新農(nóng)科建設(shè)中基礎(chǔ)課程如何更充分地發(fā)揮強(qiáng)基固本作用
——以“理論力學(xué)”為例

李寶輝,楊艷,李會(huì)軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 楊凌 712100)

一、 引言

新時(shí)代背景下,沒(méi)有一個(gè)學(xué)科是孤島,也沒(méi)有一個(gè)產(chǎn)業(yè)能夠封閉自全。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)就是建立在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上,充分融入現(xiàn)代市場(chǎng)理念和經(jīng)營(yíng)管理知識(shí)的農(nóng)業(yè)形態(tài)[1］。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的單一性特征不同,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是一種一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模式。深度融合意味著學(xué)科交叉,要從新視角審視農(nóng)業(yè)相關(guān)問(wèn)題,要用新方法解決農(nóng)業(yè)工程問(wèn)題,這種“新”需從多學(xué)科交叉中萌生,要在博采眾長(zhǎng)中獲得,這便對(duì)農(nóng)業(yè)院校高度專(zhuān)業(yè)化、技術(shù)化的教學(xué)方式和人才培養(yǎng)模式提出了新的挑戰(zhàn)[2］。新農(nóng)科建設(shè)就是基于這種背景提出的,其核心就是通過(guò)改革現(xiàn)有涉農(nóng)專(zhuān)業(yè),為國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

創(chuàng)新型人才是高等教育這棵大樹(shù)上結(jié)出的果實(shí),要想果實(shí)豐碩,大樹(shù)就須根深、枝壯、葉茂[3］。根深指的就是基本功扎實(shí),基礎(chǔ)知識(shí)牢固,習(xí)近平總書(shū)記在清華大學(xué)110年校慶講話(huà)中指出,高等教育體系是一個(gè)有機(jī)整體,其內(nèi)部具有內(nèi)在的相互依存關(guān)系,要用好學(xué)科交叉融合的“催化劑”,加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科培養(yǎng)能力,打破學(xué)科專(zhuān)業(yè)壁壘,對(duì)現(xiàn)有學(xué)科專(zhuān)業(yè)體系進(jìn)行調(diào)整升級(jí),瞄準(zhǔn)科技前沿和關(guān)鍵領(lǐng)域,推進(jìn)新工科、新農(nóng)科、新醫(yī)科、新文科建設(shè)[4］。

二、 力學(xué)是強(qiáng)基固本的必備學(xué)科

(一) 力學(xué)具有基礎(chǔ)與應(yīng)用雙重屬性

習(xí)總書(shū)記強(qiáng)調(diào)的基礎(chǔ)包括數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)等,其中力學(xué)的地位最為特殊,它具有基礎(chǔ)和應(yīng)用雙重屬性,既是工程基礎(chǔ),又是工科基礎(chǔ),所使用的工具是應(yīng)用數(shù)學(xué),這也是歷史上一段時(shí)期稱(chēng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)為數(shù)學(xué)力學(xué)的原因。最初,力學(xué)屬于物理的一個(gè)分支,研究理想狀態(tài)下物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,20世紀(jì)初,工業(yè)界面臨著許多亟待解決的實(shí)際問(wèn)題,最著名的就是如何計(jì)算物體在真實(shí)流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力,德國(guó)的普朗特通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察,提出了著名的邊界層理論,這一理論的提出給當(dāng)時(shí)注重理論但難以應(yīng)用的理論流體力學(xué)和便于應(yīng)用但過(guò)分依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的水力學(xué)注入了新的活力,直接促成了現(xiàn)代流體力學(xué)的誕生,而這也是現(xiàn)代航空工業(yè)誕生和飛速發(fā)展的理論基礎(chǔ)[5］。以此為標(biāo)志,力學(xué)開(kāi)始告別物理,擁抱工程,在不計(jì)其數(shù)的工程應(yīng)用中煥發(fā)出勃勃生機(jī),既展現(xiàn)出該學(xué)科的應(yīng)用力量,又不斷揭示出新的深刻規(guī)律。

