趙沛 王宏濤 楊衛(wèi)

(浙江大學(xué)航空航天學(xué)院工程力學(xué)系，浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心，杭州310012)

當代教育工作者在20世紀所接受的基礎(chǔ)教育，使得他們有時停留在第三次科技革命的語境之下。然而，在21世紀的第二個十年，特別是隨著人工智能技術(shù)的梯次勃興，現(xiàn)代社會實際上進入了變革時代，新科技革命已經(jīng)開始。正如習(xí)近平主席在第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會的賀信中所指出的：“當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)新應(yīng)用新業(yè)態(tài)方興未艾?！盵1]這一新的形勢必然要對力學(xué)高等教育提出新的要求。

力學(xué)是科技創(chuàng)新和發(fā)展的重要推動力。撥去前三次科技革命表面以蒸汽機、電動機、生產(chǎn)線等為代表的技術(shù)特征面紗，革命的內(nèi)驅(qū)力均來自于力學(xué)的推動：以牛頓力學(xué)為代表的動力學(xué)促成了機械系統(tǒng)的發(fā)展和人力畜力的大規(guī)模被替代，是“大工業(yè)真正科學(xué)的基礎(chǔ)(馬克思語)”[2]；歐拉-伯努利梁方程及隨后發(fā)展出的固體力學(xué)理論，在19世紀成為了“第二次科技革命的基石”[3]；流體力學(xué)和研究“高壓氣體、高溫氣體、高壓固體和臨界態(tài)及超臨界態(tài)”[4]的物理力學(xué)則是第三次科技革命中航空航天這一代表性技術(shù)的最大動力。但是，在新科技革命的當今語境中，力學(xué)的這一基礎(chǔ)角色(或其承載的“技術(shù)科學(xué)”角色)卻被明顯地忽視了。

在另一方面，時代前進也必然要求教育范式的變革。19世紀初“洪堡制”大學(xué)誕生，開始提倡學(xué)術(shù)和教學(xué)自由原則，專業(yè)制和學(xué)分制日趨成熟并延續(xù)至今。然而，隨著新科技革命中熱門技術(shù)的加持，學(xué)科領(lǐng)域卻發(fā)生了高度的交叉，很難再用上一輪科技革命所誕生的學(xué)科范疇去界定這些技術(shù)所歸屬的領(lǐng)域。如何滿足新科技革命對傳道解惑的跨學(xué)科需求，使受教育者進一步回歸其創(chuàng)新本原，將成為變革時代高等教育需要實現(xiàn)的目標之一。

作者們針對當前力學(xué)教育所遇的上述瓶頸，從力學(xué)本科課程體系改革的角度出發(fā)，提出若干對策，并結(jié)合近年來浙江大學(xué)工程力學(xué)系的教學(xué)實踐進行闡述。

1 課程體系的構(gòu)建——從封閉到開放

相比基于“灌輸”方式進行封閉式知識傳授的現(xiàn)有力學(xué)課程體系，可基于對學(xué)科發(fā)展過程的梳理提出力學(xué)3.0概念，其中1.0代表學(xué)科的建構(gòu)，2.0代表學(xué)科的輻射，3.0代表學(xué)科的嬗變。這一學(xué)科觀從新的視角來注釋力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，也從保持學(xué)科先行性及培養(yǎng)社會未來引領(lǐng)者的角度，對重塑力學(xué)本科課程體系提出了要求。

力學(xué)通常被視為工程的先導(dǎo)，著眼于發(fā)掘蘊含在工程中的基本規(guī)律和定量設(shè)計準則，在傳統(tǒng)工科背后擔任著“頂梁柱”的作用。目前，力學(xué)課程體系面對著如下問題。首先，力學(xué)專業(yè)課程的知識體系發(fā)生了固化，雖然它們在科教興國時期中起到了關(guān)鍵作用，但在新時期已經(jīng)明顯落伍，盡管不斷有局部推進和改革的嘗試，卻未出現(xiàn)整體的推陳出新。正如“頂梁柱”本身一樣，雖然具有強大的支撐作用，但卻并未煥發(fā)出蓬勃的生命力。其次，由于我國總體的教育水平不再處于世界后進，導(dǎo)致教育內(nèi)容也處于不斷更新的上行壓力之中。最后，近現(xiàn)代力學(xué)的新應(yīng)用還未能有效地融入力學(xué)的基本課程，在交叉學(xué)科中所形成的新認識也還未能有效地映射進力學(xué)學(xué)科，以人工智能等為代表的新科技革命技術(shù)還沒有在力學(xué)的知識體系中引起足夠的共鳴。

