力学专业导论课程的建设与实践1)

赵颖涛 马少鹏

*(北京理工大学宇航学院力学系,北京 100081)

†(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

力学在自然科学发展史中占有极其重要的地位,它兼具科学和工程的双重属性,在国家战略安全和国计民生中具有广泛的应用。与20 世纪五六十年代的力学大师云集、两弹一星工程引发的力学热相对比,21 世纪的力学日益沦落成了“冷门专业”,学生报考热情持续下降,再加上为应付高考长期刷题也对学生的学习兴趣有着很大的负面影响。入校后则由于缺乏对力学专业的认知,不了解“力学是什么”和“力学能干什么”,从而陷入对专业的迷茫。学生的大学生活刚开始就处于这种状态显然不利于学生的成长。为了解决这些问题,引导学生在大学期间具有明确的学习目标,力学类专业导论课程的开设就具有了必要性和紧迫性。

值得一提的是,近些年我国教育部门和各个高校也明显注意到了这个问题。教育部要求高校各个专业积极开设专业导论课程,并对该类课程的开设进行了相关鼓励和引导。教育部高教司下发的《关于2013 年精品视频公开课专业导论类课程建设工作的通知》[1]要求专业导论课程要帮助学生了解“各专业类相应专业内涵特点、主要学科知识和课程体系、人才培养目标要求和实现途径、专业发展历程和发展方向、专业与行业职业的关系和联系、学校的人才培养特色和学科特色、相关学科专业及国外相应专业发展状况等”,“使学生和社会公众适度了解各学科专业的特性及学术前沿,为其学习和工作提供指引、支持和帮助”。这对各高校专业导论课程的开展和建设起了积极的推动作用。目前,国内一些力学专业已经开设或者正在筹建相关专业导论型课程,如笔者在北京理工大学开设的“力学概论”[2]、天津大学姜楠教授等开设的“诗情画意谈力学”[3]、上海大学楚海建教授等开设的“无处不在的力学”[4]、浙江大学杨卫院士和赵沛老师开设的“力学导论”[5]、西安交通大学申胜平教授等开设的“力学与工程”、北京航空航天大学陈玉丽教授等开设的“空天力学概论” 等等,均取得了较好的成效。

本文基于北京理工大学开设“力学概论”课程的实践经验,对专业导论型课程的筹备、设计、组织及开展等各个环节进行总结和分析,以期为兄弟院校的专业导论型课程开展和建设提供一定的参考和借鉴。

1 课程目标与定位

学生培养是一个系统工程,指望单独一门课程解决多个宏大的问题是难以做到的。开设“力学概论” 课程是笔者倡议的“兴趣引导型教学模式”[2]的第一个重要环节,其定位是针对性解决上文提出的大学新生入学遇到的“兴趣缺失” 和“对专业的迷茫”这两个关键问题。为此,“力学概论” 的课程目标设定如下。

(1) 了解力学/力学是什么：让学生了解力学的内涵和外延,了解力学的各个研究方向及相关领域；

(2) 力学有用/力学能干什么：让学生了解到力学在自然科学中的重要地位及其在现代工程技术中的基础性作用,及早了解力学学科的前沿问题；

(3) 力学有趣/趣味性：培养学生对力学乃至整个自然科学的兴趣,点燃学生的好奇心,激发学生对科学的热爱与自主学习热情。

其中目标(1) 和(2) 对应学生对专业迷茫的问题,偏重于知识性和实用性,目标(3)对应于兴趣培养问题,偏重于趣味性。

朱易经常听爸爸对她讲，提到中国体育的弱项，很多人马上就会想到足球，其实女子花滑也一直差强人意，自1995年陈露在英国伯明翰举办的世锦赛中完成几代人的心愿，成为中国花样滑冰的第一个世界冠军后，女单长期陷入“寒冬”。朱易还了解到，陈露在三年后的日本长野冬奥会，以《梁祝》独舞夺取铜牌，这也是中国女子单人滑在冬奥会上的最佳战绩。从此，她被誉为“冰上蝴蝶”，闻名天下。可是，自从她退役后，中国女子单人滑就一直显得比较沉寂，令人扼腕叹息。朱易说，也许正因如此，爸爸才非常“怀念”陈露，以至于自己也成了这位“冰上蝴蝶”的粉丝。所以，她放弃了其他爱好，把更多的精力用在了滑冰上。