力學(xué)是工科基礎(chǔ)的論斷是不言自明的,然而農(nóng)業(yè)院校中力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀卻是邊緣化的,原因是與傳統(tǒng)涉農(nóng)專(zhuān)業(yè)相比,從原理理論到研究方法兩者都相去甚遠(yuǎn)。然而,力學(xué)的生命力就在于應(yīng)用,與農(nóng)業(yè)相關(guān)的工程領(lǐng)域無(wú)疑是力學(xué)施展拳腳的好地方,如水土保持中涉及的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律,土壤耕作中刀具與土層的力學(xué)問(wèn)題[6］,農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中的力學(xué)問(wèn)題,農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中水分和糖分的輸送規(guī)律,不同生長(zhǎng)階段各部分對(duì)液體的需要,對(duì)內(nèi)因和外因參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié),以達(dá)到消耗最少而收獲最多的目的;土壤、空氣和陽(yáng)光這一大系統(tǒng)中質(zhì)量與能量間的轉(zhuǎn)換與傳輸機(jī)制等力學(xué)問(wèn)題[5］。

(二) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要堅(jiān)實(shí)的力學(xué)根基

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變,一二三產(chǎn)業(yè)融合的加深,將會(huì)面對(duì)許多新的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和工程技術(shù)問(wèn)題,這為力學(xué)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。力學(xué)作為最早定量化的學(xué)科已在多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮了至關(guān)重要作用,作為現(xiàn)代生物科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)和管理科學(xué)融合的典范[6］,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要走集約化、精準(zhǔn)化、節(jié)能化、環(huán)境友好化道路,必然需要與力學(xué)融合。

新農(nóng)科建設(shè)是要在傳統(tǒng)農(nóng)科專(zhuān)業(yè)交叉融合的基礎(chǔ)上,滲透進(jìn)新工科、新醫(yī)科、新文科等學(xué)科。因此,多學(xué)科交叉融合就是新農(nóng)科建設(shè)的靈魂所在[7］,在這樣的背景下,農(nóng)業(yè)高校應(yīng)該培養(yǎng)出具有多學(xué)科背景和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才,以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施,力學(xué)可以發(fā)揮積極的作用。

然而,農(nóng)業(yè)院校不可能照搬工科院校的模式開(kāi)設(shè)多門(mén)專(zhuān)業(yè)力學(xué)課程,因?yàn)榕囵B(yǎng)目標(biāo)與應(yīng)用環(huán)境完全不同。要在學(xué)生的頭腦里生發(fā)出力學(xué)的原理、思維、方法和能力,需要通過(guò)具體的力學(xué)課程。教師承擔(dān)著引導(dǎo)學(xué)生思維、傳授知識(shí)、發(fā)展能力的關(guān)鍵紐帶作用,所以創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式到深處就是課程改革,到痛處就是教師能力提升[2］。通常,農(nóng)業(yè)院校給本科生開(kāi)設(shè)的力學(xué)課程較少,一般包括“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和“彈性力學(xué)”,其中,“理論力學(xué)”的任務(wù)在于闡述最基本的力學(xué)原理和最普遍的力學(xué)規(guī)律,這些基本原理就是人才培養(yǎng)、激發(fā)創(chuàng)新的源泉,對(duì)基本原理的掌握程度決定著學(xué)生能否從紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象中抓住問(wèn)題本質(zhì),對(duì)“理論力學(xué)”思維方法的貫徹有利于學(xué)生量化能力的培養(yǎng),從而有助于推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)化、集約化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方向發(fā)展,而這些能力正是新農(nóng)科建設(shè)中人才培養(yǎng)的終極目標(biāo)。所以,這些大類(lèi)基礎(chǔ)課關(guān)系著學(xué)生的綜合素質(zhì),教師應(yīng)當(dāng)更加自覺(jué)地更新教學(xué)理念、創(chuàng)新教學(xué)方法[8］。作者多年來(lái)一直承擔(dān)著“理論力學(xué)”教學(xué)工作,所以本文只針對(duì)“理論力學(xué)”課程如何更好地服務(wù)于新農(nóng)科人才培養(yǎng),包括教學(xué)中遇到的問(wèn)題及對(duì)解決途徑的思考,課堂教學(xué)取舍與側(cè)重的探討,講授內(nèi)容的精簡(jiǎn)與擴(kuò)充,實(shí)踐課堂的開(kāi)設(shè)以及力學(xué)類(lèi)系列課程的呼應(yīng)與遞進(jìn)。

