萬 超 于 洋 霍 波

(北京理工大學宇航學院,北京 100081)

全球新一輪的科技革命和產業(yè)變革業(yè)已開始并在加速進行。在這一新的歷史機遇下,我國提出了創(chuàng)新驅動發(fā)展國家戰(zhàn)略,在高等工程教育方面重點開展新工科建設,既要設置發(fā)展與大數據、云計算、人體健康等相關的新興工科專業(yè),又要推進機械、鋼鐵等現有工科產業(yè)的轉型升級。其中,多學科交叉融合的工程技術人才培養(yǎng)是新工科建設的重要組成部分[1]。

力學是與新興工科專業(yè)和現有工科專業(yè)均緊密相關的關鍵基礎學科之一。通過力學教育,學生可成長為應用現有技術進行產品研發(fā)的工程師以及開展原始技術創(chuàng)新的工程科學家[2]。近些年來,力學也出現了諸如生物力學、仿生力學等新的交叉研究領域,呈現出介質交叉、層次交叉、質智交叉、剛柔交叉等多學科深度融合的鮮明特征[3]。

如何基于上述力學交叉前沿有效開展力學跨學科教育,培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、學科交叉融合的高素質工程技術人才,是力學服務新工科建設亟需解決的關鍵問題之一。作為學科教育的核心要素,課程是實現人才培養(yǎng)目標的具體形式和有效抓手。因此,如何推進力學跨學科課程建設,與優(yōu)化學科結構、創(chuàng)新培養(yǎng)模式、建立跨學科團隊等其他措施同等重要。本文以生物力學與仿生跨學科課程為例,對當前力學專業(yè)的培養(yǎng)現狀和問題進行分析,并對所開展的針對性措施及其實施經驗進行總結。

1 現狀及問題

1.1 學生對跨學科領域缺少了解

學生需要掌握相對較多的專業(yè)基礎知識,才能更好地對學科交叉前沿內容形成深入理解。因此,學科交叉前沿內容相關的課程一般會安排在大三或大四年級。然而,由于體現專業(yè)特征的課程開設較晚,學生已在基礎課學習過程中逐漸消磨掉了學習熱情,錯過了激發(fā)學生專業(yè)興趣和發(fā)展?jié)摿Φ淖罴褧r機[4]。此外,即使通過課程學習對該學科交叉方向產生了興趣,由于學制安排,往往也缺少足夠的時間來系統提升相關的知識及能力。

1.2 教師對跨學科課程內容定位不清

以麻省理工學院的跨學科課程為例,主要有教師自主設計所授課程中的跨學科內容、來自不同學科的學生共同進行課程學習、以及不同學科教師共同開設跨學科課程三種形式[5]。在我國,目前的跨學科課程多是第一種形式。然而,這種跨學科課程較易造成學生獲得知識的碎片離散化,更無法形成多學科的系統性思維。艾倫·雷普克[6]在《如何進行跨學科研究》中明確指出：“假如每個課程都必須重新開始的話,跨學科研究課程就無法令交叉學科更深刻、更完備”。因此,對力學跨學科課程內容進行準確定位,處理好與前后課程內容的內在聯系和鋪墊呼應,是跨學科課程教師面臨的一個主要問題。

1.3 跨學科課程教學方式單一

學科交叉領域新產生的知識信息量每兩年即增加一倍[7]。因此,跨學科課程只有及時吸納當前最新的研究成果,才能使學生具備最新的科學知識和研究技能。但是,由于力學交叉學科領域的實驗設備多數價格昂貴,用于教學的相關實驗項目較少,目前的跨學科課程仍以知識講解和前沿講座等為主。新技術、新理論相關的實驗教學環(huán)節(jié)缺失,使學生喪失了進行實際操作和鍛煉動手能力的機會,導致新工科人才跨學科創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果大打折扣。

2 措施

2.1 與低年級通識教育相結合

生物力學導論是筆者面向力學專業(yè)大三學生開設的專業(yè)選修課,共32 學時(其中實驗6 學時),主要講解生物運動的力學機理、生物表界面潤濕機制、細胞的多場耦合力學特性等生物力學與仿生領域的前沿成果,旨在提升力學專業(yè)學生對跨學科領域的認知,形成運用多學科方法分析解決問題的綜合能力。在新工科建設背景下,自2020 年開始將生物力學導論課程增設為通專融合型公共選修課。課程主要以形象有趣的生物現象和功能為導引,通過先進技術的實驗分析來揭示其力學特征和機理,并進一步展示該成果在現實生活中的應用情況。課程考核以考查方式開展,調研報告占50%、實驗報告占30%、課堂作業(yè)占20%。該課程通過與低年級通識教育相結合,吸引了全校五十余名學生選修,有效地激發(fā)了低年級學生對跨學科領域的興趣。例如,學生自主確定調研報告主題,涵蓋了昆蟲外骨骼、動物運動原理、生物集群行為、仿生微結構等多方面(如表1 所示),報告中既有對當前研究現狀的總結,還有在現狀調研基礎上提出的創(chuàng)新想法。

