課程思政融入工程力學導論課的探索與實踐

劉 君,林小軍,蒲 育,張 莉,趙永花

(蘭州工業學院 a. 土木工程學院, b. 機電工程學院,甘肅 蘭州 730050)

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出,各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協同效應[1]。我校各教學單位依據“立足蘭州、面向甘肅、輻射西部,培養高素質、強基礎、重應用、善創新、強能力的應用型本科人才”的辦學定位,以課程建設為載體,積極進行理論課與實踐環節的思政改革與創新。目前全部專業必修課已實現課程思政全覆蓋,建成一批優秀的課程思政示范課。廣大教師積極參加學校組織的課程思政建設能力培訓及課程思政微課競賽,育德能力有了本質提高,思政研究方向正向“深、精、廣”多維度探索。

工程力學課是多個專業的學科基礎必修課,其知識點及拓展應用覆蓋了本科階段的多門專業課和實踐環節,在整個課程體系中占有重要地位,所以本課的思政成效對整個課程體系的思政建設有重要影響。就課程內容而言,力學是一門古老的學科,本身蘊含豐富的哲學思想和自然規律,易于挖掘課程相關的思政元素并融入教學,使課程內容富于辯證思想。此外,工程力學的知識點和模型多圍繞工程實例展開,便于展開工程倫理教育,引領價值觀,激發愛國情懷,培養學生精益求精的工匠精神[2-4]。而導論課作為第一課,思政內容除了要結合授課知識展開,還應做到言之有物,充實有實質,而非泛泛而談。

1 工程力學導論課的任務

根據課程大綱安排,課程導論為首堂課,其授課內容主要為:師生互相認識;老師介紹課程內容組成和各部分間的關系、學習目標及要求;給出關于本門課的學習建議。概而言之,就是講清學什么→為何學→怎么學這三個問題。授課內容中沒有具體的知識點,以老師介紹為主,難免枯燥。因此,圍繞三個問題大力挖掘思政元素并巧妙構思融入課程,可使本堂課生動鮮活,導論課起到激發學習興趣的關鍵作用。

首先,教學者應介紹“學什么”并引入恰當的思政點。以往介紹課程時,重點是介紹課程的教學單元內容及各單元之間的邏輯關系,課程的教學安排,讓學生了解課程的整體結構和教學進度。筆者對多年教學過程進行了反思和總結,認為可以結合哲學原理中“運動與靜止”的關系,引導學生用發展的觀點看課程。一是力學知識的發展。從阿基米德杠桿撬動地球的故事到現代社會的擎天大廈、跨海大橋,從蛟龍號探索海底到天宮號遨游蒼穹,力學對科學技術的進步和人類社會的發展做出了重大貢獻。二是本課與前、后續課程的聯系。例如工程力學開課前,學生已完成了大學物理課程中力學部分的學習,涉及到質點、質點系及剛體的平衡與運動。那么工程力學與前面學到的力學知識區別在哪里?老師給出的答案為本課程從工程實際出發,將工程問題抽象為力學模型,采用力學方法進行理論分析,并結合試驗手段修正理論結果。一句話總結——綜合運用力學知識解決實際工程問題。這就搭接起前續基礎課與專業課間的聯系。

其次,“為何學”為思政內容的融入創造了廣闊的空間。學習是由內在需要驅動的主動認識世界改造世界的過程。所以內驅力是提高學習成效的關鍵點。大學生的內驅力主要來源于兩點:職業前景和個人興趣。年輕人無不對自己未來的職業生涯充滿憧憬,但由于年齡和經歷所限,常出現思想和價值方面的困惑?；诖爽F象,教學者可以設定深、淺兩層思政內容。淺層內容可以結合課程介紹行業發展前景,鼓勵學生進行職業規劃,為畢業后的就業就職打基礎。深層內容可以引導學生了解課程相關的著名學者及其成就、行業在新中國成立后取得的歷史性發展,以此激發學生的愛國熱情。這里教師需特別強調,我國目前正處于由制造業大國向制造業強國轉型的關鍵時期,工科領域的青年學子學好知識、掌握專業技能不僅關乎個人發展,更是國家富強民族復興的需要[5-8]。

“怎么學”是導論課的靈魂,也是尋找思政元素的難點。筆者經過實踐探索,認為可以結合若干哲學思想和方法論的知識來介紹力學的學習方法。正如《大學》所云:“物有本末,事有終始,知所先后,則近道矣?！焙玫膶W習方法可以起到事半功倍的學習效果。力學的內容源于自然和工程實踐,是對實際問題的抽象,所以知識本身蘊含著大量的哲學思想。導論課上教師可以提出幾條后面課程中涉及的哲學思想讓學生回顧。如強度設計問題中安全性與經濟性的對立統一關系,采用動力學三大定理的哪條處理動力學問題需要結合具體問題具體分析,細長桿件的穩定性問題是主要矛盾,工程中需要重點關注解決,強度和剛度問題為次要矛盾等等,任課教師可以結合內容細細挖掘。強調依據哲學原理處理力學問題的目的,一是與思政類課程同向而行、協同教學,二是利于知識點的提煉,對專業知識的傳授起到“畫龍點睛”的效果。