三、 “理論力學(xué)”的教學(xué)現(xiàn)狀

“理論力學(xué)”屬于力學(xué)學(xué)科中的一般力學(xué)分支,這一分支是最具有基礎(chǔ)性質(zhì)的學(xué)科,同時(shí)又具有很強(qiáng)的、直接的自然科學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用背景,可以說(shuō)近代力學(xué)和科學(xué)技術(shù)的奠基性發(fā)展是從一般力學(xué)開(kāi)始的[5］。“理論力學(xué)”課程的核心任務(wù)是闡述和建立研究力學(xué)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型所需的原理和方法,包括矢量力學(xué)方法和分析力學(xué)方法[9］,因此,“理論力學(xué)”便成了基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。本該聚焦培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)課,實(shí)際上卻給學(xué)生留下了枯燥、難懂的印象,造成學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、基礎(chǔ)功底虛化及學(xué)科視野局限[10］的結(jié)果。從多年的授課實(shí)踐來(lái)看,農(nóng)業(yè)院校中學(xué)生的力學(xué)知識(shí)相對(duì)較薄弱,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因復(fù)雜多樣,很難歸因于某一種因素,這里姑且從作者個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)談?wù)劇?/p>

第一,“理論力學(xué)”課程與其他涉農(nóng)專(zhuān)業(yè)課程思維方法差異較大,由此造成的疏離感會(huì)讓原本就對(duì)專(zhuān)業(yè)認(rèn)知不足的學(xué)生誤判該課程屬于非核心課程,無(wú)法意識(shí)到這類(lèi)基礎(chǔ)骨干課的根基作用,也就不愿意花心思學(xué)。從短期功利角度看,產(chǎn)生這種認(rèn)識(shí)有一定的原因,現(xiàn)實(shí)情況就是農(nóng)業(yè)類(lèi)專(zhuān)業(yè)與力學(xué)的結(jié)合度不高。然而,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,在未來(lái)面對(duì)新的復(fù)雜問(wèn)題時(shí),學(xué)生腦海里能夠溯源到的具有指導(dǎo)性的原理、方法明顯不足,學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)中缺少了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),也就難以支撐起新技術(shù)的突破。

第二,“理論力學(xué)”課程中有部分內(nèi)容學(xué)生在物理課中已有了解,導(dǎo)致其思想上懈怠,覺(jué)得重復(fù)學(xué)習(xí)沒(méi)勁,在相關(guān)知識(shí)上僅停留在泛泛而談的水平,難以深入潛修,最終的結(jié)果是學(xué)生只會(huì)處理簡(jiǎn)單的單體力學(xué)問(wèn)題,對(duì)涉及體系的力學(xué)問(wèn)題則毫無(wú)頭緒。

第三,“理論力學(xué)”課程的學(xué)時(shí)壓縮變成了講授內(nèi)容的砍刪,而且遵循 “砍高不砍低”的原則[9］,導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)部分內(nèi)容講授不足,經(jīng)典力學(xué)的核心內(nèi)容缺失導(dǎo)致學(xué)生的力學(xué)訓(xùn)練殘缺不全,力學(xué)視野狹窄且模糊,力學(xué)水平始終在低層次徘徊。

第四,教學(xué)模式仍以教師為主,注重原理闡述,應(yīng)用場(chǎng)景缺乏與專(zhuān)業(yè)的銜接,學(xué)生參與度低,學(xué)生只能跟著老師的思路走,久而久之就抑制了學(xué)生批判思維的養(yǎng)成,這種單向的知識(shí)傳授使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握多停留在理解層次,很難上升到運(yùn)用層次。另外,課堂講授仍然停留在中學(xué)或大學(xué)物理的層次,以演繹推導(dǎo)為主,忽略了原理的發(fā)展歷程,無(wú)法幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)科的完整圖景,這種千人一面的講授方式對(duì)學(xué)生缺乏吸引力。

