新农科建设中基础课程如何更充分地发挥强基固本作用<br/>——以“理论力学”为例

新农科建设中基础课程如何更充分地发挥强基固本作用
——以“理论力学”为例

2023-08-25李宝辉杨艳李会军

中国农业教育 2023年3期

李宝辉,杨艳,李会军

(西北农林科技大学,陕西杨凌 712100)

一、引言

新时代背景下,没有一个学科是孤岛,也没有一个产业能够封闭自全。现代农业就是建立在现代工业和现代科学技术基础之上,充分融入现代市场理念和经营管理知识的农业形态[1］。与传统农业产业的单一性特征不同,现代农业是一种一二三产业融合发展的新型农业产业模式。深度融合意味着学科交叉,要从新视角审视农业相关问题,要用新方法解决农业工程问题,这种“新”需从多学科交叉中萌生,要在博采众长中获得,这便对农业院校高度专业化、技术化的教学方式和人才培养模式提出了新的挑战[2］。新农科建设就是基于这种背景提出的,其核心就是通过改革现有涉农专业,为国家乡村振兴战略培养创新型人才。

创新型人才是高等教育这棵大树上结出的果实,要想果实丰硕,大树就须根深、枝壮、叶茂[3］。根深指的就是基本功扎实,基础知识牢固,习近平总书记在清华大学110年校庆讲话中指出,高等教育体系是一个有机整体,其内部具有内在的相互依存关系,要用好学科交叉融合的“催化剂”,加强基础学科培养能力,打破学科专业壁垒,对现有学科专业体系进行调整升级,瞄准科技前沿和关键领域,推进新工科、新农科、新医科、新文科建设[4］。

二、力学是强基固本的必备学科

(一) 力学具有基础与应用双重属性

习总书记强调的基础包括数学、物理、力学等,其中力学的地位最为特殊,它具有基础和应用双重属性,既是工程基础,又是工科基础,所使用的工具是应用数学,这也是历史上一段时期称力学专业为数学力学的原因。最初,力学属于物理的一个分支,研究理想状态下物质的运动规律,20世纪初,工业界面临着许多亟待解决的实际问题,最著名的就是如何计算物体在真实流体中运动时的受力,德国的普朗特通过实验观察,提出了著名的边界层理论,这一理论的提出给当时注重理论但难以应用的理论流体力学和便于应用但过分依赖经验的水力学注入了新的活力,直接促成了现代流体力学的诞生,而这也是现代航空工业诞生和飞速发展的理论基础[5］。以此为标志,力学开始告别物理,拥抱工程,在不计其数的工程应用中焕发出勃勃生机,既展现出该学科的应用力量,又不断揭示出新的深刻规律。

力学是工科基础的论断是不言自明的,然而农业院校中力学教学的现状却是边缘化的,原因是与传统涉农专业相比,从原理理论到研究方法两者都相去甚远。然而,力学的生命力就在于应用,与农业相关的工程领域无疑是力学施展拳脚的好地方,如水土保持中涉及的泥沙运动规律,土壤耕作中刀具与土层的力学问题[6］,农业机械装备中的力学问题,农作物生长过程中水分和糖分的输送规律,不同生长阶段各部分对液体的需要,对内因和外因参数进行优化调节,以达到消耗最少而收获最多的目的;土壤、空气和阳光这一大系统中质量与能量间的转换与传输机制等力学问题[5］。

(二) 现代农业需要坚实的力学根基

随着农业生产方式的转变,一二三产业融合的加深,将会面对许多新的基础科学问题和工程技术问题,这为力学的应用提供了广阔的天地。力学作为最早定量化的学科已在多个行业中发挥了至关重要作用,作为现代生物科学、工程技术科学和管理科学融合的典范[6］,现代农业要走集约化、精准化、节能化、环境友好化道路,必然需要与力学融合。

新农科建设是要在传统农科专业交叉融合的基础上,渗透进新工科、新医科、新文科等学科。因此,多学科交叉融合就是新农科建设的灵魂所在[7］,在这样的背景下,农业高校应该培养出具有多学科背景和创新能力的复合型人才,以推动产业升级和乡村振兴战略实施,力学可以发挥积极的作用。

