新工科背景下力学跨学科课程的建设与探讨1)

万 超 于 洋 霍 波

(北京理工大学宇航学院,北京 100081)

全球新一轮的科技革命和产业变革业已开始并在加速进行。在这一新的历史机遇下,我国提出了创新驱动发展国家战略,在高等工程教育方面重点开展新工科建设,既要设置发展与大数据、云计算、人体健康等相关的新兴工科专业,又要推进机械、钢铁等现有工科产业的转型升级。其中,多学科交叉融合的工程技术人才培养是新工科建设的重要组成部分[1]。

力学是与新兴工科专业和现有工科专业均紧密相关的关键基础学科之一。通过力学教育,学生可成长为应用现有技术进行产品研发的工程师以及开展原始技术创新的工程科学家[2]。近些年来,力学也出现了诸如生物力学、仿生力学等新的交叉研究领域,呈现出介质交叉、层次交叉、质智交叉、刚柔交叉等多学科深度融合的鲜明特征[3]。

如何基于上述力学交叉前沿有效开展力学跨学科教育,培养具有创新创业能力、跨界整合能力、学科交叉融合的高素质工程技术人才,是力学服务新工科建设亟需解决的关键问题之一。作为学科教育的核心要素,课程是实现人才培养目标的具体形式和有效抓手。因此,如何推进力学跨学科课程建设,与优化学科结构、创新培养模式、建立跨学科团队等其他措施同等重要。本文以生物力学与仿生跨学科课程为例,对当前力学专业的培养现状和问题进行分析,并对所开展的针对性措施及其实施经验进行总结。

1 现状及问题

1.1 学生对跨学科领域缺少了解

学生需要掌握相对较多的专业基础知识,才能更好地对学科交叉前沿内容形成深入理解。因此,学科交叉前沿内容相关的课程一般会安排在大三或大四年级。然而,由于体现专业特征的课程开设较晚,学生已在基础课学习过程中逐渐消磨掉了学习热情,错过了激发学生专业兴趣和发展潜力的最佳时机[4]。此外,即使通过课程学习对该学科交叉方向产生了兴趣,由于学制安排,往往也缺少足够的时间来系统提升相关的知识及能力。

1.2 教师对跨学科课程内容定位不清

以麻省理工学院的跨学科课程为例,主要有教师自主设计所授课程中的跨学科内容、来自不同学科的学生共同进行课程学习、以及不同学科教师共同开设跨学科课程三种形式[5]。在我国,目前的跨学科课程多是第一种形式。然而,这种跨学科课程较易造成学生获得知识的碎片离散化,更无法形成多学科的系统性思维。艾伦·雷普克[6]在《如何进行跨学科研究》中明确指出：“假如每个课程都必须重新开始的话,跨学科研究课程就无法令交叉学科更深刻、更完备”。因此,对力学跨学科课程内容进行准确定位,处理好与前后课程内容的内在联系和铺垫呼应,是跨学科课程教师面临的一个主要问题。

1.3 跨学科课程教学方式单一

学科交叉领域新产生的知识信息量每两年即增加一倍[7]。因此,跨学科课程只有及时吸纳当前最新的研究成果,才能使学生具备最新的科学知识和研究技能。但是,由于力学交叉学科领域的实验设备多数价格昂贵,用于教学的相关实验项目较少,目前的跨学科课程仍以知识讲解和前沿讲座等为主。新技术、新理论相关的实验教学环节缺失,使学生丧失了进行实际操作和锻炼动手能力的机会,导致新工科人才跨学科创新能力的培养效果大打折扣。

2 措施

2.1 与低年级通识教育相结合

生物力学导论是笔者面向力学专业大三学生开设的专业选修课,共32 学时(其中实验6 学时),主要讲解生物运动的力学机理、生物表界面润湿机制、细胞的多场耦合力学特性等生物力学与仿生领域的前沿成果,旨在提升力学专业学生对跨学科领域的认知,形成运用多学科方法分析解决问题的综合能力。在新工科建设背景下,自2020 年开始将生物力学导论课程增设为通专融合型公共选修课。课程主要以形象有趣的生物现象和功能为导引,通过先进技术的实验分析来揭示其力学特征和机理,并进一步展示该成果在现实生活中的应用情况。课程考核以考查方式开展,调研报告占50%、实验报告占30%、课堂作业占20%。该课程通过与低年级通识教育相结合,吸引了全校五十余名学生选修,有效地激发了低年级学生对跨学科领域的兴趣。例如,学生自主确定调研报告主题,涵盖了昆虫外骨骼、动物运动原理、生物集群行为、仿生微结构等多方面(如表1 所示),报告中既有对当前研究现状的总结,还有在现状调研基础上提出的创新想法。