“力学概论” 课程的定位也赋予了该课程“双刃剑” 属性,优则双赢,劣则双输。好的专业导论课程可以激发学生的学习兴趣,并让学生体会到专业的强大和光明前途,从此爱上专业,努力学习。而如果开设的效果不好,将一些学生直接劝退转专业也未可知。因此对于专业导论课程的设计、组织和开展必须认真对待。

2 课程的设计

2.1 课程设计思路

“力学概论” 的课程设计思路很大程度上借鉴了笔者本科阶段在北京大学力学系学习“力学概论”课程的经验：北京大学力学系组织本专业的著名教授轮流为一年级新生进行一系列专家讲座,讲座内容主要为教授们的研究内容及相关思考。然而遗憾的是,虽然系里组织动员了不少大牌教授前来授课,而课程结束后,给作者留下深刻印象的只有王大钧教授演示的“龙洗” 现象,其他内容则少有印象。

以自身的上课经历和学习效果作为基本参考,笔者认为自己对该课程印象不深的原因主要是受限于当时的认知水平。该课程的授课对象是刚刚迈入大学校园、平均知识水平略高于高三的大一新生们,而其时学生们尚未接触专业的基础知识(甚至还未有微积分的基本概念)。在这种状态下,要让学生在一个学期内系统地了解和理解整个专业的研究内容、研究方法,会颇为困难。“专业” 的内容一定会让同学们望而生畏,难以达到想要的效果,即便授课教师是本领域的著名专家学者,也依然如此。如果换一个角度,授课教师能利用生活中的一些有趣现象或者工程的实际案例,通过巧妙的教学设计,给予力学的解决方案并加以解释,则可能会给学生留下深刻的印象,达到授课目的。

也即是说,对课程的设计必需基于学生的知识结构和认知水平。尤其是作为专业启蒙的导论课程,更需要认真设计。基于自己的学习经历,笔者认为专业导论型课程不应该被赋予更多“专业”属性,而应该具有更多“科普”属性,以培养兴趣、点燃好奇心、拓宽视野作为教学主要目标。这也是笔者为北京理工大学本科生开设力学概论课程的设计思路和指导原则。

2.2 课程开展形式

目前国内力学类专业导论型课程的开展有两种形式：一种由多位教师共同主讲,联合授课,如北京理工大学、西安交通大学、上海大学、北京航空航天大学等；一种由1～2 位教师负责完整讲授,如浙江大学等。两种形式各有特色,可以相互借鉴。前一种模式在课程内容和组织安排上更加灵活,而后一种模式在课程内容的系统性和体系化方面更有优势。

考虑到学生的知识结构和接受能力,笔者认为多位教师联合授课的“专家讲座” 形式可能更适合大多数学校的专业导论课程。理由如下：大一学生知识储备较少,难以理解较深的专业内容,这是专业导论型课程开设过程中最大的难点,因此,如何将力学各个领域的主要研究内容讲的浅显易懂又不浮于表面,对授课教师来说是一个很大的挑战。一般来说,深入方能浅出,只有对专业某一领域有过深入的研究,才能把该领域的核心内容和深刻思想用生动浅显的语言讲述出来。按照武际可先生的说法,“要教好课,除了对课程内容有透彻的理解外,还要有两个条件。这两个条件一是要能用通俗的语言将所教的东西讲给学生,二是对所讲东西的来龙去脉比较清楚。只有这样,所讲的课才能引起学生的兴趣,教学才会达到预期的效果”[6]。然而,在力学各个研究领域分工越来越细的情况下,博学多才、对整个学科都有深刻认识的通才专家现在较少,还能够对整个学科都能够讲得深入浅出的专家就更少了。