然而,农业院校不可能照搬工科院校的模式开设多门专业力学课程,因为培养目标与应用环境完全不同。要在学生的头脑里生发出力学的原理、思维、方法和能力,需要通过具体的力学课程。教师承担着引导学生思维、传授知识、发展能力的关键纽带作用,所以创新人才培养模式到深处就是课程改革,到痛处就是教师能力提升[2］。通常,农业院校给本科生开设的力学课程较少,一般包括“理论力学”“材料力学”“结构力学”和“弹性力学”,其中,“理论力学”的任务在于阐述最基本的力学原理和最普遍的力学规律,这些基本原理就是人才培养、激发创新的源泉,对基本原理的掌握程度决定着学生能否从纷繁复杂的现象中抓住问题本质,对“理论力学”思维方法的贯彻有利于学生量化能力的培养,从而有助于推动传统农业向精准化、集约化的现代农业方向发展,而这些能力正是新农科建设中人才培养的终极目标。所以,这些大类基础课关系着学生的综合素质,教师应当更加自觉地更新教学理念、创新教学方法[8］。作者多年来一直承担着“理论力学”教学工作,所以本文只针对“理论力学”课程如何更好地服务于新农科人才培养,包括教学中遇到的问题及对解决途径的思考,课堂教学取舍与侧重的探讨,讲授内容的精简与扩充,实践课堂的开设以及力学类系列课程的呼应与递进。

三、 “理论力学”的教学现状

“理论力学”属于力学学科中的一般力学分支,这一分支是最具有基础性质的学科,同时又具有很强的、直接的自然科学和工程技术应用背景,可以说近代力学和科学技术的奠基性发展是从一般力学开始的[5］。“理论力学”课程的核心任务是阐述和建立研究力学对象的数学模型所需的原理和方法,包括矢量力学方法和分析力学方法[9］,因此,“理论力学”便成了基础中的基础。本该聚焦培养学生创新能力的基础课,实际上却给学生留下了枯燥、难懂的印象,造成学生学习动力不足、基础功底虚化及学科视野局限[10］的结果。从多年的授课实践来看,农业院校中学生的力学知识相对较薄弱,导致这种现象的原因复杂多样,很难归因于某一种因素,这里姑且从作者个人的教学经验来谈谈。

第一,“理论力学”课程与其他涉农专业课程思维方法差异较大,由此造成的疏离感会让原本就对专业认知不足的学生误判该课程属于非核心课程,无法意识到这类基础骨干课的根基作用,也就不愿意花心思学。从短期功利角度看,产生这种认识有一定的原因,现实情况就是农业类专业与力学的结合度不高。然而,从长远看,在未来面对新的复杂问题时,学生脑海里能够溯源到的具有指导性的原理、方法明显不足,学生的知识结构中缺少了坚实的基础,也就难以支撑起新技术的突破。

第二,“理论力学”课程中有部分内容学生在物理课中已有了解,导致其思想上懈怠,觉得重复学习没劲,在相关知识上仅停留在泛泛而谈的水平,难以深入潜修,最终的结果是学生只会处理简单的单体力学问题,对涉及体系的力学问题则毫无头绪。

第三,“理论力学”课程的学时压缩变成了讲授内容的砍删,而且遵循 “砍高不砍低”的原则[9］,导致动力学部分内容讲授不足,经典力学的核心内容缺失导致学生的力学训练残缺不全,力学视野狭窄且模糊,力学水平始终在低层次徘徊。

第四,教学模式仍以教师为主,注重原理阐述,应用场景缺乏与专业的衔接,学生参与度低,学生只能跟着老师的思路走,久而久之就抑制了学生批判思维的养成,这种单向的知识传授使学生对知识的掌握多停留在理解层次,很难上升到运用层次。另外,课堂讲授仍然停留在中学或大学物理的层次,以演绎推导为主,忽略了原理的发展历程,无法帮助学生认识学科的完整图景,这种千人一面的讲授方式对学生缺乏吸引力。

