理論力學“德融教育”思政建設探索

孫慜倩，盧 浩，徐小輝，段力群，李治中

（中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210000）

為深入貫徹習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，依據教育部頒布的《高等學校課程思政建設指導綱要》等文件[1]，教師要徹底落實立德樹人根本任務，提高人才培養質量，加強課程思政建設。工程學科本科生從基礎力學課程開始，首次接觸工程觀點和工程知識，處于工程教育的啟蒙階段，對基礎力學課程的學習將直接影響學生對專業課學習的興趣[2]。

一、理論力學課程教學現狀分析

（一）課程特點

“理論力學”是研究物體機械運動一般規律的一門科學，它以機理性、定量化地認識自然、工程中的規律為目標，是土木、機械、航空航天等工程科學的先導和基礎，為開辟新的工程領域提供概念和理論，為工程設計提供有效的方法，是科學技術創新和發展的重要推動力。同時，力學相關課程之間邏輯清晰、關聯緊密，理論力學課程是學生后續學習材料力學、結構力學等力學相關課程的重要知識儲備，同時是對學生的計算能力、分析能力、建立力學模型能力和解決工程實際問題能力的重要鍛煉。

（二）課程知識結構分析

基于“理論力學”是一門理論性較強的專業基礎課的特性，要求學生掌握質點、質點系和剛體機械運動（包括平衡）的基本規律和研究方法，為將來學習和掌握新的科學技術創造條件；要求學生初步學會應用理論力學的理論和方法分析，具有解決一些工程實際問題的素質與能力。整個課程要求學生對質點、質點系和剛體機械運動的規律有較系統全面的了解，并掌握有關的基本概念、基本理論和基本方法及其應用。

教學內容的編排采用“靜力學—運動學—動力學”的知識體系結構。在知識內容教學的先后次序上，遵循認知的一般規律，按照從平面問題到空間問題、從簡單剛體到復雜系統、從質點到剛體系統、從具體應用到抽象建模等科學方式展開教學內容。

各部分知識內容重難點梳理如下：

1.靜力學部分

重點：通過對物體系統的受力分析，對平面一般力系能熟練地進行力系的簡化，并應用各種形式的平衡方程求解其平衡問題。

難點：正確地進行受力分析；平面物體系統的平衡問題；空間力系的平衡。

2.運動學部分

重點：能運用運動分解的方法，熟練地求解點和剛體運動系統問題。

難點：合成運動的計算及平面運動剛體的運動分析。

3.動力學部分

重點：能應用動力學普遍方程分析一般動力學問題。

難點：動力學綜合問題求解；慣性力系的簡化。

（三）課程教學手段分析

充分借助現代化信息技術手段，可通過混合式教學，圍繞教學內容，關注學生課前、課堂和課后學習成效，將教學活動與能力素質養成相結合，培養學生面對工程實際中的力學問題，利用網絡和數據庫獲取信息和處理信息的能力。

課前，引導學生依據學習目標、重點難點、學習資源、目標任務開展自主預習，觀看推送的學習視頻，完成課前練習和在線測試，做到了解基本現象、基本知識。

課中，依據學生預習情況，靈活采用啟發式、問題驅動式、探究式等多種教學模式，圍繞重難點知識進行課堂精講，組織課堂討論，開展思維啟發和推演論證。教學過程中充分運用工程案例、實物教具、網絡多媒體視頻資源等教學手段提高教學效果。

課后，按照源于課堂又高于課堂的設計，完成線下強化練習，促進學生知識內化；通過完成課程小論文和創新競賽等活動促進學生高階能力拓展。

力學源于工程問題，也實踐于工程問題。源于案例的實體模型的建立對基礎力學課程中抽象復雜概念的學習、理解和運用都起到十分重要的作用[3-4]。在工程背景下，不管是土木工程還是機械工程都包含大量的力學模型和力學知識。教師需要充分考慮學生的能力不同、發展方向不同，形成不同層次、不同方向的培養目標。專業課程體系設定是講授力學課程必修知識的依據，同時對力學課程體系進行分層次、多角度的多維度拓展，從而針對與專業課對接的知識模塊進行重點授課。必修“理論力學”主要分為機械類和土木類兩大類，課堂中的案例分析要針對不同的培養目標展開。在力學知識體系基本構筑成型的基礎上，著重關注教學過程中理論聯系實際問題，將孤立的知識點聯合成一個邏輯分明、層層遞進的整體，把基礎力學課程的知識點構筑成內容完整、層次明確、分類清晰的力學知識體系建筑。