因此,笔者在设计北京理工大学“力学概论”课程的时候,采用了多位教师联合授课的模式,将课程形式定为“专家讲座、百家争鸣” 八个字。专家讲座是课程的统一形式,百家争鸣则体现多样性特色。其中百家争鸣有两个含义：(1) 多研究方向,内容尽量涵盖力学的各个专业方向及相关研究领域,避免内容以偏概全；(2) 多单位合作,邀请不同特色的高校或工程领域专家一起授课,可以避免一家之言。

2.3 课程内容

课程内容的设计建议遵循如下几个原则。(1)包含力学知识体系的主体内容,包括：力学总体概貌(包括什么是力学、力学简史等)；力学三个主要的二级学科(固体力学、流体力学、动力学与控制)；力学的相关领域和交叉学科；力学与工程的关系等；(2)课程内容应紧密结合学科前沿和国家需求；(3)课程内容应密切联系生产生活与工程实践。这些原则充分体现课程内容的知识性和实用性,对提升学生的专业认知、了解学科特色和前沿科学问题具有重要的作用。

3 北京理工大学“力学概论” 课程的建设实践

3.1 课程的筹备

笔者在为力学系学生授课的过程中,发现很多学生对力学课程学习的主动性明显缺乏。经过两年左右的深入调研,笔者发现“兴趣缺失” 和“缺乏专业认知”是学生缺乏学习自主性的关键原因,于是决心以“兴趣引导” 作为切入点改变学生的学习状态。力学系教师商议尝试一些可行的改革措施来改变这种状况,其中最主要的举措就是增加专业导论课程和实践类课程[2]。该想法契合时任院长胡更开教授倡导的“研教结合”教学理念,得到了胡更开教授的肯定和支持,并得到了时任校长胡海岩院士的热情回应。2009 年“力学概论” 和“科研训练” 写入新的教学计划,其中专业导论课程(“力学概论”) 由笔者负责,实践类课程(“科研训练”)由马少鹏教授负责。笔者以北京大学“力学概论” 课程的组织思路为蓝本,确定了课程定位和目标,完成了对课程的设计,并制订了初步的教学计划和教学大纲,将课程设为1个学分,共16 学时,课程形式为专家讲座。

为了确保“力学概论” 课程能取得预期的效果,笔者特意为学生安排了一次“预授课”。2009 年3 月27 日,笔者邀请了天津大学力学系的王振东教授为学生作了一次题为“稳定性与非稳定性” 的科普报告。王振东教授的报告从诗词佳句入手,将诗词中描绘的自然现象和流体力学的知识交融在一起,让学生体会诗情画意之美的同时感受科学之力,引燃了学生对美妙流体力学世界的好奇心和探索未知世界的热情,受到了学生的热烈欢迎。这次报告的成功证明了课程定位的正确性,也增强了笔者对开展“力学概论” 课程的信心。

3.2 课程的开展和完善

“力学概论” 课程于2009 年秋季学期开设。由于担心大学一年级新生没有学过微积分,理解部分力学概念可能存在困难,部分任课教师建议第一轮授课面向大二学生。授课教师以宇航学院力学系教师为主,包括胡海岩院士、胡更开教授、季葆华教授、马少鹏教授和笔者本人,外请教授仅邀请了力学界著名学者、科普专家、北京大学力学系教授武际可先生。授课团队包括老中青三代,内容包括什么是力学、力学与工程、固体力学、动力学与控制、生物力学和实验力学等方面的内容。第一次开课得到了学生们的热烈欢迎,还吸引了众多的旁听生前来上课。尤其是武际可先生和胡海岩院士的报告,教室里站满了慕名而来的年轻学子,反响异常热烈。