第五,評(píng)定學(xué)生對(duì)課程知識(shí)掌握情況的方式主要是考試,導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用場(chǎng)景是封閉的、碎片的,當(dāng)實(shí)際綜合問(wèn)題呈現(xiàn)時(shí),很難提出有效的解決方案,這就阻礙了學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的養(yǎng)成。在各種因素綜合作用下,學(xué)生的成績(jī)不盡理想,這或許就是學(xué)生經(jīng)常籠統(tǒng)反映該課程較難的原因。

四、 涉農(nóng)高校“理論力學(xué)”課程的改革方向

(一) 加強(qiáng)教材建設(shè),編寫(xiě)具有農(nóng)業(yè)特色的教材

當(dāng)下農(nóng)業(yè)院校的“理論力學(xué)”教材與工科院校無(wú)異,最為經(jīng)典、采用最廣的當(dāng)數(shù)哈工大版[11］,如今已再版八次。這些教材中的例題與習(xí)題均取材于常見(jiàn)的機(jī)械構(gòu)件,通過(guò)分析這些機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)演繹基本的力學(xué)原理,對(duì)于工科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō),這種做法無(wú)可厚非,但對(duì)于農(nóng)業(yè)院校學(xué)生而言,這樣就顯得疏離了,在一眾農(nóng)業(yè)氣息濃郁的課程中,“理論力學(xué)”顯得些許突兀,學(xué)生對(duì)這門(mén)課在整個(gè)專(zhuān)業(yè)中的作用會(huì)感到困惑。這種困惑會(huì)隨著專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的深入而加劇,因?yàn)閷?zhuān)業(yè)課中涉及的“理論力學(xué)”知識(shí)僅僅是零星的只語(yǔ)片言,有些甚至完全不涉及。所以,農(nóng)業(yè)院校“理論力學(xué)”教材應(yīng)該有一定比例具有農(nóng)業(yè)特色或來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的課題,這樣有助于“理論力學(xué)”以更大的親和力呈現(xiàn)在學(xué)生面前。進(jìn)一步,通過(guò)這些課題的分析和解答,一方面闡明力學(xué)普遍規(guī)律,更重要的是讓學(xué)生意識(shí)到專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的解答還存在一種“理論力學(xué)”模式,這樣在后續(xù)的學(xué)習(xí)或工作中,學(xué)生會(huì)自覺(jué)不自覺(jué)地回到“理論力學(xué)”尋求新認(rèn)識(shí)與新感發(fā),這類(lèi)基礎(chǔ)課的骨干作用也會(huì)得到學(xué)生的認(rèn)可,也有助于提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知程度。

(二) 講授需有取舍,從高層次起步進(jìn)而形成理論力學(xué)思維

現(xiàn)有教材為了自身體系的完整,按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由特殊到一般的認(rèn)知規(guī)律將靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三個(gè)篇章順序編排,其中確實(shí)有跟物理課重疊的部分,但這完全可以通過(guò)講授方式和側(cè)重的轉(zhuǎn)變加以避免。物理中強(qiáng)調(diào)的是質(zhì)點(diǎn)或單個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)所遵循的普遍規(guī)律,而“理論力學(xué)”則注重闡明受約束的質(zhì)點(diǎn)系或剛體系的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律,重點(diǎn)在如何運(yùn)用這些規(guī)律解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題。“理論力學(xué)”中涉及的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是從工程中經(jīng)過(guò)合理抽象中而來(lái)的,沒(méi)有憑空的模型。因此,在講授過(guò)程中應(yīng)從宏觀整體觀點(diǎn)看待問(wèn)題,注重工程技術(shù)思維的培養(yǎng),這樣學(xué)生才能在處理問(wèn)題的能力上提高一個(gè)層次,不至于每遇到系統(tǒng)問(wèn)題就想著拆開(kāi)單獨(dú)處理。比如,靜力學(xué)部分的重點(diǎn)放在力系的簡(jiǎn)化與物體系的平衡上;運(yùn)動(dòng)學(xué)部分精講合成運(yùn)動(dòng)理論;動(dòng)力學(xué)部分先建立起普遍定理對(duì)問(wèn)題的類(lèi)別化處理方式,再通過(guò)綜合問(wèn)題反映出該方法的繁瑣性,進(jìn)而過(guò)渡到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的一般處理方法——達(dá)朗貝爾原理和動(dòng)力學(xué)普遍方程。這樣打破常規(guī)不面面俱到的講授會(huì)在靜力學(xué)部分節(jié)省出一些學(xué)時(shí),可為后面動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容留出更寬裕的時(shí)間。另外,靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)兩部分內(nèi)容并沒(méi)有邏輯上的先后,完全可以先講運(yùn)動(dòng)學(xué)后講靜力學(xué),這樣便可以消除學(xué)生的似曾相識(shí)感,思想上的懈怠自然也就不存在了。這種講授次序的調(diào)整是基于靜力學(xué)部分精簡(jiǎn)扼要的前提下,否則將冗長(zhǎng)的靜力學(xué)內(nèi)容安排在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)之間勢(shì)必會(huì)影響運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)運(yùn)用的時(shí)效性,效果反而不好。

