课程思政融入工程力学导论课的探索与实践

刘 君,林小军,蒲 育,张 莉,赵永花

(兰州工业学院 a. 土木工程学院, b. 机电工程学院,甘肃 兰州 730050)

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上明确指出,各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应[1]。我校各教学单位依据“立足兰州、面向甘肃、辐射西部,培养高素质、强基础、重应用、善创新、强能力的应用型本科人才”的办学定位,以课程建设为载体,积极进行理论课与实践环节的思政改革与创新。目前全部专业必修课已实现课程思政全覆盖,建成一批优秀的课程思政示范课。广大教师积极参加学校组织的课程思政建设能力培训及课程思政微课竞赛,育德能力有了本质提高,思政研究方向正向“深、精、广”多维度探索。

工程力学课是多个专业的学科基础必修课,其知识点及拓展应用覆盖了本科阶段的多门专业课和实践环节,在整个课程体系中占有重要地位,所以本课的思政成效对整个课程体系的思政建设有重要影响。就课程内容而言,力学是一门古老的学科,本身蕴含丰富的哲学思想和自然规律,易于挖掘课程相关的思政元素并融入教学,使课程内容富于辩证思想。此外,工程力学的知识点和模型多围绕工程实例展开,便于展开工程伦理教育,引领价值观,激发爱国情怀,培养学生精益求精的工匠精神[2-4]。而导论课作为第一课,思政内容除了要结合授课知识展开,还应做到言之有物,充实有实质,而非泛泛而谈。

1 工程力学导论课的任务

根据课程大纲安排,课程导论为首堂课,其授课内容主要为:师生互相认识;老师介绍课程内容组成和各部分间的关系、学习目标及要求;给出关于本门课的学习建议。概而言之,就是讲清学什么→为何学→怎么学这三个问题。授课内容中没有具体的知识点,以老师介绍为主,难免枯燥。因此,围绕三个问题大力挖掘思政元素并巧妙构思融入课程,可使本堂课生动鲜活,导论课起到激发学习兴趣的关键作用。

首先,教学者应介绍“学什么”并引入恰当的思政点。以往介绍课程时,重点是介绍课程的教学单元内容及各单元之间的逻辑关系,课程的教学安排,让学生了解课程的整体结构和教学进度。笔者对多年教学过程进行了反思和总结,认为可以结合哲学原理中“运动与静止”的关系,引导学生用发展的观点看课程。一是力学知识的发展。从阿基米德杠杆撬动地球的故事到现代社会的擎天大厦、跨海大桥,从蛟龙号探索海底到天宫号遨游苍穹,力学对科学技术的进步和人类社会的发展做出了重大贡献。二是本课与前、后续课程的联系。例如工程力学开课前,学生已完成了大学物理课程中力学部分的学习,涉及到质点、质点系及刚体的平衡与运动。那么工程力学与前面学到的力学知识区别在哪里?老师给出的答案为本课程从工程实际出发,将工程问题抽象为力学模型,采用力学方法进行理论分析,并结合试验手段修正理论结果。一句话总结——综合运用力学知识解决实际工程问题。这就搭接起前续基础课与专业课间的联系。

其次,“为何学”为思政内容的融入创造了广阔的空间。学习是由内在需要驱动的主动认识世界改造世界的过程。所以内驱力是提高学习成效的关键点。大学生的内驱力主要来源于两点:职业前景和个人兴趣。年轻人无不对自己未来的职业生涯充满憧憬,但由于年龄和经历所限,常出现思想和价值方面的困惑。基于此现象,教学者可以设定深、浅两层思政内容。浅层内容可以结合课程介绍行业发展前景,鼓励学生进行职业规划,为毕业后的就业就职打基础。深层内容可以引导学生了解课程相关的著名学者及其成就、行业在新中国成立后取得的历史性发展,以此激发学生的爱国热情。这里教师需特别强调,我国目前正处于由制造业大国向制造业强国转型的关键时期,工科领域的青年学子学好知识、掌握专业技能不仅关乎个人发展,更是国家富强民族复兴的需要[5-8]。

“怎么学”是导论课的灵魂,也是寻找思政元素的难点。笔者经过实践探索,认为可以结合若干哲学思想和方法论的知识来介绍力学的学习方法。正如《大学》所云:“物有本末,事有终始,知所先后,则近道矣。”好的学习方法可以起到事半功倍的学习效果。力学的内容源于自然和工程实践,是对实际问题的抽象,所以知识本身蕴含着大量的哲学思想。导论课上教师可以提出几条后面课程中涉及的哲学思想让学生回顾。如强度设计问题中安全性与经济性的对立统一关系,采用动力学三大定理的哪条处理动力学问题需要结合具体问题具体分析,细长杆件的稳定性问题是主要矛盾,工程中需要重点关注解决,强度和刚度问题为次要矛盾等等,任课教师可以结合内容细细挖掘。强调依据哲学原理处理力学问题的目的,一是与思政类课程同向而行、协同教学,二是利于知识点的提炼,对专业知识的传授起到“画龙点睛”的效果。

