以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索1)

汤可可 王华宁

(同济大学航空航天与力学学院，上海200092)

教育研究

以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索1)

汤可可2)王华宁3)

(同济大学航空航天与力学学院，上海200092)

在以创新能力培养为导向的高校理论力学教学体系中，应以逻辑方法为基础，在课程教学中强调科学方法论的作用，提高学生综合分析问题的能力.同时，辅以积极心理学的教育理论，结合教学实践，在课堂教学中注重培养学生健全的人格，鼓励学生的主观创新精神，最终实现其创新能力的全面发展与提高.

创新能力培养,逻辑,科学方法论,教育理论,积极心理学

创新能力的培养是本科教育的重要组成部分.理论力学作为工科院校的主要基础课之一，覆盖土木、机械、交通及力学等专业，是继数学、物理等课程之后，所开设的第一门技术基础课，起到承前启后的桥梁作用.对缺少工程概念的大学生来说，要顺利进入更高层次的专业课学习，理论力学在创新能力培养过程中的衔接作用尤为关键.同济大学在面向全校的理论力学教学中，始终以学生创新能力的培养为导向：一方面以逻辑方法为基础，在课堂教学中灌输科学方法论的思想；另一方面，积极吸收先进研究理论，综合多种教学手段，在理论力学教学过程中，注重培养学生健全的人格，鼓励学生的创新精神，最终实现创新能力的全面发展与提高.

1 以逻辑为教学基础的科学方法论策略

理论力学是一门发展较为完善的学科，整体内容体系具备严密的逻辑性，分析求解问题的过程又体现科学方法的系统性和完整性，最适合进行创新思维方式的训练.在整个教学过程中，教师应根据理论力学课程特点，向学生描绘并构造一幅逻辑严密，科学方法成熟和完整的学科画卷.“Big Picture”的建立，有助于学生在学习过程中，把握问题的主要方面，从而使学生的能力得到真正的锻炼与提高.

1.1 教学过程的逻辑性

力学具有缜密的逻辑性[1].富有逻辑的教学，将让学生以探索者的姿态主动钻研并获取知识，从而得到创新训练.理论力学的三大部分——静力学、运动学、动力学，有其内在的逻辑关系.在课程讲授过程中，应贯彻以动力学为核心，运动学为先导，静力学为动力学特殊情形的思想.同时，遵循静力学、运动学及动力学的渐进次序，阶段性推进，环环相扣，最终在动力学部分达到理论力学知识体系的高潮.在教学中我们反复启发、引导学生从宏观上把握知识点之间的内在逻辑关系，培养全局性思考方式，加深理解力学概念.例如在运动学中讲完合成运动以后，会引导学生思考如何用合成运动的知识，来解释平面运动刚体内部两点速度和加速度的关系，促进学生全景画卷的建立，在整体的框架下理解不同知识点之间的关联.

理论力学中公式推导很多，公式推导顺序对学生逻辑思维方式的培养亦十分重要.对于基础较好，数学、力学要求较高的专业，宜采用从一般到特殊的推导方式，可以较快让学生掌握一般情况下的结论.我们在长期的教学过程中，已经形成较为成熟的理论公式推导体系[2]，在实际教学中也取得了良好的效果.例如点的加速度合成定理，在推导中不限定动系的具体运动形式，从而得到一般情况下的公式，可直接用于特殊情况分析.这样一来，不仅授课时间减少，学生也更容易接受从一般到特殊的哲学思想.对力学要求不高的工科专业，则采用从特殊到一般的推导方式，用符合认知规律的逻辑教学，使其逐步接受较难的知识.

在例题讲解中，应鼓励学生寻找问题的突破口，从已知条件中抓住问题的关键信息，并且结合题目所要求解的未知量“顺藤摸瓜”，最终实现与关键突破信息的汇合.这样逻辑严密的问题分析方法，同样可以用于其他工科课程的学习，在理论力学教学中应反复强调，并鼓励学生将分析、解决问题的方法用于工程实践，从而真正实现学生创新能力的提升.

1.2 力学与工程的结合

学生面对复杂工程问题时，分析和解决问题的策略及态度，是衡量创新能力的主要标准之一.理论力学针对工程问题，力学模型均有清晰的工程背景[3].但实际教学情况则是，刚刚步入大学的学生对于工程实际认知较为缺乏，因此在这一环节应有意识地补充和加强.在教学伊始，应该让学生对众多工程实例有初步的认识与了解，进而从工程实际出发提出问题和假定，进行力学模型的抽象.在讲授每个知识点前，我们采用大量原版教材的实例，鼓励学生大胆假定，简化力学模型.通过对实际工程结构力学模型的抽象，不仅培养了学生简化解决问题的能力，还让学生认识到力学知识的重要，增加了学习的积极性.