表1 生物力學導論學生調研報告典型題目

2.2 與基礎力學課程相結合

跨學科教育不僅可以作為獨立的一門課程出現,還可嵌入到現有課程中進行呈現,通過前后相關課程內容的相互融合,使學生能夠形成完整的跨學科思維和解決問題的能力[8]。因此,力學跨學科課程建設還要注重與基礎力學課程相結合。對實際案例的分析是基礎力學課程開展教學的重要方式,是學生學習如何應用力學理論最為直接的途徑。在基礎力學課程案例庫中引入跨學科案例,既能使學生在深入理解理論的同時拓寬視野,又能為今后的跨學科課程學習進行鋪墊,有助于形成解決復雜問題的綜合創(chuàng)新能力[9]。

結合筆者在基礎力學教學中的經驗與思考,發(fā)現在理論力學課程教學中較易引入運動生物力學案例,如以武術中的燕式平衡姿勢為例講解靜力平衡條件(如圖1,其中,Ci為各體段的質心位置,FN為地面支持力)、以芭蕾舞旋轉時的小腿內收為例講解動量矩守恒定律(如圖2,其中,實線、圓圈和點畫線分別表示人體體段、關節(jié)及旋轉軸)、以舉重支撐狀態(tài)下的下肢復杠桿[10]為例講解虛位移原理(如圖3)等；在材料力學課程教學中易引入生物固體力學案例,如以骨科臨床中提出的人體股骨近端三元素穩(wěn)定理論[11]為例講解彎曲內力計算(如圖4)、以動物骨骼的中空結構為例講解抗彎剛度、以竹節(jié)蟲細長下肢的著陸分析[12]為例講解壓桿穩(wěn)定(如圖5) 等。此外,今后在力學其他課程中也可引入相關的跨學科案例,如在力學中的數理方法課程教學中可以骨愈合過程中的細胞分化與增殖[13]為例講解常微分方程和偏微分方程相關知識等。需要注意的是,在選取與基礎力學課程進行融合的跨學科案例時,要保證案例的真實、難度適宜,并體現出研究探索性,還要注意案例需明顯體現出力學的樞紐作用,使學生在學習中不被表面的交叉學科知識分散關注點[14]。

圖1 理論力學課程教學跨學科案例–– 武術燕式平衡

圖2 理論力學課程教學跨學科案例–– 芭蕾舞旋轉動作

圖3 理論力學課程教學跨學科案例–– 舉重

圖4 材料力學課程教學跨學科案例–– 股骨近端承載的簡化模型及其彎矩分布

2.3 與現代教育技術相結合

作為培養(yǎng)學科交叉復合型卓越工程技術人才的重要途徑,實驗環(huán)節(jié)既能鞏固和強化學生對新理論和新技術的學習成果,還能有效提升學生的學習興趣、學習參與度及自主學習能力[15]。在交叉學科實驗儀器昂貴、難以用于教學的現實條件下,筆者基于WebGL 技術,使用Unity3D 和Maya 等開發(fā)工具,研發(fā)了人體運動與肌骨系統生物力學虛擬仿真實驗教學平臺(如圖6 所示),并在2020–2021 學年的生物力學導論課程教學中進行了初步應用。

圖6 人體運動與肌骨系統生物力學虛擬仿真實驗教學平臺

該虛擬仿真實驗項目包括人體運動捕捉及分析、骨與軟骨壓痕測試、軟組織拉伸實驗三個模塊。在人體運動捕捉及分析模塊中,學生將學習掌握人體肌骨動力學分析的基本原理和常用測試技術,具體開展步行、跑步等預設動作以及個性化動作下的人體動作捕捉和動力學分析實驗；在骨與軟骨壓痕測試模塊中,學生將掌握材料力學特性的壓痕理論及基于原子力顯微鏡的測試技術,具體開展皮質骨、松質骨、關節(jié)軟骨各向異性力學特性的定量分析實驗；在軟組織拉伸實驗模塊中,學生將了解軟組織力學測試原理和分析技術,并針對韌帶組織的橫觀各向同性超彈性力學特性以及肌肉組織的主被動收縮特性開展拉伸實驗。

3 結語

綜上所述,本文圍繞我國“新工科”建設背景下的力學跨學科課程建設,以北京理工大學力學系開設的生物力學與仿生課程為例,分析了當前跨學科課程建設中所面臨的主要問題,提出了解決問題的針對性措施,并對其實施經驗和效果進行總結。主要結論如下。

(1)針對學生對跨學科領域缺少了解的問題,可通過面向低年級學生開設跨學科領域相關的通識教育課程以及開展自選主題調研報告等方式,提升學生對跨學科領域的認知,引發(fā)深入學習的興趣。

(2) 針對教師對跨學科課程內容定位不清的問題,可通過梳理跨學科課程的教學內容,提煉出反映跨學科課程內容的實際案例,融入到前后基礎力學課程的教學中,形成力學類課程的內在聯系和鋪墊呼應,避免跨學科課程內容的碎片化。

(3)針對跨學科課程教學方式單一的問題,可借助現代信息技術,開發(fā)虛擬仿真實驗教學項目,形成圍繞跨學科課程內容的綜合創(chuàng)新線上實踐平臺,提升學生的學習參與度及自主學習能力。

此外,筆者在上述教學實踐基礎上,今后將在通識課教學模式和實踐環(huán)節(jié)創(chuàng)新、生物力學與仿生課程案例庫建設、虛擬仿真實驗教學的虛實結合探索、學生跨學科綜合創(chuàng)新實踐活動開展等方面開展進一步的教學改革實踐。