(三) 充實(shí)加強(qiáng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容,突出力學(xué)建模能力培養(yǎng)

“理論力學(xué)”的靈魂在動(dòng)力學(xué)部分,學(xué)生的力學(xué)原理運(yùn)用能力也大都取決于動(dòng)力學(xué)理論的掌握程度,然而在學(xué)時(shí)壓縮的背景下刪減最多的卻是動(dòng)力學(xué)部分的內(nèi)容,這與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)是相違背的。能力的培養(yǎng)需經(jīng)過(guò)循序漸進(jìn)的過(guò)程,工科院校中在“理論力學(xué)”課程之后大都會(huì)安排“數(shù)學(xué)物理方法”再繼之以“振動(dòng)理論”等課程,目的就在于逐步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用力學(xué)原理解決工程問(wèn)題的能力,但這兩門(mén)課在農(nóng)業(yè)院校的本科課程中鮮有安排,那么所缺失的這部分訓(xùn)練就應(yīng)該在“理論力學(xué)”課程講授中有所體現(xiàn)。手段有二,一是擴(kuò)充動(dòng)力學(xué)部分的內(nèi)容,二是改變現(xiàn)有教材的側(cè)重點(diǎn)。現(xiàn)有講授中動(dòng)力學(xué)部分的內(nèi)容仍舊是經(jīng)典牛頓力學(xué)的內(nèi)容,不涉及分析力學(xué)的內(nèi)容,這對(duì)學(xué)生掌握現(xiàn)代力學(xué)方法是不利的,因此需將虛位移原理、動(dòng)力學(xué)普遍方程、拉格朗日方程及哈密頓原理這些內(nèi)容都納入進(jìn)來(lái),所缺的學(xué)時(shí)從哪里來(lái)?就是上面講到的靜力學(xué)精簡(jiǎn)省出一部分,運(yùn)動(dòng)學(xué)里邊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和剛體基本運(yùn)動(dòng)中再省出一些。再有就是要改變講授側(cè)重點(diǎn),現(xiàn)有教材偏重于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)某一瞬時(shí)的力學(xué)參數(shù),這在工科院校無(wú)可厚非,因?yàn)檫€有后續(xù)課程接力培養(yǎng)學(xué)生的其他能力,可是在缺乏后續(xù)課程的農(nóng)業(yè)院校就不妥,于是教師在講授時(shí)不僅要注意培養(yǎng)學(xué)生這部分的計(jì)算能力,還應(yīng)該更注意培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用力學(xué)原理建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的能力——力學(xué)建模,因?yàn)閷?shí)際遇到的問(wèn)題要定量描述第一步就是建模問(wèn)題。例如,在講授達(dá)朗貝爾原理時(shí)以載流管道的振動(dòng)模型為例,從振動(dòng)過(guò)程中管內(nèi)流體絕對(duì)加速度的表示到系統(tǒng)慣性力的簡(jiǎn)化,最后運(yùn)用原理建立其振動(dòng)微分方程,這一實(shí)例雖然超出了剛體的范疇但還在學(xué)生的接受范圍之內(nèi),舉該例的重點(diǎn)不是讓學(xué)生明白管道的振動(dòng)方程是什么,而是讓學(xué)生感受實(shí)際問(wèn)題處理中的首要工作是什么。實(shí)際上,力學(xué)模型建立后還有求解問(wèn)題,這部分能力可交由高年級(jí)的專(zhuān)門(mén)課程培養(yǎng)。再比如,動(dòng)能定理標(biāo)志著從“力”描述向“能量”描述的轉(zhuǎn)變,是牛頓力學(xué)向拉格朗日力學(xué)過(guò)渡的一個(gè)前期準(zhǔn)備,學(xué)生此時(shí)仍處在無(wú)意識(shí)的“力”慣性狀態(tài),這時(shí)可以引入動(dòng)能概念的演化歷史,從活力mv2到現(xiàn)在動(dòng)能的概念,從達(dá)朗貝爾到莎特萊再到恩格斯的工作介紹,不僅有助于學(xué)生弄明白矢量力學(xué)與分析力學(xué)在處理問(wèn)題時(shí)的側(cè)重點(diǎn),而且會(huì)給學(xué)生留下力學(xué)的進(jìn)步不在于憑空數(shù)學(xué)技巧的運(yùn)用,而是依賴(lài)于力學(xué)觀念的改變的印象。幸運(yùn)的話(huà),科學(xué)家的故事還會(huì)激發(fā)學(xué)生求知的內(nèi)在動(dòng)力。