此外，在习题设置上，每个力学模型都给出实例，并对求解的结果进行讨论，指出理论模型在工程实践中的意义.在每堂习题课中设置了一个简单的实际问题让学生分析，学生分组准备，并在课堂上展示讲解.采用的小问题诸如：汽车差速器的分析(速度合成定理)；动车中动力源分散的设计原理(有摩擦的动力学问题)；茹科夫斯基凳的能量分析等.这些讨论深受学生欢迎，激发了他们探索的欲望，培养了发现实际问题和解决问题的能力.

通过力学与工程实践的紧密结合，也为在教学中贯彻科学方法论的策略奠定坚实的基础.

1.3 科学方法论体系

理论力学中的科学方法论策略是我们重点关注的环节.在整个理论力学体系中，抽象与理想模型、分解与合成、虚拟以及解析的方法[4]是解决问题的四块基石.在教学中，通过向学生反复强调这些科学的方法，对培养学生分析、解决复杂问题的能力具有举足轻重的作用.

以抽象化与理想化为例，没有抽象化与理想化就没有理论力学这门学科的存在.但也应向学生强调，这样的模型简化可以满足一定条件下工程实践的需要，如刚体与质点的假设、理想约束二力杆、桁架等.分解与合成的方法则更为突出，静力学中，平面任意力系可看作平面汇交力系与平面力偶系的合成；整个运动学都是围绕着分解与合成运动来进行.动力学则可看成静力学与运动学问题的合成.解析法贯穿于理论力学问题求解的始终，是矢量力学的主要工具，在理论公式推导及代数运算方面起到主导的作用；虚拟法则是分析力学最重要的手段，典型例子如达朗贝尔原理及虚位移原理等知识点，更广义的科学虚拟法也贯穿于理论力学这门课程始终，如静力学中的加减平衡力学的方法，动力学质心运动定理的质量集中于一点的假设等.在讲解的过程中，应让学生更清楚认识到，这样的科学策略有助于我们分析复杂问题的本质，实现去繁就简，化难为易的目标.在今后的课程学习以及工程实际中，这些科学的方法论仍会发挥重要的作用.

总体来说，以逻辑为教学基础的科学方法论策略的实施，应注重培养学生的大局观，建立全景式画卷.在这幅画卷中，应是以逻辑理论和科学方法论为主要枝干，学生在学习过程中，逐渐添加知识点，从而丰富整个知识体系.掌握这种知识体系，会使学生在今后的课程学习乃至人生道路上持续获益.

2 健全人格的培养及创新精神的激励

创新能力的提高不仅是逻辑理论及科学方法论的掌握.在笔者看来，还应包括学生健全人格的塑造，以及面对困难问题积极乐观的态度.积极的态度带来创新精神层面的激励，最终达到真正意义上创新能力的提高.

2.1 启发式教学

启发式教学是一种极为重要的教学方法，能够实现教师和学生的互动，在教和学的互动中去实践，促进学生参与课堂教学，从而创造一个动态的教学环境，实现良好的教学效果.笔者在近两年的教学实践中，在启发式教学方法的整体框架下，引入积极心理学的研究成果，将其用在理论力学的教学中，起到了良好的效果.

积极心理学是心理学的一个分支领域，利用比较完善的心理学实验方法和测量手段，研究人类的力量和美德等积极方面的一个心理学思潮.它从一种积极的新视角来诠释心理学，尤为注重人性积极面的研究，主张使人的潜力得到充分发挥[5].因此，积极心理学充分体现了以人为本的思想.其研究成果可用来辅助培养学生积极的人格，主动的学习态度、促进创新思维和能力的提升，从而构建和谐、积极向上的师生关系，达到教学之间良好互动的实践效果.

具体到理论力学的学习，由于理论力学课程的自身特点，在学习过程中，学生常会对难以理解的问题产生抵触情绪.这时教师应适时介入，运用积极心理学知识，鼓励学生带着积极的情绪，发掘自身的优点和潜能，并发挥主观能动性，处于一种对新知识的渴望状态，作为主体投入到理论力学的学习中去.作为教师，应始终以学生为中心，让学生充分参与到课堂教学过程中来，对知识点有着切身的领悟，从而实现创新能力的培养.如在讲授动力学普遍定理的综合运用时，应要求学生首先判断系统的自由度，进而确定系统独立运动参量的个数.然后鼓励学生将系统的未知数与独立方程数遥相呼应.通过启发式的引导，鼓励学生在课堂上主动投入思考，对学生的每一步骤的回答都能给予积极的肯定.学生在这种轻松的情绪中实现对复杂问题的求解和知识点的融会贯通.这种全局把握、逐步轻松突破的策略同样可使后续课程的学习受益.