“力學(xué)3.0”試圖去構(gòu)造一個完整而富有生機的新本科課程體系，以通識課程為根，深植力學(xué)的厚重基礎(chǔ)；以專業(yè)課程為干，使固化的知識體系在零零后受教育者中煥發(fā)新的生機；以交叉課程為葉，積極與更多的學(xué)科進行“光合作用”，為力學(xué)帶來新的能量，期望能夠在幾代生力軍的培養(yǎng)過程中逐步實現(xiàn)整個學(xué)科的“嬗變”。

2 通識課程之根——從入門到筑基

新力學(xué)課程體系的構(gòu)建，首先要求從知識、能力、價值觀這個三位一體的培養(yǎng)目標出發(fā)，提供具體化、操作化和目標化的知識點陣列。通識課程是實現(xiàn)這一目標的最佳載體之一。2018年作者們開始在浙江大學(xué)開設(shè)通識課程“力學(xué)導(dǎo)論”，至今已進行了3個學(xué)年的教學(xué)實踐，共有約530名學(xué)生選課，在線開放課程也于2019年底在中國大學(xué)慕課平臺上線。2020年11月，力學(xué)導(dǎo)論正式獲批教育部首批國家級線下一流本科課程[5]。2020年9月開始，力學(xué)導(dǎo)論成為浙江大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)“強基計劃”班必修課程，并與后續(xù)研討課“工程科學(xué)與創(chuàng)新”一起，構(gòu)成了力學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)類通識課。這是區(qū)別于以往思政類、數(shù)學(xué)類、文體類通識課的一次嘗試。在課程實踐中，作者們也凝練出教材《力學(xué)導(dǎo)論》，于2020年11月正式出版[6]，旋即被教育部高等學(xué)校力學(xué)類和航空航天類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會同時選為推薦教材，試圖為力學(xué)梳理出一個全景式與文化型的全新脈絡(luò)。

力學(xué)導(dǎo)論是一門面向全校大一新生的公選課，并沒有對應(yīng)的前置課程，而且文理科學(xué)生接受力學(xué)知識的能力也具有較大差異。因此課程一開始便跳出了“傳授專業(yè)知識”的目標范疇，而將自身定義為一種工學(xué)博雅教育。課程的第一個目標，是借助力學(xué)豐富的學(xué)科輻射和嚴謹?shù)目茖W(xué)方法，為學(xué)生提供一套不局限于工程科學(xué)的、且能夠通行于不同人群之間的共通知識和價值觀；課程的第二個目標才是教授一部分有興趣的學(xué)生以力學(xué)基礎(chǔ)知識，讓他們理解力學(xué)在知識創(chuàng)造和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面起到的巨大作用，并通過身邊真實的人類成就，來感受力學(xué)對它們的強大支撐。

