理论力学课程教学中工程哲学思维能力的培养与实践

摘 要：本文介绍了在理论力学课程教学中，如何贯穿工程哲学的思想。通过对教学内容、教学组织模式和考核模式的改革和实践，培养和强化学生的工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力，以适应国家中长期教育以及卓越工程师教育培养计划。

关键词：理论力学；课程教学；工程哲学；卓越工程师；教学实践

一、工程哲学思维能力与高等工程教育

高等工程教育应以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心，重构课程体系和教学内容，着力推动研究性学习方法，加强大学生创新能力训练，加强跨专业、跨学科的复合型人才培养。工程能力培养的核心是培养学生工程哲学的思维能力[1]。根据笔者对工程科学以及工程能力的理解，工程哲学思维能力的培养内涵极其广泛。针对大学低年级学生的特点以及开设的课程特点，开展以下几个方面的能力培养将对后续工程能力的培养大有益处。

创新性思维能力的培养。要鼓励学生打破传统观念和意识，结合科学知识和现代科学技术，敢于从全新的角度去尝试解决问题。

多元性思维能力的培养。引导学生在一定的时空中，持不同的视角，从不同角度、不同层次出发，全方位的观察事物，剖析事物的本质，形成多元化的工程观。

辩证思维能力的培养。在注重培养学生逻辑思维能力的同时，重视辩证思维能力的培养，打破学生按照逻辑思维模式形成的事物一般是“非此即彼”、“非真即假”的认识，引导学生辩证地看待问题，在观察问题和分析问题时，以动态发展的眼光来看问题，认识到事物可以在同一时间里“亦此亦彼”、“亦真亦假”。

二、工程哲学思维能力培养在理论力学课程学习中的重要性

在高等工程教育课程体系中，理论力学课程是机械、土木、能源、动力、航天、材料等诸多专业的第一门技术基础课，是上述专业后续课程的基础，大多数学校在二年级上学期开设。从课程角度分析，有以下几个显著特点：

1. 内容经典成熟

工科理论力学研究的内容属于经典力学的范畴，经历了300多年的发展，课程中所涉及的理论和内容成熟，结论确定，在很大程度上给学生留下“旧”的印象。尽管教材多次更新，但内容仍显滞后。而目前新材料、新技术、新工艺、新产品层出不穷，学生感受着科技日新月异的变化，“旧”的课程内容与学生对“新”技术、“新”知识的渴望存在差距，不利于激发学生的学习热情。因此，处理好“旧”与“新”的矛盾，紧密结合现代技术，给课程注入新的活力是课程教学中必须处理好的问题。

面对经典的课程内容和滞后的教材，如何给课程赋予“新”活力？这需要教师和学生协同创新。以运动学为例，目前教材中仅局限于机构运动的瞬时分析，这一现状的出现囿于19世纪五六十年代计算手段受限、计算能力有限的历史条件。而当今计算机普及，学生计算能力大大提升，在知识储备和计算手段方面，学生分析机构的过程运动不存在障碍。鼓励和要求学生对机构进行全过程的分析不仅能够加深学生对课程知识的理解和掌握，更能促进学生综合应用现代技术和经典理论，在学科交叉中感受课程新的活力，激发他们的创新意识。

2. 题目工程背景明确

理论力学课程中所涉及的题目大都来源于实际的工程问题，题目的工程背景明确。国内理论力学教材中大部分例题和习题原本具有明确的工程应用背景，但题目描述时工程背景被忽略，从工程实际问题到力学模型的建模过程已经完成，题目普遍以“已知模型M，求解A”的形式呈现在学生面前，学生不需要考虑题目模型M的合理性，只需要给出解A即可。题目形式普遍单一，内容干涩，类似国外教材中[2，3]的设计性题目和供学生讨论的开放性题目欠缺。另外，由于题目模型已经唯一且固化，答案基本上也是唯一且确定的，因此学生面对的作业是“千人一面”，这在一定程度上制约了学生的主观能动性的发挥，既不利于学生从多个角度去分析和探讨问题，也不利于激发学生探索知识的热情和积极性。