第五,评定学生对课程知识掌握情况的方式主要是考试,导致学生的知识应用场景是封闭的、碎片的,当实际综合问题呈现时,很难提出有效的解决方案,这就阻碍了学生综合创新能力的养成。在各种因素综合作用下,学生的成绩不尽理想,这或许就是学生经常笼统反映该课程较难的原因。

四、涉农高校“理论力学”课程的改革方向

(一) 加强教材建设,编写具有农业特色的教材

当下农业院校的“理论力学”教材与工科院校无异,最为经典、采用最广的当数哈工大版[11］,如今已再版八次。这些教材中的例题与习题均取材于常见的机械构件,通过分析这些机构的运动来演绎基本的力学原理,对于工科院校的学生来说,这种做法无可厚非,但对于农业院校学生而言,这样就显得疏离了,在一众农业气息浓郁的课程中,“理论力学”显得些许突兀,学生对这门课在整个专业中的作用会感到困惑。这种困惑会随着专业学习的深入而加剧,因为专业课中涉及的“理论力学”知识仅仅是零星的只语片言,有些甚至完全不涉及。所以,农业院校“理论力学”教材应该有一定比例具有农业特色或来自农业生产的课题,这样有助于“理论力学”以更大的亲和力呈现在学生面前。进一步,通过这些课题的分析和解答,一方面阐明力学普遍规律,更重要的是让学生意识到专业问题的解答还存在一种“理论力学”模式,这样在后续的学习或工作中,学生会自觉不自觉地回到“理论力学”寻求新认识与新感发,这类基础课的骨干作用也会得到学生的认可,也有助于提高学生对专业的认知程度。

(二) 讲授需有取舍,从高层次起步进而形成理论力学思维

现有教材为了自身体系的完整,按照由简单到复杂、由特殊到一般的认知规律将静力学、运动学和动力学三个篇章顺序编排,其中确实有跟物理课重叠的部分,但这完全可以通过讲授方式和侧重的转变加以避免。物理中强调的是质点或单个刚体运动所遵循的普遍规律,而“理论力学”则注重阐明受约束的质点系或刚体系的机械运动规律,重点在如何运用这些规律解决实际工程技术问题。“理论力学”中涉及的每一个运动机构都是从工程中经过合理抽象中而来的,没有凭空的模型。因此,在讲授过程中应从宏观整体观点看待问题,注重工程技术思维的培养,这样学生才能在处理问题的能力上提高一个层次,不至于每遇到系统问题就想着拆开单独处理。比如,静力学部分的重点放在力系的简化与物体系的平衡上;运动学部分精讲合成运动理论;动力学部分先建立起普遍定理对问题的类别化处理方式,再通过综合问题反映出该方法的繁琐性,进而过渡到动力学问题的一般处理方法——达朗贝尔原理和动力学普遍方程。这样打破常规不面面俱到的讲授会在静力学部分节省出一些学时,可为后面动力学重点内容留出更宽裕的时间。另外,静力学与运动学两部分内容并没有逻辑上的先后,完全可以先讲运动学后讲静力学,这样便可以消除学生的似曾相识感,思想上的懈怠自然也就不存在了。这种讲授次序的调整是基于静力学部分精简扼要的前提下,否则将冗长的静力学内容安排在运动学和动力学之间势必会影响运动学知识运用的时效性,效果反而不好。