在作者們看來，力學(xué)通識課程對課程的要求側(cè)重于高階性，而對學(xué)生則側(cè)重于培養(yǎng)戰(zhàn)略性思維能力，即要他們盡可能地對技術(shù)科學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域進行了解，對力學(xué)與相關(guān)學(xué)科的實驗、計算和分析的手段有所涉獵。力學(xué)導(dǎo)論的教學(xué)內(nèi)容共分7個單元，前3個單元由作者楊衛(wèi)進行鋪開式講授，強調(diào)史觀、宏觀與大局觀，以重要人物與重大工程為主線，包括“力學(xué)往事”(溯源理工合一、緣起理工分離、涌現(xiàn)工程科學(xué)等)、“力學(xué)今生”(力學(xué)的主戰(zhàn)場、力學(xué)的新戰(zhàn)場)和“力學(xué)未來”(牛頓力學(xué)之批判、力學(xué)的未解之惑、力學(xué)3.0)。后四個單元由作者趙沛進行細節(jié)展開，強調(diào)微觀、概念與橫斷面，以二級學(xué)科和生活中的具體案例為主線，包括“力學(xué)世界觀”(以及科學(xué)的精神)、“飛行的夢想”(從流體力學(xué)說開去)、“工業(yè)的腳步”(大工業(yè)真正科學(xué)的基礎(chǔ))和“交叉的力學(xué)”(軟物質(zhì)、生物力學(xué)與機器人)。

力學(xué)導(dǎo)論課程開設(shè)以來取得了較高的校內(nèi)外評價，實現(xiàn)了通識教育與專業(yè)教育、知識傳承與能力培養(yǎng)、科學(xué)精神與人文素養(yǎng)、全球視野與家國情懷的結(jié)合，有效地促進了“力學(xué)3.0”課程體系的筑基作用。

3 專業(yè)課程之干——從固化到交織

力學(xué)本科專業(yè)課程的困境，主要表現(xiàn)為其內(nèi)容相當大程度上滯后于新科技革命中最活躍的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對于成長在移動互聯(lián)網(wǎng)時代的大學(xué)生，接觸最多的是各類電子產(chǎn)品，以及豐富多彩的信息資源。如果教師不能使課堂吸引力超越這些信息產(chǎn)品，那么授課效果就會不盡如人意。而基礎(chǔ)力學(xué)目前大部分的教材及教學(xué)載體均停留在20世紀中后葉，在21世紀大學(xué)生眼中“嚴重脫離時代”，從而取敬而遠之的態(tài)度。

以材料力學(xué)課程為例。最為廣泛使用的劉鴻文[7]與孫訓(xùn)方等[8]編寫的教材分別初版于1979年和1982年，內(nèi)容上沿用了鐵摩辛柯的經(jīng)典體系[9]，這一“西學(xué)東漸”在當時百廢待興、科教興國的背景下具有先進意義，也決定了此后四十年各高校材料力學(xué)課程的授課內(nèi)容與方式。但是隨著時代的發(fā)展，其中大部分教學(xué)案例逐漸與學(xué)生的生活經(jīng)驗脫節(jié)。任課教師的學(xué)習(xí)背景和教學(xué)經(jīng)驗讓他們覺得這類案例直觀且便于理解，但是新世紀大學(xué)生很多卻并不對其產(chǎn)生共鳴。這一觀念上的差異性，再加上材料力學(xué)本身散布狀的知識構(gòu)成，就較難實現(xiàn)預(yù)期的課程效果。作者們看來，在現(xiàn)階段無法重構(gòu)教材體系的情況下，教師可以通過提高課程創(chuàng)新性來進行改革：一是在嚴謹?shù)木V領(lǐng)下將教學(xué)變得有趣，二是實現(xiàn)內(nèi)容的與時俱進。例如，大部分同學(xué)并未進過車間或刻意注意過吊車梁，因此基于該形象的課程內(nèi)容或例題就類似一種“填鴨”教育，此時可以采用學(xué)生更熟悉的事物，如可折疊手機、大雪壓枝頭等新案例輔助進行課堂討論。