（四）教學效果預期

通過“理論力學”課程學習，使學員掌握物體機械運動的基本規律，初步學會運用這些規律分析解決工程實際中的力學問題，并為材料力學、機械基礎等后續相關課程的學習打下基礎。通過課程學習，培養學生掌握科學的方法論，具備初步分析解決工程實際問題的能力和專業創新意識，力求經過教師引導學生可以把力學相關的概念、解決問題的方法和研究思路貫穿在工程問題解決的全過程，為專業課程后續的學習和解決實際問題打下扎實的理論和實踐基礎。

二、課程教學實施

針對理論力學的課程特點，通過學情分析，著眼工科學生培養目標，課程組“德融教育”全方位、無死角地把思政建設融入日常教學，改進教學設計。本文以知識點“點的合成運動”為例介紹教學設計方案。

（一）教學思路

點的合成運動，研究物體對于不同參考系的運動，分析物體相對不同參考系運動之間的關系，涉及動點的三種速度：絕對速度、相對速度、牽連速度三者之間的關系，以及點的速度合成定理。在這節課的教授中，教師要把傳授知識、培養能力和提高素質三個目標有機統一，融德于課，強調科學思維、科學方法、實踐技能和創新能力的綜合培養。同時需要列舉分析工程背景明確的范例，加強理論力學知識點對實踐的指導作用，尤其是針對不同專業學生的專業需求，充實具有工程應用的教學內容，強調要將理論教學中的研討與分析，引申、聯系到實踐應用中去。

本部分課程內容的講授從職業理想、社會責任、集體主義、人生觀和價值觀、科學精神五個方面進行德融教育。教學過程中，代入情景分析，在力學文化的浸潤和滋養中結合知識傳授和價值引領，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，培養科學的思維方式和科學探索、追求真理、勇攀高峰的使命感和責任感。結合中國航天2022年取得的巨大成就以及相關科研人員理論聯系實際、精益求精的工匠精神、嚴謹務實的工作作風，培養學生的民族自豪感。知識講授過程中，通過三種運動的學習，讓學生體會任何事物都不是孤立的，是相互關聯的；選取不同參考系得到的運動形式和速度都不同。在學生建立“點的合成運動”相關理論概念基礎之上，讓學生自主探索“舟橋工程兵部隊完成野戰渡河工程保障任務”的問題，學以致用。

（二）出示目標

引入案例：2022年7月25日，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭從文昌航天發射場點火發射（如圖1）。同一物體相對不同的參考系運動是不同的，而物體對某一參考體的運動可以由幾個運動合成，并且通過長征五號B遙三運載火箭及其上搭載的問天實驗艙運動分析，說明物體的運動對于不同的參考體來說是不同的，相對某一參考體的運動可以由相對于其他參考體的運動組合而成，通過此新聞的運動分析引出本節課的主題——“點的合成運動”。通過振奮人心的實時新聞報道激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，深層次調動學生的學習內驅動力。

圖1 長征五號B遙三運載火箭從文昌航天發射場點火發射

（三）講授知識點，建立思路

首先介紹相關“點的合成運動”的幾個基本概念：“定參考系和動參考系”“絕對運動、相對運動和牽連運動”，其中涉及“三種運動、三種速度和三種加速度的定義”。

接著，教師明確三種運動時需要注意的問題，為學生后續自主分析運動打下基礎，給出準則和標準。并把此部分內容和基本概念有機融合，幫助學生對定義準確記憶。

基于案例導向的原則，舉出三種典型的運動實例展開分析。案例的選擇要具有典型性、知識點覆蓋性、分析方法關聯性。在此原則下選擇的三個典型實例分別是：（a）偏心凸輪機構；（b）曲柄搖桿機構；（c）平底凸輪機構。偏心凸輪機構的運動特點是無持續接觸點，引導學生主動思考基于這種特點選擇動點和動系的一般方法。類比法是學習力學知識、建立基礎力學知識體系的一種重要的方法。學習知識點的時候，類比法有利于啟發學生利用已有知識拓展思維，從而找出解決新問題的線索，把握知識關鍵要點，科學地提出合理假設。類比法的關鍵是從特殊到特殊或從一般到一般的推理。接著，在偏心凸輪機構運動分析的基礎上，鼓勵學生探究曲柄搖桿機構和平底凸輪機構的運動分析，并總結這兩種機構的特點和動點動系選擇的準則。類比法有利于學生訓練思維，提高自主學習的能力，把握科學的方法論。在整個學習過程中，學生不再是被動接受知識的對象，而是自主探究獲得知識的主體，學生從課堂的參與者之一轉變成為課堂的主人。

下一步發起學生開展探究性討論，通過相同機構選擇不同的動點，對三種運動進行橫向對比，比較動點的選擇對合成運動的重要性。并呼應和驗證之前學生主動總結的動點動系選擇準則。