(四) 活躍課堂氣氛,在交流中生發(fā)知識(shí)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為中心,學(xué)生的課堂參與度不高,知識(shí)的獲得依靠單向灌輸,這樣的知識(shí)很難活用,更難以轉(zhuǎn)換為能力;傳統(tǒng)以考試為主的考核方式比較單一,對(duì)于能力培養(yǎng)也不夠,應(yīng)該多樣化,更不必拘泥于形式,考核的目的不是給學(xué)生一個(gè)成績(jī)而是幫助學(xué)生查缺補(bǔ)漏,去偽存真,最終將準(zhǔn)確的概念、原理及方法印刻在腦海里。課堂互動(dòng)就是一種很好的教學(xué)模式和考核方式,在彼此的交流中教師要引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)出他對(duì)所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí),在這過(guò)程中還要用恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題或例子引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的表述進(jìn)行修正,直到最終獲得對(duì)內(nèi)容的正確認(rèn)識(shí),并在腦海中生發(fā)出相應(yīng)的知識(shí)。例如,在運(yùn)動(dòng)合成部分,盡可能多地讓學(xué)生描述動(dòng)系的選取與三種運(yùn)動(dòng)形式,教師引導(dǎo)學(xué)生相互補(bǔ)充完善,直到形成準(zhǔn)確描述;再如,剛體平面運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的絕對(duì)性與相對(duì)性探討;又如,在動(dòng)量矩定理中拋出問(wèn)題,相對(duì)于質(zhì)心以外的任意動(dòng)點(diǎn)動(dòng)量矩定理是什么樣兒?討論過(guò)程中不僅會(huì)讓學(xué)生對(duì)非慣性系中的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題有初步了解,真正體會(huì)到質(zhì)心在動(dòng)力學(xué)中的重要性,而且避免了教材只介紹相對(duì)于質(zhì)心的動(dòng)量矩定理的突兀。互動(dòng)中即使學(xué)生回答有誤,教師也要予以鼓勵(lì),這樣可以為學(xué)生的成長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)寬松的環(huán)境,也有助于學(xué)生養(yǎng)成樂(lè)于表達(dá)的習(xí)慣,而這對(duì)于知識(shí)的獲取至關(guān)重要。比如,一次在運(yùn)用速度投影定理處理問(wèn)題時(shí),學(xué)生突然提問(wèn),對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為何要多次應(yīng)用投影定理,一次投影不是更簡(jiǎn)潔嗎?這反映出學(xué)生對(duì)該定理適用條件掌握有所欠缺,教師在講授中強(qiáng)調(diào)過(guò)的內(nèi)容,學(xué)生卻沒(méi)有入心,這應(yīng)該就是講授方式問(wèn)題,所以在學(xué)生有此疑問(wèn)時(shí),需要先肯定學(xué)生思路想法,然后再讓學(xué)生自己比較單個(gè)剛體與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同,最后自己得出適用條件,這樣才能理解深刻。優(yōu)秀的教師還會(huì)凝練好的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生作更深層次思考,逐步養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣。要做到這一點(diǎn),對(duì)教師有兩方面要求,一是對(duì)所教內(nèi)容了然于胸,二是要有強(qiáng)烈的表達(dá)欲望[12］,打心底兒想把自己的理解認(rèn)識(shí)分享給學(xué)生。