此外，由于力學(xué)專業(yè)的育人目標同時包含了科學(xué)家和工程師，因此專業(yè)課程改革也需要做到二者兼顧。仍然以材料力學(xué)課程為例。培養(yǎng)科學(xué)家的出發(fā)點在于強化學(xué)生的批判性思維能力，對于經(jīng)典知識要善于提出問題，最好切中其中比較薄弱的環(huán)節(jié)。因此從實際操作上，較適宜于將彈性力學(xué)課程中嚴格數(shù)學(xué)化的分析方法與材料力學(xué)課程中抓主要矛盾的近似化求解手段結(jié)合，進行對比式講述，明晰關(guān)鍵力學(xué)概念及思考方式的形成與演變。從方法論角度，數(shù)學(xué)化的“材料力學(xué)”和“彈性力學(xué)”結(jié)合也更為符合18、19世紀從歐拉到柯西等數(shù)學(xué)力學(xué)家建立固體力學(xué)基本理論的邏輯過程。培養(yǎng)工程師的出發(fā)點則應(yīng)該是強化學(xué)生的實踐性思維能力，即如何將系統(tǒng)化的知識學(xué)以致用，在與實踐的結(jié)合中實現(xiàn)對知識的螺旋形深化。在2019學(xué)年，作者趙沛對材料力學(xué)和材料力學(xué)實驗兩門課程實行聯(lián)合教改，安排了一次貫穿整個后半學(xué)期的探究性實驗，要求學(xué)生通過團隊合作實現(xiàn)對3D打印復(fù)雜桿件結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。從最終效果來看，各團隊均超額完成了預(yù)期目標，除了完成結(jié)構(gòu)的打印和應(yīng)變片測量之外，100%提前自學(xué)了ANSYS等有限元軟件來對結(jié)果進行理論分析。這樣的教改不但提高了學(xué)生們的認知能力、動手能力及團隊合作能力，也很大程度上增強了他們參與其他創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的熱情。

浙江大學(xué)工程力學(xué)系開設(shè)的其他專業(yè)課程也開展了創(chuàng)新性教革嘗試。理論力學(xué)課程以好奇心為切入點，以玩具和魔術(shù)作為載體，通過對身邊熟悉事物和現(xiàn)象的解讀來實現(xiàn)對力學(xué)理論抽象性和復(fù)雜性的講解，相關(guān)教輔書《玩具和魔術(shù)中的力學(xué)》即將由高等教育出版社出版[10]。工程力學(xué)多個教學(xué)班聯(lián)合開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，以賽促教，寓學(xué)于研，提高了學(xué)生對課程的參與和理解程度。彈性力學(xué)課程大幅度提高了學(xué)生主導(dǎo)的研討部分比重，也取得了較好的效果。

4 交叉課程之葉——從執(zhí)著到交叉

新科技革命的一個基本特征是技術(shù)的交叉性強，而力學(xué)本身是一門交叉性突出而豐富的學(xué)科。力學(xué)與幾乎所有的基礎(chǔ)學(xué)科和工程學(xué)科都能產(chǎn)生交叉，因此是否能夠及時把握力學(xué)的這一特點并將其映射到本科課程建設(shè)中，便成為了力學(xué)學(xué)科在新世紀中保持生命力的關(guān)鍵。例如，新科技革命中人機共融環(huán)境下的深層次發(fā)掘、學(xué)習(xí)與分析，物理世界、信息世界與生命世界的融通，高性能計算手段與數(shù)字孿生技術(shù)，以及兼具各種物理、化學(xué)、生物手段的先進實驗技術(shù)，這些都可以體現(xiàn)為采用力學(xué)理念和方法論來解釋世界時所產(chǎn)生的新知識、新方法和新規(guī)律。在這個意義上，交叉力學(xué)課程便可以成為力學(xué)向新科技革命延拓的橋梁和實現(xiàn)與其他技術(shù)增長點學(xué)科共融的紐帶。

著眼于此，浙江大學(xué)工程力學(xué)系開設(shè)了智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、生物力學(xué)基礎(chǔ)、動力機器人實踐等交叉課程，對此展開布局。交叉課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力，鼓勵他們?nèi)ゲ粩嗌娅C新的領(lǐng)域，開辟新的研究問題，探討新的研究方法，從中發(fā)掘力學(xué)問題，開辟力學(xué)新天地。因此，交叉課程的核心是需要具有一定的挑戰(zhàn)度，實行寬進嚴出，要求學(xué)生課下花費更多的時間進行學(xué)習(xí)與實踐，而不是僅作為興趣課程輕松獲取學(xué)分。