2 工程力學導論課的思政素材

思政的載體是專業知識,思政點必須圍繞課程知識展開,專業知識與思政內容要相輔相成,不能相互孤立。筆者根據工程力學導論課的內容并結合多年教學心得,提出兩項素材與同行交流。

2.1 課程內容介紹與力學史、力學家

工程力學內容主要解決質點及質點系的機械運動(包括平衡)、變形桿件的強度、剛度和穩定性問題。教師向學生介紹時,可以請學生思考問題:“什么是力?這一概念是誰最先提出的?力與運動的關系如何?”古希臘的亞里士多德對力有過闡釋,而真正給出“力”這一概念的是大名鼎鼎的物理學家牛頓。順著這一話題,可以以時間線為軸線,介紹力學史上重要人物及其主要成就,使學生對整個力學發展有簡單的了解。很多科學家及成就學生已有所耳聞,此時容易激發學生的學習興趣。

2.1.1 力學發展簡史

1) 17世紀之前。古希臘學者亞里士多德,提出“體積相等的兩個物體,較重的下落得較快”;“力學之父”阿基米德提出浮力原理;荷蘭數學家斯蒂文于1586年出版巨著《靜力學原理》,建立了靜力學基礎;德國天文學家凱普勒在“日心說”的基礎上,通過分析大量觀測數據,歸納得到了行星運動三大定律;集大成者意大利物理學家、天文學家伽利略,在比薩斜塔上當眾完成了自由落體試驗,以事實推翻了亞里士多德的斷言。他還通過多次斜面落體試驗,總結得到了正確的落體運動規律。因在多個領域取得的卓越成就,伽利略獲得了“歐洲近代自然科學創始人”“觀測天文學之父”“近代物理學之父”“近代科學之父”等諸多榮譽[9]。

2) 17世紀。天文學、力學和數學三個方面出現結合,將自然科學的發展推進到“科學時代”。牛頓,首先在伽利略和他自己的大量試驗基礎上把實踐的結果上升為理論,大膽提出了有名的牛頓三大運動定律和萬有引力定律。1687年出版的《自然哲學的數學原理》標志著經典力學(也稱古典力學)的建立[10]。

3) 18至19世紀。從18至19世紀末,力學和數學相互促進并發展,經典力學進一步發展。拉格朗日通過引進廣義坐標,引進了拉格朗日函數并推導了有名的拉格朗日方程組建立了“分析力學”。1834年英國數學家哈密爾頓建立了以積分形式的變分原理為基礎的分析力學,將經典力學推向巔峰[9-10]。同一時期,數學出現了泛函理論、歐拉-拉格朗日的變分原理。流體力學方面,由法國科學家納維于1821年和英國物理學家斯托克斯于1845年分別建立納維-斯托克斯方程[11];電動力學方面,麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組,創立了經典電動力學,并且預言了電磁波的存在,提出了光的電磁說;統計力學方面,玻爾茲曼推廣了麥克斯韋的工作,1871年提出了麥克斯韋-玻爾茲曼分布。

4) 20世紀至今。德國物理學家普朗克1900年于報告中提出能量子概念和普朗克常數,宣告量子論誕生和一場新物理學革命。1905年愛因斯坦在論文《論動體的電動力學》中獨立而完整地提出狹義相對性原理,開創物理學的新紀元。而普朗克和愛因斯坦的成果標志著物理學與力學的分家[9]。

2.1.2 著名力學家

20世紀始,航空航天等現代工業的發展促進了應用力學的產生,誕生了普朗特、鐵木辛柯、馮卡門、錢學森等一批力學大師。錢學森大師指出,力學是任務是運用力學理論協助工程師、設計師解決在工程和生產實踐中遇到的、超出其知識范圍的新問題[12]。這無疑深刻揭示了工科人員學習力學的必要性。20世紀30年代,國際理論與應用力學聯合會成立。目前,國際應用力學領域的最高獎為Timoshenko獎。截至2021年,共有三位華人學者獲獎,分別是林家翹(1975年獲得)、馮元楨(1991年獲得)、高華健(2021年獲得)。

介紹力學史和力學家的目的有三個,一是使學生認識到力學同其他學科一樣,是不斷向前動態發展的。今日所學知識來源于千年智慧的總結,所以要善于積累;二是讓學生明白,科學發展的道路不僅曲折漫長且無終點,想要有突破取得成就,更需要有懷疑和創新;三是了解歷史上不利于力學進步的諸多因素,這些因素也是影響整個科學和社會進步的因素,如各種形態的唯心主義和功利主義。不論是大學學習階段還是步入社會工作階段,遇到這些問題都要堅定批判和摒棄,篤定學習信念,培養科學精神,達到學史明理,學史增信,學史崇德,學史力行的思政目的。