(五) 開(kāi)辟實(shí)踐課堂,讓知識(shí)從碎片到貫通

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中遇到的力學(xué)問(wèn)題都是新問(wèn)題,也是綜合性復(fù)雜問(wèn)題,需要抽象成恰當(dāng)?shù)牧W(xué)模型。這個(gè)過(guò)程既需要力學(xué)專(zhuān)業(yè)人士敏銳的洞察力、超凡的主要矛盾感知能力,更需要農(nóng)業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)輔助。所以力學(xué)問(wèn)題從提出到修正到解決到再認(rèn)識(shí),要有多個(gè)專(zhuān)業(yè)背景的人員協(xié)同完成,這在課堂上是沒(méi)法做到的,必須到生產(chǎn)一線(xiàn)去。因此,“理論力學(xué)”還需要開(kāi)辟第二課堂——實(shí)踐課。目前,農(nóng)科人才培養(yǎng)中實(shí)踐教學(xué)依然是薄弱環(huán)節(jié)[1,13］,脫離實(shí)踐的人才培養(yǎng)模式無(wú)法滿(mǎn)足新農(nóng)科建設(shè)的要求。

實(shí)踐的目的就是讓力學(xué)知識(shí)變成處理實(shí)際問(wèn)題的能力,讓不同學(xué)科間的知識(shí)碎片變得融會(huì)貫通,這就好比打拳,學(xué)生學(xué)會(huì)了套路但不會(huì)在實(shí)戰(zhàn)中運(yùn)用,實(shí)踐課的作用在于提供一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景,可以用套路也可以隨機(jī)應(yīng)變,總之最后要摸索形成自己的一套打斗風(fēng)格。比如,學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉噴頭噴灑出的區(qū)域是圓形,容易形成重疊區(qū)和空白區(qū),如何設(shè)計(jì)一種能夠噴灑矩形區(qū)域的噴頭,在這個(gè)問(wèn)題的牽引下,學(xué)生自行搜集相關(guān)知識(shí),就包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)部分內(nèi)容,這樣以前通過(guò)講解希望達(dá)到掌握知識(shí)的目標(biāo)變成了現(xiàn)在解決問(wèn)題時(shí)的附屬產(chǎn)品,并且學(xué)生體會(huì)更加深刻。

實(shí)踐的另一目的是搜集整理農(nóng)業(yè)相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題,按照問(wèn)題屬性分類(lèi)編排,最終由既懂力學(xué)又懂農(nóng)業(yè)的人士編寫(xiě)出一部具有鮮明農(nóng)業(yè)特征且適合新農(nóng)科人才培養(yǎng)的“理論力學(xué)”教材,這樣的教材可以增加涉農(nóng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)課程的親和力從而消除以往的另類(lèi)感。歸根結(jié)底就是將學(xué)科交叉融合的成果體現(xiàn)在教材上、課堂中及整個(gè)人才培養(yǎng)過(guò)程當(dāng)中。

五、 既要自我改造,又要體系協(xié)同

力學(xué)類(lèi)課程在整體學(xué)時(shí)壓縮的背景下需要進(jìn)行系列課程體系內(nèi)容的優(yōu)化改革,使每門(mén)課程的內(nèi)容銜接更緊密,內(nèi)容層次梯度更明顯,避免以往內(nèi)容重疊、呼應(yīng)缺失的情形。“理論力學(xué)”課程內(nèi)容的掌握不單單是在課堂上,學(xué)生需要反復(fù)地回顧、溫習(xí)、實(shí)踐才能融會(huì)貫通,在后續(xù)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)上理應(yīng)讓“理論力學(xué)”中的原理有一個(gè)施展的機(jī)會(huì),這樣在系列課程內(nèi)容編排上的呼應(yīng)、顧盼與重溫有利于學(xué)生將“理論力學(xué)”知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鰡?wèn)題的能力從而長(zhǎng)期掌握。然而,目前的情形卻是后續(xù)“材料力學(xué)”與“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的講授大都僅限于靜力學(xué)范疇,這便造成了學(xué)生動(dòng)力學(xué)部分的理論無(wú)用武之地,一兩個(gè)學(xué)期過(guò)后相應(yīng)的知識(shí)都忘得一干二凈,更談不上能力的提升了。