以足式機器人實踐課程為例。機器人是一個綜合系統(tǒng)，涉及本科期間重要專業(yè)課程的綜合應(yīng)用。首先，制造機器人零部件涉及到理論力學(xué)和機械設(shè)計的綜合應(yīng)用，例如對于動力機器人需要考慮腿足部位需要減輕質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從而降低對于動力的需求；進一步合理設(shè)計機構(gòu)以及選取齒輪、減速器等部件都需要綜合運用機械設(shè)計方面的相關(guān)知識。其次，機器人控制是動力學(xué)與控制的重要應(yīng)用，從動力學(xué)建模、控制算法、計算機程序編寫、仿真模擬以及最后在實物上的調(diào)試，每個環(huán)節(jié)密切關(guān)聯(lián)，將一般力學(xué)、控制理論、數(shù)值計算、計算機語言和實踐有機緊密結(jié)合在一起，通過動力機器人作為載體，將理論分析通過機器人運動直觀地表現(xiàn)出來，例如控制參數(shù)選取不合適，將導(dǎo)致機器人無法行走或者發(fā)生高頻抖動等意料之外的現(xiàn)象，通過實際仔細觀察、分析思考以及最終在實物上實現(xiàn)了魯棒的行走步態(tài)，無疑是將賦予理論認識直觀感受，培養(yǎng)了學(xué)生的物理直覺。再次，動力機器人課程還涉及到電機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、慣性傳感器等力學(xué)之外相關(guān)知識，擴展了學(xué)生的知識面。隨著課程的進行，學(xué)生對于機器人的認識深化，這時適當引入機器學(xué)習(xí)方面的介紹，作為機器人課程的外延，為學(xué)生打開新的思路。最后，在課程實踐中需要學(xué)生團隊協(xié)作、親自動手且付出較大的努力，才能夠完成課程任務(wù)。通過努力取得成功，對于培養(yǎng)堅忍不拔的科研探索精神具有重要意義。作者不斷地看到學(xué)生通過發(fā)揮團隊協(xié)作攻關(guān)最后完成項目后的喜悅心情，他們的創(chuàng)造性得到激發(fā)。課程結(jié)束時各小組均實現(xiàn)了對動力機器人設(shè)計、加工、平臺仿真、數(shù)據(jù)遷移、運動調(diào)試等關(guān)鍵實踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在對2016級本科生進行的畢業(yè)調(diào)研中，幾乎全部受訪者均認為該課程是其本科階段受益最深的課程。

5 結(jié)語

國內(nèi)各高校均在積極探索力學(xué)本科課程體系改革[11](如清華大學(xué)“錢學(xué)森班”已經(jīng)歷十余年實踐[12])，但是在該過程中依然有些核心問題留待思考與解決：(1)對于力學(xué)通識課程，如何建立其明確的課程主線與大綱？如果將通識課程按照講座類拼盤課程授課，則在數(shù)次開課后即有淪為“水課”的可能，因此需要將其作為專業(yè)課程的前置課程對待，并因地制宜地設(shè)計出相應(yīng)的邏輯體系；(2)對于力學(xué)專業(yè)課程，如何真正推陳出新？專業(yè)課程的“陳”意味著千錘百煉的經(jīng)典，頗有“一字千金”的意味，因此陳而益堅，無法做到徹底打破，只可能結(jié)合新的形勢去對課程內(nèi)容進行演繹；而如何在有限學(xué)分的情況下實現(xiàn)這一點，是值得探索的問題；(3)對于力學(xué)交叉課程，如何堅持力學(xué)的樞紐地位？在交叉課程中力學(xué)很多情況下體現(xiàn)為隱性的思維方式與方法論，很容易被表面的交叉學(xué)科所掩蓋，因此如何使學(xué)生在交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)中感受到力學(xué)的牽引，也需要不斷進行嘗試。此外，在“強基計劃”重數(shù)理基礎(chǔ)、擁有這些班級設(shè)置的高校力學(xué)專業(yè)如何在原有框架下合理進行課程體系更新和師資分配，也是需要本科教育決策者和從教者需要深思的問題。