表1 生物力学导论学生调研报告典型题目

2.2 与基础力学课程相结合

跨学科教育不仅可以作为独立的一门课程出现,还可嵌入到现有课程中进行呈现,通过前后相关课程内容的相互融合,使学生能够形成完整的跨学科思维和解决问题的能力[8]。因此,力学跨学科课程建设还要注重与基础力学课程相结合。对实际案例的分析是基础力学课程开展教学的重要方式,是学生学习如何应用力学理论最为直接的途径。在基础力学课程案例库中引入跨学科案例,既能使学生在深入理解理论的同时拓宽视野,又能为今后的跨学科课程学习进行铺垫,有助于形成解决复杂问题的综合创新能力[9]。

结合笔者在基础力学教学中的经验与思考,发现在理论力学课程教学中较易引入运动生物力学案例,如以武术中的燕式平衡姿势为例讲解静力平衡条件(如图1,其中,Ci为各体段的质心位置,FN为地面支持力)、以芭蕾舞旋转时的小腿内收为例讲解动量矩守恒定律(如图2,其中,实线、圆圈和点画线分别表示人体体段、关节及旋转轴)、以举重支撑状态下的下肢复杠杆[10]为例讲解虚位移原理(如图3)等；在材料力学课程教学中易引入生物固体力学案例,如以骨科临床中提出的人体股骨近端三元素稳定理论[11]为例讲解弯曲内力计算(如图4)、以动物骨骼的中空结构为例讲解抗弯刚度、以竹节虫细长下肢的着陆分析[12]为例讲解压杆稳定(如图5) 等。此外,今后在力学其他课程中也可引入相关的跨学科案例,如在力学中的数理方法课程教学中可以骨愈合过程中的细胞分化与增殖[13]为例讲解常微分方程和偏微分方程相关知识等。需要注意的是,在选取与基础力学课程进行融合的跨学科案例时,要保证案例的真实、难度适宜,并体现出研究探索性,还要注意案例需明显体现出力学的枢纽作用,使学生在学习中不被表面的交叉学科知识分散关注点[14]。

图1 理论力学课程教学跨学科案例–– 武术燕式平衡

图2 理论力学课程教学跨学科案例–– 芭蕾舞旋转动作

图3 理论力学课程教学跨学科案例–– 举重

图4 材料力学课程教学跨学科案例–– 股骨近端承载的简化模型及其弯矩分布

2.3 与现代教育技术相结合

作为培养学科交叉复合型卓越工程技术人才的重要途径,实验环节既能巩固和强化学生对新理论和新技术的学习成果,还能有效提升学生的学习兴趣、学习参与度及自主学习能力[15]。在交叉学科实验仪器昂贵、难以用于教学的现实条件下,笔者基于WebGL 技术,使用Unity3D 和Maya 等开发工具,研发了人体运动与肌骨系统生物力学虚拟仿真实验教学平台(如图6 所示),并在2020–2021 学年的生物力学导论课程教学中进行了初步应用。

图6 人体运动与肌骨系统生物力学虚拟仿真实验教学平台

该虚拟仿真实验项目包括人体运动捕捉及分析、骨与软骨压痕测试、软组织拉伸实验三个模块。在人体运动捕捉及分析模块中,学生将学习掌握人体肌骨动力学分析的基本原理和常用测试技术,具体开展步行、跑步等预设动作以及个性化动作下的人体动作捕捉和动力学分析实验；在骨与软骨压痕测试模块中,学生将掌握材料力学特性的压痕理论及基于原子力显微镜的测试技术,具体开展皮质骨、松质骨、关节软骨各向异性力学特性的定量分析实验；在软组织拉伸实验模块中,学生将了解软组织力学测试原理和分析技术,并针对韧带组织的横观各向同性超弹性力学特性以及肌肉组织的主被动收缩特性开展拉伸实验。

3 结语

综上所述,本文围绕我国“新工科”建设背景下的力学跨学科课程建设,以北京理工大学力学系开设的生物力学与仿生课程为例,分析了当前跨学科课程建设中所面临的主要问题,提出了解决问题的针对性措施,并对其实施经验和效果进行总结。主要结论如下。

(1)针对学生对跨学科领域缺少了解的问题,可通过面向低年级学生开设跨学科领域相关的通识教育课程以及开展自选主题调研报告等方式,提升学生对跨学科领域的认知,引发深入学习的兴趣。

(2) 针对教师对跨学科课程内容定位不清的问题,可通过梳理跨学科课程的教学内容,提炼出反映跨学科课程内容的实际案例,融入到前后基础力学课程的教学中,形成力学类课程的内在联系和铺垫呼应,避免跨学科课程内容的碎片化。

(3)针对跨学科课程教学方式单一的问题,可借助现代信息技术,开发虚拟仿真实验教学项目,形成围绕跨学科课程内容的综合创新线上实践平台,提升学生的学习参与度及自主学习能力。

此外,笔者在上述教学实践基础上,今后将在通识课教学模式和实践环节创新、生物力学与仿生课程案例库建设、虚拟仿真实验教学的虚实结合探索、学生跨学科综合创新实践活动开展等方面开展进一步的教学改革实践。