當(dāng)然,課程體系的優(yōu)化也不應(yīng)該僅局限在力學(xué)類(lèi)課程,如果能以專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為指導(dǎo),全局性地設(shè)計(jì)各專(zhuān)業(yè)課內(nèi)容將是最好的情形。因?yàn)閺闹R(shí)到能力的轉(zhuǎn)變是極其困難的,不是學(xué)了幾門(mén)課程就會(huì)自動(dòng)掌握,但有能力的前提的確是必須先掌握知識(shí),然后在面對(duì)具體問(wèn)題時(shí)通過(guò)大腦的創(chuàng)造性工作重新組合已有知識(shí),形成一個(gè)解決方案。這個(gè)創(chuàng)造性工作是超越具體知識(shí)內(nèi)容的,它更多是感性的、直覺(jué)的、頓悟的,這種妙不可言的能力從哪兒來(lái)?筆者認(rèn)為從多種情懷素養(yǎng)中來(lái),歷史的、哲學(xué)的、音樂(lè)的、藝術(shù)的都雜糅在一起經(jīng)過(guò)發(fā)酵最后展現(xiàn)出一個(gè)對(duì)問(wèn)題的感悟能力或者叫洞察力,這也是習(xí)近平總書(shū)記在講話(huà)中強(qiáng)調(diào)新文科建設(shè)[4］和通識(shí)教育的意義所在。因此,專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中那些以前看似與專(zhuān)業(yè)無(wú)關(guān)的人文社科類(lèi)課程也應(yīng)該有所體現(xiàn),這并非主張給學(xué)生加課程增加學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān),而是“擠水煉金”的過(guò)程,關(guān)鍵在于提升品味,能夠區(qū)分什么是“水”、什么是“金”,學(xué)生的負(fù)擔(dān)不但沒(méi)有增加,反而會(huì)有涵泳或深思。

“理論力學(xué)”課程的改革實(shí)踐從2020年開(kāi)始持續(xù)到現(xiàn)在,取得了一定的效果。從學(xué)生的課堂表現(xiàn)來(lái)看,抬頭率明顯提高,說(shuō)明所采取的講授方式是學(xué)生樂(lè)于接受的,所選取的理論載體是學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的,消除了以前由于知識(shí)重疊和闡述方式千篇一律給學(xué)生帶來(lái)的疲憊感;從平時(shí)作業(yè)來(lái)看,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性在逐步提高,特別是與實(shí)踐聯(lián)系緊密的開(kāi)放性題目最能激發(fā)大家的求解興趣;從期末成績(jī)來(lái)看,與未改革時(shí)的2019年對(duì)比(見(jiàn)表1)發(fā)現(xiàn),卷面不及格率在逐步降低,處于中等和良好等次的學(xué)生比例在逐步增加。

表1 西北農(nóng)林科技大學(xué)“理論力學(xué)”課程近三年期末成績(jī)

結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是高等教育的永恒使命,其方式方法無(wú)固定模式可循,只能匯總經(jīng)驗(yàn)摸索前行,幸運(yùn)的是雖無(wú)一定之規(guī),卻有厚基礎(chǔ)寬口徑的共識(shí)。基礎(chǔ)課程是創(chuàng)新人才之根本,創(chuàng)新能力為其末枝,只有本末正置,將基礎(chǔ)理論內(nèi)化為己有,沃其根方能繁其枝,才能培養(yǎng)出具有跨學(xué)科能力的創(chuàng)新人才。

本文從教材建設(shè)、課堂模式及課程間的協(xié)同等方面嘗試摸索出一條路徑,以使“理論力學(xué)”這類(lèi)基礎(chǔ)課程在農(nóng)業(yè)院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中更充分地發(fā)揮其固本培元作用,以圖為新農(nóng)科建設(shè)輸送更多具有厚基礎(chǔ)和跨學(xué)科能力的優(yōu)秀人才。