2.2 实践教学

积极心理学并不仅仅解决学生在心理方面存在的问题，更主要的是要发掘、把握学生外表显露的和潜在的多重积极品质，并在教育实践中扩展和培育这些积极品质.实践活动是理论力学课程的重要组成部分，也是使积极心理学发挥作用的最佳手段.在创新精神的激励层面，为了提高学生的学习积极性.我们将理论力学的学习与工程实际相结合，在理论力学中加入课程设计环节.鼓励学生利用现有的理论力学知识，发挥主观能动性，寻找并解决身边的实际力学问题.学生们按个性特点和个人喜好组队，队员之间要在互助互动的过程中完成实践项目.学生在合作与竞争的氛围中提高了学习主动性，加深对理论知识的理解.如在讲授“静力学的应用——桁架”一节时，鼓励学生自由组队设计制作桁架，进一步加深学生对桁架受力及稳定性方面的理解.教师可鼓励思维活跃的同学发挥其所长，在结构设计方面积极探索；对小组中性格内向的学生，鼓励其担任发言人的角色，对其队伍的实践作品进行全方位介绍.这样在整个实践过程中，每一位同学都能够直接感受到自己个性特点的优势与不足，在思维开拓、分析表达、情绪调控等方面都得到充分的锻炼，这种注重个体、积极发展人的潜力的策略，大大提升了学生对理论力学学习的兴趣.

同济大学一年一度的应用力学竞赛，也在引导学生利用理论知识解决实际生活中的力学问题.取得名次的同学则可获得同济大学创新学分的认定.在竞赛准备阶段，老师会充分听取同学们的想法，给学生留下充分的发言讨论空间，然后采用多种方式将同学们的思路引导到问题的本质上来.学生通过应用的形式，在这一创新学分认定的过程中得到能力的提升.

我们在实际教学中，不仅要求学生掌握分析解决问题的技巧，还鼓励学生利用现有的高等数学知识，主动使用Matlab,Mathematica以及Maple等数学计算软件，实现对理论力学一般问题，如线性代数和矩阵的求解，以及微分方程的数值解.这方面在教学中已有不少的实践[6-8].通过这样的实践锻炼，极大地调动了同学们学习理论力学的积极性，将高等数学、计算机乃至英语等多学科有机地结合到一起.学生在这样的过程中，充分体会到综合利用所学知识解决问题的愉悦感，从而实现创新精神层面上质的跨越.

3 结语

以创新能力培养为导向的理论力学教学体系，应是以逻辑为教学基础的科学方法论策略的综合应用.同时，精神和心理层面的发展也应是创新能力为导向教学的重要组成部分.在实际理论力学教学中，只有促使两者的巧妙结合，学生才能够以正确的科学方法论策略，和积极主动的态度去解决复杂的工程问题，实现创新能力的全面发展与提高，从而真正达到工科理论力学的教学目的.

1 张速,刘安中.几种逻辑方法在理论力学课程教学中的应用.力学与实践,2015,37(4)：543-546

2 同济大学航空航天与力学学院基础力学教学研究部(编者).理论力学(第2版).上海：同济大学出版社,2012

3 李俊峰. 理论力学课程体系改革探索与实践.中国大学教学, 2008,(4)：10-134苏禾.对学生进行科学方法教学的几点体会——在理论力学教学中.力学与实践,2012,34(3)：78-80

5 Christopher P.A Primer in Positive Psychology.Oxford：Oxford University Press,2006

6邵小军,刘永寿,岳珠峰.谈工科理论力学教学中数学工具的应用.力学与实践,2007,29(5)：68-69

7张永存,于申,马红艳.计算机数值模拟在理论力学教学中的应用.实验室科学,2013,16(3)：74-77

8邢静忠.代数系统Maple在力学教学中的应用探讨.力学与实践,2010,32(4)：96-101

(责任编辑：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)同济大学2015-2016年教学改革研究与建设资助项目.

2)汤可可，博士，助理教授，从事理论力学的教学工作，主要研究方向为多尺度疲劳与断裂力学.E-mail：kktang@tongji.edu.cn

3)王华宁，博士，教授，从事理论力学的教学工作，主要研究方向为岩土工程解析与数值方法.E-mail：wanghn@tongji.edu.cn

汤可可,王华宁.以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索.力学与实践,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