需要特别说明的是,课程的开展和课程的设计是两个有密切联系但又完全不同的环节,需要更加慎重对待。课程设计相当于制作一份好的菜谱,课程的开展则是做菜的过程。菜能否做的可口,关键在于厨师。对照一个好的菜谱,有的厨师可以做出美味佳肴,而有的厨师则可能做出清汤寡水。同理,课程能否开好的关键是授课教师。基于这个认知和对专业导论课程“双刃剑”属性的深刻体会,笔者对授课专家的选择非常谨慎。武际可先生作为力学界的知名专家和力学科普的先行者,不仅对力学领域有着深刻的认识和独到的见解,还善于把深奥的知识讲解得生动有趣又发人深思,这样的名家是专业导论型课程的首选。同时考虑到授课的持续性和课程组织的便利,本校教师应作为授课主力,同城市兄弟院校的学者是外请专家的优先之选。受限于笔者当时的见识和人际交往的不足,第一轮授课的校外专家只邀请了武际可先生,但依然达到了满意的授课效果。

考虑到专业导论型课程的开设目的还是为了解决大一新生存在的“兴趣缺失” 和“缺乏专业认知”问题,第一次课程结束后,笔者建议“力学概论” 还是放回新生刚入学的第一学期,并得到了所有授课教师的同意。第二轮课程开课时变成了力学专业和飞行器设计专业的必修课,共计约150 人选课。同时授课团队也得到加强,授课内容进一步完善：两位深受学生喜爱的老师–– 清华大学航天航空学院的朱克勤教授和殷雅俊教授加入授课队伍(两位专家均由北京大学王敏中教授推荐),补充了“流体力学概论” 和“力学的美和妙” 两讲内容,课程已经变为8 次讲座。2012 年,中科院力学所的刘青泉研究员加入授课队伍(胡更开教授推荐)。由于课时的限制,笔者退出了授课,致力于课程的组织和建设工作。至此,该课程形成了稳定的“4+4” 授课模式,授课队伍为校内四位专家+ 校外四位专家,授课内容也涵盖了力学知识体系的主体内容,包括：力学之美、力学与工程、力学三个主要的二级学科、力学相关领域和交叉学科等(见表1)。

表1 “力学概论” 课程的演进与完善

经过五个授课周期的迭代和改进,“力学概论”也变得愈来愈成熟和完善,受欢迎程度也与日俱增。课程不仅在学生之间有着广泛的好口碑,在业内和兄弟院校间也产生了一定的影响力。

由于每年结课都会收到许多学生反馈要求增加讲座和学时,笔者于2017 年趁学校修订教学计划之机,对“力学概论” 的教学大纲加以修改,将课程增加8 个学时,“4+4” 模式变更为“4+4+X” 模式,其中“4+4” 为每年相对固定的授课内容,“X” 为新增加的授课内容。“4+4” 充分保证授课内容的完整性和授课队伍的稳定性,“X” 保持授课内容的持续更新并增加课程灵活性。另外课程还有几个变动：考虑到武际可先生和朱克勤先生年事已高,由笔者和彭杰研究员分别代替两位先生讲授相关内容；季葆华教授由于工作单位变动,由北京理工大学先进材料与结构研究院的陈少华教授代替讲授生物力学方向的相关内容(“生物力学与仿生材料”)。2017 年的授课内容邀请了北京大学力学系的唐少强教授为学生解惑力学与数学的关系(“力学应用与数学基础”),重新安排了“什么是力学” 和“课程总结与讨论”。

按照笔者的计划,2017 年教学计划的调整是一个崭新的开始,“4+4+X” 模式让课程的建设有了更多可能：邀请更多的授课专家,打造灵活的授课团队,拓宽课程的授课内容,并让“百家争鸣” 得到更好的体现,并可以保证课程的持续更新,让课程保持活力。

3.3 课程停开

随着大类招生和书院制在北京理工大学的推行,力学专业新生进入精工书院(包括宇航、机电两个学院) 进行统一培养,教学计划也作了相应的改变。精工书院推出了“学科动态与科学素养”课程,邀请书院多个专业的学者为大一新生介绍各专业方向的学科前沿与研究进展,和“力学概论”课程的部分内容有重合相似之处。自2018 年起,“力学概论”课程由精工书院多个专业共同组织的“学科动态与科学素养” 课程代替。