(三) 充实加强动力学内容,突出力学建模能力培养

“理论力学”的灵魂在动力学部分,学生的力学原理运用能力也大都取决于动力学理论的掌握程度,然而在学时压缩的背景下删减最多的却是动力学部分的内容,这与培养创新型人才的目标是相违背的。能力的培养需经过循序渐进的过程,工科院校中在“理论力学”课程之后大都会安排“数学物理方法”再继之以“振动理论”等课程,目的就在于逐步培养学生应用力学原理解决工程问题的能力,但这两门课在农业院校的本科课程中鲜有安排,那么所缺失的这部分训练就应该在“理论力学”课程讲授中有所体现。手段有二,一是扩充动力学部分的内容,二是改变现有教材的侧重点。现有讲授中动力学部分的内容仍旧是经典牛顿力学的内容,不涉及分析力学的内容,这对学生掌握现代力学方法是不利的,因此需将虚位移原理、动力学普遍方程、拉格朗日方程及哈密顿原理这些内容都纳入进来,所缺的学时从哪里来?就是上面讲到的静力学精简省出一部分,运动学里边点的运动和刚体基本运动中再省出一些。再有就是要改变讲授侧重点,现有教材偏重于培养学生计算运动系统某一瞬时的力学参数,这在工科院校无可厚非,因为还有后续课程接力培养学生的其他能力,可是在缺乏后续课程的农业院校就不妥,于是教师在讲授时不仅要注意培养学生这部分的计算能力,还应该更注意培养学生应用力学原理建立系统运动微分方程的能力——力学建模,因为实际遇到的问题要定量描述第一步就是建模问题。例如,在讲授达朗贝尔原理时以载流管道的振动模型为例,从振动过程中管内流体绝对加速度的表示到系统惯性力的简化,最后运用原理建立其振动微分方程,这一实例虽然超出了刚体的范畴但还在学生的接受范围之内,举该例的重点不是让学生明白管道的振动方程是什么,而是让学生感受实际问题处理中的首要工作是什么。实际上,力学模型建立后还有求解问题,这部分能力可交由高年级的专门课程培养。再比如,动能定理标志着从“力”描述向“能量”描述的转变,是牛顿力学向拉格朗日力学过渡的一个前期准备,学生此时仍处在无意识的“力”惯性状态,这时可以引入动能概念的演化历史,从活力mv2到现在动能的概念,从达朗贝尔到莎特莱再到恩格斯的工作介绍,不仅有助于学生弄明白矢量力学与分析力学在处理问题时的侧重点,而且会给学生留下力学的进步不在于凭空数学技巧的运用,而是依赖于力学观念的改变的印象。幸运的话,科学家的故事还会激发学生求知的内在动力。

(四) 活跃课堂气氛,在交流中生发知识

传统的教学模式以教师为中心,学生的课堂参与度不高,知识的获得依靠单向灌输,这样的知识很难活用,更难以转换为能力;传统以考试为主的考核方式比较单一,对于能力培养也不够,应该多样化,更不必拘泥于形式,考核的目的不是给学生一个成绩而是帮助学生查缺补漏,去伪存真,最终将准确的概念、原理及方法印刻在脑海里。课堂互动就是一种很好的教学模式和考核方式,在彼此的交流中教师要引导学生表达出他对所学内容的认识,在这过程中还要用恰当的问题或例子引导学生对自己的表述进行修正,直到最终获得对内容的正确认识,并在脑海中生发出相应的知识。例如,在运动合成部分,尽可能多地让学生描述动系的选取与三种运动形式,教师引导学生相互补充完善,直到形成准确描述;再如,刚体平面运动中转动角速度的绝对性与相对性探讨;又如,在动量矩定理中抛出问题,相对于质心以外的任意动点动量矩定理是什么样儿?讨论过程中不仅会让学生对非惯性系中的转动问题有初步了解,真正体会到质心在动力学中的重要性,而且避免了教材只介绍相对于质心的动量矩定理的突兀。互动中即使学生回答有误,教师也要予以鼓励,这样可以为学生的成长营造一个宽松的环境,也有助于学生养成乐于表达的习惯,而这对于知识的获取至关重要。比如,一次在运用速度投影定理处理问题时,学生突然提问,对于一个运动机构为何要多次应用投影定理,一次投影不是更简洁吗?这反映出学生对该定理适用条件掌握有所欠缺,教师在讲授中强调过的内容,学生却没有入心,这应该就是讲授方式问题,所以在学生有此疑问时,需要先肯定学生思路想法,然后再让学生自己比较单个刚体与运动机构的不同,最后自己得出适用条件,这样才能理解深刻。优秀的教师还会凝练好的问题,引导学生作更深层次思考,逐步养成独立思考的习惯。要做到这一点,对教师有两方面要求,一是对所教内容了然于胸,二是要有强烈的表达欲望[12］,打心底儿想把自己的理解认识分享给学生。

