪炮中设有膛线，使子弹射出后高速旋转。由于弹轴与弹道切线保持小的摆动角，相对于早期滑膛枪炮，提高了子弹飞行的稳定性。在篮球运动中，运动员向球筐抛出高速旋转的篮球，可提高投篮命中率。

（三）教学内容的改进——在理论分析中适度引入现代数学方法，提升科学素养

“理论力学”的理论性强，逻辑严密，理论推导的讲解可深可浅。尽管初步的理论讲解有助于学生快速理解、降低学习难度，但也将损失一定的科学素养培养。因此，可将具备一定深度的理论讲解作为选学内容，供学有余力的学生学习，为其提供科学方法的熏陶。虽然学生由于数学基础问题，难以全部掌握这些内容，但也会对相应部分有一定程度的了解。以下提供数个可提升科学素养、加强学科间联系的建议。

1.关于质点运动的三种描述方法，强化矢量坐标不变性及分量随坐标变化的特征。质点运动的描述有矢量法、直角坐标法和自然坐标法三种方法。速度和加速度矢量是不随坐标变化的物理量，然而他们在不同坐标系中的分量则会随坐标变化。矢量是坐标不变的量，因此，利用矢量法则可在笛卡尔坐标系下推导特殊坐标系中运动量的相应分量。