4 课程的影响

“力学概论” 课程在2009–2017 年的开课周期内,累计约800 名学生完成课程学习。课程受到学生的热烈欢迎,也得到了业内专家的一致好评。

首先,课程在学生中间有着广泛的影响,并赢得了交口赞誉。这从学生们的评价中可见一二：“······经过这八次讲座,我感觉收获颇丰。其实大部分不是来自知识层面,主要是这门课程使我对力学产生了浓厚的兴趣,使我更爱力学······”；“······老师们所从事的研究也不像我想象中那么枯燥无味,让我也产生了向往,如果可以每天和这么神奇和美丽的科学为伴也不失为有意义的人生······”；“······至少从学生的角度而言,这是一种享受。这才是我进大学之前想象中的大学,这才是培养学生兴趣和研究能力的大学课程······” 等等。而学生反馈的意见和建议最多的是“意犹未尽”、“建议增加讲座和学时”,足以说明课程的魅力。课程不仅为同学们带来了知识的盛宴,更多的是精神和价值观层面的熏陶。武际可先生从第一次开课一直坚持为学生授课至80岁,他的博学多才、对教育事业的热爱和执着深深地影响了一届又一届的青年学子。胡海岩院士的渊博学识让同学们叹服,他的授课让新生刚入校就获得和大师(也是校长) 的交流和对话机会,也为学生的大学生活带来别样的惊喜和体验。朱克勤、胡更开等各位教授对科研的专注、对教育的热情和对课程认真负责的精神都给同学们留下深刻的印象。对照课程目标,可以说“力学概论” 达到了预期的效果。

其次,“力学概论” 课程在兄弟院校间也有着一定的影响力,并获得了业内专家的认可。胡更开教授和马少鹏教授受邀在力学类专业教学指导委员会工作会议上介绍课程建设经验。笔者多次在中国力学大会、力学本科教学研讨会、北京力学会年会等会议上介绍该课程的建设情况,并受邀与兄弟院校针对该课程进行深入交流。2015 年,“力学概论” 由力学类专业教指委推荐申报国家级“精品视频公开课”,获得了评审专家的高度评价,并顺利获批。同年上线“爱课程” 网,连续多日被置于网站首页作为重点推介课程。目前,仅“爱课程” 网就获得超过18 000 多人次进行学习。

笔者和业内学者的交流过程中,也吸引了一些著名专家表示愿意积极参与该课程的授课和建设,为后续规划的“4+4+X” 模式提供了灵活的授课专家队伍。

5 结论

作为新生的专业启蒙课程,专业导论课程承载着太多的使命,而其双刃剑属性也给课程的开设增加了许多困难。因此专业导论课程从设计到开展的每个环节,都需要慎之又慎。恰当的课程定位、完善的课程设计和精心的课程组织,都是影响课程成败的关键环节。一门优秀的专业导论课程,可能会改变学生的学习生活轨迹,为一个专业的人才培养带来一个完美的开端,专业导论型课程的建设也会日益成为各个高校课程建设的重要内容。

致谢课程的顺利开展离不开各位前辈、同仁和兄弟院校的支持和鼓励,更离不开北京理工大学宇航学院领导和同事的大力支持,在此表示衷心的感谢。并特别致谢参与课程授课和建设的各位专家学者：北京理工大学宇航学院胡海岩院士、胡更开教授、季葆华教授(现为浙江大学航空航天学院教授)、马少鹏教授(现为上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授),先进材料与结构研究院的陈少华教授,北京大学力学系武际可教授、唐少强教授、王敏中教授,清华大学航天航空学院朱克勤教授、殷雅俊教授、彭杰研究员,中科院力学所刘青泉研究员(现为北京理工大学力学系教授),天津大学力学系王振东教授。同时感谢力学类专业教学指导委员会对本课程申报精品课程的推荐和支持。感谢国防科技大学雷勇军教授、北京大学唐少强教授对本文提出的修改意见和建议。