设想一下，如果学生面对的是一个实际的工程问题，从力学建模到问题的求解都由学生自己来完成，学生需要的不仅仅是会用理论力学课程讲授的原理和方法，更需要结合实际问题，调动学过的所有知识，根据个人对问题的认知和理解，将实际问题抽象成一个合理的力学模型，完成“已知模型M”的过程，然后再去“求解A”，这样不同的学生持不同的视角，从不同角度、不同层次出发，剖析和解决工程问题，这对于培养学生多元化的工程观会大有帮助，同时也会在很大程度上提升学生对课程的认可度和对自我的认同感。

3. 过分注重逻辑思维的培养

理论力学课程从内容的编排、理论方法到题目求解，均体现出很强的逻辑性。从内容方面看，整个课程内容按照静力学、运动学、动力学三部分依次编排，环环相扣，前面两部分的知识是后面的基础，同时又相对独立，自成体系。在理论分析方面，由于课程中介绍的都是经典理论，因此理论完善、逻辑清晰。题目求解方法也相对固化，每一部分的题目基本上都可以给出一个标准化的求解模式。譬如静力学题目按照“确定研究对象—进行受力分析—根据平衡条件列方程—求解”的思路进行即可，这一标准化的求解模式，体现出很强的逻辑关系。上述特点对于培养学生的逻辑思维能力大有帮助。

但是，面对工程实际问题，工程人员除了逻辑思维，还需要以动态发展的眼光来看问题，考虑时空特点，认识到事物可以在同一时间里“亦此亦彼”、“亦真亦假”。譬如，同样的工程问题，可以按照刚体模型处理，也可以按照弹性体模型处理，两种模型在特定的环境下具有各自的优缺点和合理性。这就需要培养逻辑思维能力的同时，强化辩证思维能力的培养。

综合课程的上述特点以及卓越工程师培养计划的培养目标，我们认为，在理论力学课程教学过程中开展工程哲学思维能力的培养具有重要意义。

另外，从学生角度分析，具备了工程哲学思维能力培养的条件。首先，大学二年级的学生初步接触工程问题，思维受到的羁绊少，敢于异想天开，具有创新的土壤。其次，丰富的网络资源和多渠道获取知识的途径为学生创新思维提供了很好的外部环境和技术支撑。再者，学生具备了数学和大学物理理论基础、大学物理实验的操作经验，同时具有良好的计算机编程能力和计算条件。

综合课程特点、学生的现状以及卓越工程师培养计划的培养目标，在理论力学课程教学中充分发挥课程优势，鼓励和引导学生开展讨论式、研究式的学习，从创新能力、多元性思维能力、辩证思维能力等方面培养学生的工程哲学观念，提高他们的综合素质和解决实际问题的能力具有重要的意义和良好的条件。

三、理论力学课程教学中工程哲学思维能力的培养与实践

围绕工程哲学思维能力的培养，在理论力学课程教学中，作者从教学内容、教学组织模式和考评方式三个方面进行了改革和实践。

1. 采取的具体措施

（1）教学内容层次多样化。课后题目设置分不同层次，既有相对独立的题目帮助学生掌握基本概念、基本理论和方法，同时又设计了足够数量、来源于工程实际的综合应用和开放性的题目，使题目本身就能激发学生对课程的浓厚兴趣和强烈的探索欲望。不同层次和类型的题目是保障讨论式、研究式教学方法的前提和依托。

（2）小组讨论课与大班集中授课并重。控制大班授课的学时，根据大班集中授课学时配置小组讨论课学时，在时间和空间上为研究式教学方法提供保障。同时，实行必要的跟踪和督导，为讨论小组配备督导老师，保障讨论式、研究式教学效果并即时客观评价学生个体。