（四）場景重現

帶領學生進入艦載機在航母甲板上起飛的情景（如圖2），通過觀看視頻素材可以發現起飛前，殲-15艦載機展開機翼，打開發動機；在地面引導下，進入起飛位置，甲板輪擋升起卡住主起落架；隨后殲-15兩臺發動機推力全開，待發動機進入全功率運轉，飛行員做出手勢，輪擋瞬間放下，殲-15便從198米起飛線位置滑跑升空。教師提出問題，艦載機順利起飛需要達到的最小速度，航空母艦的速度對該速度的影響，兩者之間需滿足的關系。

圖2 艦載機在航母甲板上起飛

顯然，這與航空母艦和艦載機之間的相對運動有關，可以利用合成運動理論來分析。對于這種沒有直接約束的兩個研究對象來說，選擇艦載機為動點，動系固結于航空母艦，動點絕對速度為va，由于牽連運動為航空母艦的運動，動點的牽連速度與航空母艦該瞬時的速度相等，此時，航空母艦上工作人員看到的艦載機的速度就是兩者間的相對速度。這里我們需要研究點的相對速度、牽連速度和絕對速度三者之間的關系。

（五）觀察討論并進行理論推導

通過樹葉落地瓢蟲P點運動場景重現模擬動點、定系、動系，并對三者的運動展開分析進行理論推導（如圖3）。

圖3 樹葉上瓢蟲運動場景重現

（六）學而習之

宇宙飛船在太空中擺脫萬有引力的影響，完成與航空器的對接，兩者的運動之間需要滿足以下關系，宇宙飛船在地球上面做加速運動，當它的速度達到一定的標準以后停止持續加力，宇宙飛船就會保持速度的慣性直接被甩出地球，緊接著宇宙飛船在太空中要依靠速度來進行對接。

一般在太空中，宇宙飛船需要跟航空器進行對接，航空器在太空中是相對靜止的狀態或者有自己的運行速度，宇宙飛船需要進入特定的軌道，依靠方向和速度的控制，盡量保證和航天器同樣的速度，這樣才能保證宇宙飛船在和航天器對接的時候可以順利進行。

（七）即時總結

實際運用的能力和水平是教學評價的關鍵。情景模擬的實踐思考題，使學生從不同角度分析涉及彎曲問題的梁的設計準則，以模擬宇宙飛船對接軌道的實例，提升學生抓住問題本質開展分析研究的創新性思維模式和解決實際問題的能力，對標本章節教學在思維層次的目標，對學生的掌握情況有一個綜合準確的判斷。首先宇宙飛船在宇宙中的飛行速度決定著它們軌道的大小，當速度一定時，它們的軌道都是一定的，通過設定確定的發射時間，以及設定目標的速度，即可完成同一個軌道上對接。

拓展提問引發深層次思考：在有萬有引力的影響下和脫離萬有引力的影響的情形下，兩個物體完成對接有何區別？

（八）任務布置

案例背景：在現代戰爭條件下，舟橋工程兵部隊必須快速完成野戰渡河工程保障任務。在構筑浮橋渡場中，要求錨定門橋在湍急的江河上破浪前行，到指定位置拋錨定位。

作業任務：如圖4，若門橋在岸邊距離指定錨位的寬度為L，水流的流速為v水，門橋在靜水中的速度為v船，則由以下環境條件給出門橋的航行方案：

圖4 渡河工程保障場景

1.門橋怎樣渡河可以最短時間到達錨位？

2.若v船＞v水，怎樣渡河門橋行駛路程最短？

3.若v船＜v水，門橋能否垂直河岸到達錨位？若能，請說明理由，如不能，則怎么渡河門橋漂下的距離最短？

三、總結與反思

本知識點的教學思路如圖5所示，整個教學過程要素齊全，兼顧前期的知識儲備，著重培養學生觸類旁通的能力和理論聯系實際的素養，教學反饋及時全面。

圖5 教學思路圖

在理論力學重點章節“點的合成運動”教學中，從傳統的“傳遞-接受式”轉向“教授—輔導—探究結合”新型混合式教學方法。在教學過程中，側重于分析問題本質，教學重點從計算求解轉向科學思維的培養。從職業理想、社會責任、集體主義、人生觀和價值觀、科學精神五個方面進行德融教育。課程期間代入情景分析，在力學文化的浸潤和滋養中結合知識傳授和價值引領，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，同時培養科學的思維方式和科學探索、追求真理、勇攀高峰的使命感和責任感。有機結合中國航天2022年取得的巨大成就以及相關科研人員理論聯系實際、精益求精的工匠精神、嚴謹務實的工作作風，培養學生的民族自豪感。

“理論力學”課程應緊扣“知識、能力、素養”三位一體培養高素質應用型新時代人才的培養目標，圍繞教學大綱難點內容展開教學，通過傳統與現代多種教學方法與手段的有機結合，將專業、實踐以及價值觀教育深入融合。教師不斷將思政教育融入基礎專業課的教學，才能培養更加正能量的學生。