2 工程力学导论课的思政素材

思政的载体是专业知识,思政点必须围绕课程知识展开,专业知识与思政内容要相辅相成,不能相互孤立。笔者根据工程力学导论课的内容并结合多年教学心得,提出两项素材与同行交流。

2.1 课程内容介绍与力学史、力学家

工程力学内容主要解决质点及质点系的机械运动(包括平衡)、变形杆件的强度、刚度和稳定性问题。教师向学生介绍时,可以请学生思考问题:“什么是力?这一概念是谁最先提出的?力与运动的关系如何?”古希腊的亚里士多德对力有过阐释,而真正给出“力”这一概念的是大名鼎鼎的物理学家牛顿。顺着这一话题,可以以时间线为轴线,介绍力学史上重要人物及其主要成就,使学生对整个力学发展有简单的了解。很多科学家及成就学生已有所耳闻,此时容易激发学生的学习兴趣。

2.1.1 力学发展简史

1) 17世纪之前。古希腊学者亚里士多德,提出“体积相等的两个物体,较重的下落得较快”;“力学之父”阿基米德提出浮力原理;荷兰数学家斯蒂文于1586年出版巨著《静力学原理》,建立了静力学基础;德国天文学家凯普勒在“日心说”的基础上,通过分析大量观测数据,归纳得到了行星运动三大定律;集大成者意大利物理学家、天文学家伽利略,在比萨斜塔上当众完成了自由落体试验,以事实推翻了亚里士多德的断言。他还通过多次斜面落体试验,总结得到了正确的落体运动规律。因在多个领域取得的卓越成就,伽利略获得了“欧洲近代自然科学创始人”“观测天文学之父”“近代物理学之父”“近代科学之父”等诸多荣誉[9]。

2) 17世纪。天文学、力学和数学三个方面出现结合,将自然科学的发展推进到“科学时代”。牛顿,首先在伽利略和他自己的大量试验基础上把实践的结果上升为理论,大胆提出了有名的牛顿三大运动定律和万有引力定律。1687年出版的《自然哲学的数学原理》标志着经典力学(也称古典力学)的建立[10]。

3) 18至19世纪。从18至19世纪末,力学和数学相互促进并发展,经典力学进一步发展。拉格朗日通过引进广义坐标,引进了拉格朗日函数并推导了有名的拉格朗日方程组建立了“分析力学”。1834年英国数学家哈密尔顿建立了以积分形式的变分原理为基础的分析力学,将经典力学推向巅峰[9-10]。同一时期,数学出现了泛函理论、欧拉-拉格朗日的变分原理。流体力学方面,由法国科学家纳维于1821年和英国物理学家斯托克斯于1845年分别建立纳维-斯托克斯方程[11];电动力学方面,麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组,创立了经典电动力学,并且预言了电磁波的存在,提出了光的电磁说;统计力学方面,玻尔兹曼推广了麦克斯韦的工作,1871年提出了麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

4) 20世纪至今。德国物理学家普朗克1900年于报告中提出能量子概念和普朗克常数,宣告量子论诞生和一场新物理学革命。1905年爱因斯坦在论文《论动体的电动力学》中独立而完整地提出狭义相对性原理,开创物理学的新纪元。而普朗克和爱因斯坦的成果标志着物理学与力学的分家[9]。

2.1.2 著名力学家

20世纪始,航空航天等现代工业的发展促进了应用力学的产生,诞生了普朗特、铁木辛柯、冯卡门、钱学森等一批力学大师。钱学森大师指出,力学是任务是运用力学理论协助工程师、设计师解决在工程和生产实践中遇到的、超出其知识范围的新问题[12]。这无疑深刻揭示了工科人员学习力学的必要性。20世纪30年代,国际理论与应用力学联合会成立。目前,国际应用力学领域的最高奖为Timoshenko奖。截至2021年,共有三位华人学者获奖,分别是林家翘(1975年获得)、冯元桢(1991年获得)、高华健(2021年获得)。

介绍力学史和力学家的目的有三个,一是使学生认识到力学同其他学科一样,是不断向前动态发展的。今日所学知识来源于千年智慧的总结,所以要善于积累;二是让学生明白,科学发展的道路不仅曲折漫长且无终点,想要有突破取得成就,更需要有怀疑和创新;三是了解历史上不利于力学进步的诸多因素,这些因素也是影响整个科学和社会进步的因素,如各种形态的唯心主义和功利主义。不论是大学学习阶段还是步入社会工作阶段,遇到这些问题都要坚定批判和摒弃,笃定学习信念,培养科学精神,达到学史明理,学史增信,学史崇德,学史力行的思政目的。