（3）平时的讨论参与、自主研究在考核成绩中所占的份额增大。重视平时的讨论和研究，制定公平合理的平时成绩评定标准，通过考评进一步激发学生学习的动机和热情，督促和保障学生积极完成讨论、研究性学习任务，又客观反映学生学习效果。考试成绩由三部分组成：期末成绩占60%，平时学习报告和讨论课成绩占30%，试验课成绩占10%。总成绩超过60分但卷面成绩未达到60/100的，须参加补考，课程成绩以补考成绩为准。

2. 开放性题目样例

针对研究式的教学模式，我们紧密结合课程内容，设计了30～40道难度适中的开放性题目，配合研究式教学模式的开展，下面给出三个题目样例。

（1）木质便民桥设计。题干：一条3米宽的河穿村而过，请帮村民设计一木质桁架结构的便民桥（仅限行人通过）替代目前的简易桥梁。

设计要求：桥面平坦无障碍；桁架结构除了承载之外能起到防护作用，无需额外安装护栏；至少提交两种设计方案，并从杆件内力、用料多少等方面对两种方案进行对比。

题目设计初衷：加深学生对桁架结构的认识，培养学生综合应用静力学知识，结合实际问题进行结构设计、力学简化建模和分析的能力，并培养学生辩证思维的能力。

（2）社区健身器运动分析及结构优化设计。题干：选取一款社区滑步机，现场体验并实测其尺寸，绘制滑步机机构运动简图，分析机构上关键点（踏板、扶手）的速度、加速度。

题目要求：应用解析法进行分析，编写计算程序、绘制关键点的速度、加速度曲线图； 根据自己的分析计算结果，给出结构尺寸或杆件形状的改进意见，使该运动器械能更好地适应不同身高的人使用。

题目设计初衷：加强学生对机构的认识，培养学生多元化的思维能力，在瞬态分析的基础上进行过程分析，综合应用课程知识和现代科学计算工具，较系统地解决工程实际问题。

（3）蹦极运动拉索规范设计。题干：目前蹦极运动风靡全球，某蹦极台距地面高度为50米，蹦极台下方突出5米（蹦极者从50米的高处跳下，反弹回高处时应避免触及蹦极台下边缘）。

设计要求：设计柔性拉索的初始长度和弹性系数，给出拉索的设计规范。（提示：考虑合理的安全距离，避免触地、避免反弹时触碰蹦极台下边缘；考虑蹦极者的体重差异，如果需要，可以对参与蹦极者的体重做出上限要求。）

题目设计初衷：加强学生对动力学知识的综合应用能力，培养学生的建模能力和分析解决实际工程问题的能力。

3. 实践效果

经过多次摸索和系统的实践之后，讨论式、研究式和互动式的理论力学课程教学模式得到了授课班级学生的普遍认可。针对这一教学方法开展的调查问卷显示：75%以上的学生表明对开展研究式的学习有浓厚兴趣，乐于完成研究性的大作业，而且他们普遍认为在完成大作业后有较大收获。

在理论力学课程教学过程中，注重学生工程哲学思维能力的培养，开展讨论式、研究式和互动式教学模式，改变了目前教学过程中教师为中心的结构模式，使学生由传统的被动接受变为主动参与，学生在教师的引导下，积极参与讨论、开展课外研究、实现学生之间和学生与老师之间的良好互动。小组的讨论、互动和协作研究，深化了学生对问题的理解和对知识与技能的掌握，激发了学生的创新意识，有利于学生多元性思维能力和辩证思维能力的培养，同时也提高了学生的团队协作意识。

参考文献：

[1] 殷瑞钰，汪应洛，李伯聪. 工程哲学[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

[2] Anthony Bedford， Engineering Mechanics Statics （Fifth edition），Pearson Education south Asia Pte Ltd. 2008.

[3] Anthony Bedford， Engineering Mechanics Dynamics （Fifth edition）， Pearson Education south Asia Pte Ltd. 2008.

[4] 韩省亮，张陵等. 基础力学课程教学中的工程教育[J]. 中国大学教学，2011（2）.

[本文实践内容属西安交通大学教师发展中心教改项目，得到了西安交通大学教师发展中心资助]