(五) 开辟实践课堂,让知识从碎片到贯通

农业生产过程中遇到的力学问题都是新问题,也是综合性复杂问题,需要抽象成恰当的力学模型。这个过程既需要力学专业人士敏锐的洞察力、超凡的主要矛盾感知能力,更需要农业人士的经验辅助。所以力学问题从提出到修正到解决到再认识,要有多个专业背景的人员协同完成,这在课堂上是没法做到的,必须到生产一线去。因此,“理论力学”还需要开辟第二课堂——实践课。目前,农科人才培养中实践教学依然是薄弱环节[1,13］,脱离实践的人才培养模式无法满足新农科建设的要求。

实践的目的就是让力学知识变成处理实际问题的能力,让不同学科间的知识碎片变得融会贯通,这就好比打拳,学生学会了套路但不会在实战中运用,实践课的作用在于提供一个应用场景,可以用套路也可以随机应变,总之最后要摸索形成自己的一套打斗风格。比如,学生在实践中发现传统的节水灌溉喷头喷洒出的区域是圆形,容易形成重叠区和空白区,如何设计一种能够喷洒矩形区域的喷头,在这个问题的牵引下,学生自行搜集相关知识,就包括运动学和动力学部分内容,这样以前通过讲解希望达到掌握知识的目标变成了现在解决问题时的附属产品,并且学生体会更加深刻。

实践的另一目的是搜集整理农业相关的力学问题,按照问题属性分类编排,最终由既懂力学又懂农业的人士编写出一部具有鲜明农业特征且适合新农科人才培养的“理论力学”教材,这样的教材可以增加涉农专业学生对课程的亲和力从而消除以往的另类感。归根结底就是将学科交叉融合的成果体现在教材上、课堂中及整个人才培养过程当中。

五、既要自我改造,又要体系协同

力学类课程在整体学时压缩的背景下需要进行系列课程体系内容的优化改革,使每门课程的内容衔接更紧密,内容层次梯度更明显,避免以往内容重叠、呼应缺失的情形。“理论力学”课程内容的掌握不单单是在课堂上,学生需要反复地回顾、温习、实践才能融会贯通,在后续课程的内容设计上理应让“理论力学”中的原理有一个施展的机会,这样在系列课程内容编排上的呼应、顾盼与重温有利于学生将“理论力学”知识转变为分析问题的能力从而长期掌握。然而,目前的情形却是后续“材料力学”与“结构力学”的讲授大都仅限于静力学范畴,这便造成了学生动力学部分的理论无用武之地,一两个学期过后相应的知识都忘得一干二净,更谈不上能力的提升了。

当然,课程体系的优化也不应该仅局限在力学类课程,如果能以专业培养目标为指导,全局性地设计各专业课内容将是最好的情形。因为从知识到能力的转变是极其困难的,不是学了几门课程就会自动掌握,但有能力的前提的确是必须先掌握知识,然后在面对具体问题时通过大脑的创造性工作重新组合已有知识,形成一个解决方案。这个创造性工作是超越具体知识内容的,它更多是感性的、直觉的、顿悟的,这种妙不可言的能力从哪儿来?笔者认为从多种情怀素养中来,历史的、哲学的、音乐的、艺术的都杂糅在一起经过发酵最后展现出一个对问题的感悟能力或者叫洞察力,这也是习近平总书记在讲话中强调新文科建设[4］和通识教育的意义所在。因此,专业培养方案中那些以前看似与专业无关的人文社科类课程也应该有所体现,这并非主张给学生加课程增加学业负担,而是“挤水炼金”的过程,关键在于提升品味,能够区分什么是“水”、什么是“金”,学生的负担不但没有增加,反而会有涵泳或深思。

“理论力学”课程的改革实践从2020年开始持续到现在,取得了一定的效果。从学生的课堂表现来看,抬头率明显提高,说明所采取的讲授方式是学生乐于接受的,所选取的理论载体是学生喜闻乐见的,消除了以前由于知识重叠和阐述方式千篇一律给学生带来的疲惫感;从平时作业来看,学生的学习积极性在逐步提高,特别是与实践联系紧密的开放性题目最能激发大家的求解兴趣;从期末成绩来看,与未改革时的2019年对比(见表1)发现,卷面不及格率在逐步降低,处于中等和良好等次的学生比例在逐步增加。