2.2 爱国主义熏陶与力学在中国的发展

前面介绍力学史和力学家时,很少出现中国的身影。是否中国古代和现代就没有力学之说呢?教师可以从力学角度出发,介绍行业的产生、发展及前景。这个过程中可以结合社会制度的发展,介绍我国科学技术发展简史——从早期的辉煌灿烂到后来封建专制下的沉没,再至新中国建立后的崛起。这部分内容处处体现家国情怀和民族精神,是激发学生爱党、爱国情怀的好时机。

2.2.1 中国古代的力学发展

战国时期墨家著作《墨经》中,出现了“力,重之谓”“力者,形之所奋也”的语句[13],这是古代中国人从感悟出发对“力”作出的最早描述。中国古代有句成语“北人无弓匠,南人无船工”,在两千多年的岁月长河中,力学的身影一直出现在“匠”的领域范畴,即天文、土木、水利、交通甚至军事领域,但并不作为独立的学科。东汉郑玄在其所著《考工记·马人》有:“假令弓力胜三石,引之中三尺,驰其弦,以绳缓擐之,每加物一石,则张一尺。”加物一石,物张一尺,表明施加的力与变形量成正比,这比英国科学家胡克提出的“胡克定律”早1 500多年。宋代李诫所著《营造法式》中有“凡梁之大小,若随其广分为三分,以二分为厚”,意思是从原木中取矩形截面梁时,宽高比为3/2=1.5为最合适,这一结论与《材料力学》的高宽比为1.414的结论基本吻合。比意大利的达·芬奇提出的“梁的强度与长度成反比,与宽度成正比”早400多年,文艺复兴后期天文学革命引领西方进入科学时代,而此时正值中国的元明两朝,封建专制空前加强,“朕即真理”的皇权思想摧毁了大众的逻辑思辨能力,一切科学思想被扼杀,这以后中国的力学发展远远落后于西方,中国的科学进步也自此停滞不前,东方开始落后于西方。朱照宣指出:主要原因是社会制度造成的,其次是中国的科学传统上、科学思想方法上的原因造成的[14]。直至清朝末年,在严复译著《天演论》中出现“名、数、质、力,四者之学是也”的语句,这是近代关于力和力学的首次出现。1906年清政府审定的第一本大学力学教科书是英国人马格那著、严文炳翻译译《力学课编》。

2.2.2 力学在新中国的发展

力学真正作为一门独立学科在中国大发展是在新中国建立之后。1957年2月,钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀等著名力学家创建清华大学力学研究班,分为固体力学与流体力学两个班,为我国的社会主义建设培养高级力学研究人才。三届力学班共招收学员309人,这些学生成为我国首批力学科研和教学方面的骨干,为新中国各行各业的发展做出了重要的贡献,力学界知名的学者大都出自这一研究班。

几十年来无数力学工作者投身于于航空航天、国防、基建等重大高科技成果的建设中,新中国的社会主义建设取得了举世瞩目的成就,中华民族在民族复兴的道路上奋勇向前,这些都显示了中国共产党领导下中国特色社会主义制度的优越性,对于引导学生增强对党的创新理论的政治认同、思想认同、情感认同,坚定中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信,坚定理想信念,坚定政治立场、强化责任担当意识有重大教育价值。

3 结语

随着课程思政建设工作的逐步展开和推进,我校工程力学课程思政的研究重点已细化至每节课。做好首堂课——导论课的思政教学工作对整门课的思政教学尤为重要。本文以导论课的思政教学为研究目标,不仅详细分析了本次课的授课内容及匹配的思政元素,还对思政元素融入课程的具体方式给出建议。如此安排的思政内容使导论课生动鲜活,学生对课程内容感兴趣,感到学习的内容有用,内心深处激发出想学、爱学的热情,潜移默化地增强了学生的爱国意识,课堂成为培养学生道德品质的主阵地。本文例举的思政元素较多,同样适合其他基础力学课程的导论课。由于课时有限,老师可以根据学科特点和学情进行筛选,特别要控制知识内容与思政内容的合理占比,且二者的衔接应自然流畅。本文没有讨论思政教学的评价内容,如何建立高效、科学的课程评价系统是下一阶段的研究方向。评价系统应多元化扩展,知识传授与育德教育并重,不应局限于只评专业、评学习,还应反映学生的情感、认知、价值观等人文因素。