2.2 愛國主義熏陶與力學在中國的發展

前面介紹力學史和力學家時,很少出現中國的身影。是否中國古代和現代就沒有力學之說呢?教師可以從力學角度出發,介紹行業的產生、發展及前景。這個過程中可以結合社會制度的發展,介紹我國科學技術發展簡史——從早期的輝煌燦爛到后來封建專制下的沉沒,再至新中國建立后的崛起。這部分內容處處體現家國情懷和民族精神,是激發學生愛黨、愛國情懷的好時機。

2.2.1 中國古代的力學發展

戰國時期墨家著作《墨經》中,出現了“力,重之謂”“力者,形之所奮也”的語句[13],這是古代中國人從感悟出發對“力”作出的最早描述。中國古代有句成語“北人無弓匠,南人無船工”,在兩千多年的歲月長河中,力學的身影一直出現在“匠”的領域范疇,即天文、土木、水利、交通甚至軍事領域,但并不作為獨立的學科。東漢鄭玄在其所著《考工記·馬人》有:“假令弓力勝三石,引之中三尺,馳其弦,以繩緩擐之,每加物一石,則張一尺?！奔游镆皇?物張一尺,表明施加的力與變形量成正比,這比英國科學家胡克提出的“胡克定律”早1 500多年。宋代李誡所著《營造法式》中有“凡梁之大小,若隨其廣分為三分,以二分為厚”,意思是從原木中取矩形截面梁時,寬高比為3/2=1.5為最合適,這一結論與《材料力學》的高寬比為1.414的結論基本吻合。比意大利的達·芬奇提出的“梁的強度與長度成反比,與寬度成正比”早400多年,文藝復興后期天文學革命引領西方進入科學時代,而此時正值中國的元明兩朝,封建專制空前加強,“朕即真理”的皇權思想摧毀了大眾的邏輯思辨能力,一切科學思想被扼殺,這以后中國的力學發展遠遠落后于西方,中國的科學進步也自此停滯不前,東方開始落后于西方。朱照宣指出:主要原因是社會制度造成的,其次是中國的科學傳統上、科學思想方法上的原因造成的[14]。直至清朝末年,在嚴復譯著《天演論》中出現“名、數、質、力,四者之學是也”的語句,這是近代關于力和力學的首次出現。1906年清政府審定的第一本大學力學教科書是英國人馬格那著、嚴文炳翻譯譯《力學課編》。

2.2.2 力學在新中國的發展

力學真正作為一門獨立學科在中國大發展是在新中國建立之后。1957年2月,錢學森、周培源、錢偉長、郭永懷等著名力學家創建清華大學力學研究班,分為固體力學與流體力學兩個班,為我國的社會主義建設培養高級力學研究人才。三屆力學班共招收學員309人,這些學生成為我國首批力學科研和教學方面的骨干,為新中國各行各業的發展做出了重要的貢獻,力學界知名的學者大都出自這一研究班。

幾十年來無數力學工作者投身于于航空航天、國防、基建等重大高科技成果的建設中,新中國的社會主義建設取得了舉世矚目的成就,中華民族在民族復興的道路上奮勇向前,這些都顯示了中國共產黨領導下中國特色社會主義制度的優越性,對于引導學生增強對黨的創新理論的政治認同、思想認同、情感認同,堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信、文化自信,堅定理想信念,堅定政治立場、強化責任擔當意識有重大教育價值。

3 結語

隨著課程思政建設工作的逐步展開和推進,我校工程力學課程思政的研究重點已細化至每節課。做好首堂課——導論課的思政教學工作對整門課的思政教學尤為重要。本文以導論課的思政教學為研究目標,不僅詳細分析了本次課的授課內容及匹配的思政元素,還對思政元素融入課程的具體方式給出建議。如此安排的思政內容使導論課生動鮮活,學生對課程內容感興趣,感到學習的內容有用,內心深處激發出想學、愛學的熱情,潛移默化地增強了學生的愛國意識,課堂成為培養學生道德品質的主陣地。本文例舉的思政元素較多,同樣適合其他基礎力學課程的導論課。由于課時有限,老師可以根據學科特點和學情進行篩選,特別要控制知識內容與思政內容的合理占比,且二者的銜接應自然流暢。本文沒有討論思政教學的評價內容,如何建立高效、科學的課程評價系統是下一階段的研究方向。評價系統應多元化擴展,知識傳授與育德教育并重,不應局限于只評專業、評學習,還應反映學生的情感、認知、價值觀等人文因素。