建立基礎(chǔ)力學(xué)課程自學(xué)資源網(wǎng)的探索

文華斌，付 磊，張應(yīng)遷，李 良，羅云蓉

建立基礎(chǔ)力學(xué)課程自學(xué)資源網(wǎng)的探索

文華斌，付 磊，張應(yīng)遷，李 良，羅云蓉

隨著一些新學(xué)科課程被逐漸引入到大學(xué)課堂，基礎(chǔ)力學(xué)等老學(xué)科課程的學(xué)時做出了壓縮的調(diào)整。如此一來，力學(xué)課程課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)就顯得愈加重要了。在當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)條件和課外學(xué)習(xí)特點基礎(chǔ)上，構(gòu)建基礎(chǔ)力學(xué)課程自學(xué)資源網(wǎng)，對學(xué)生的課外學(xué)習(xí)進行引導(dǎo)和輔助，以期提高力學(xué)教學(xué)的效果。

基礎(chǔ)力學(xué)；課外學(xué)習(xí)；自學(xué)資源網(wǎng)；力學(xué)教學(xué)

文華斌，付磊，張應(yīng)遷，李良，羅云蓉/四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院講師(四川自貢643000)。

基礎(chǔ)力學(xué)（理論力學(xué)、材料力學(xué)及工程力學(xué)）課程是高等工程類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。我國基礎(chǔ)力學(xué)課程體系是在20世紀50年代引用蘇聯(lián)模式的基礎(chǔ)上建立起來的，注重系統(tǒng)性和理論性，為我國工業(yè)的發(fā)展奠定了夯實的力學(xué)理論基礎(chǔ)。隨著社會科學(xué)的發(fā)展，各高校將一些新學(xué)科課程逐漸引入到大學(xué)課堂，而對于基礎(chǔ)力學(xué)等老學(xué)科課程，則進行了學(xué)時不斷壓縮的調(diào)整，但是講授的內(nèi)容并未減少，對學(xué)生的要求也并未降低。對于基礎(chǔ)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，僅靠課堂時間學(xué)習(xí)就更加不夠了。很多力學(xué)教育工作者都對學(xué)生提出了2倍于課堂時間以上的自學(xué)時間的要求，可以說，課外學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)力學(xué)課程非常重要的一個環(huán)節(jié)，課外投入精力的多少和學(xué)習(xí)效率的高低在很大程度上決定了學(xué)生的成績。然而，教師對課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的掌控力度非常小，往往是通過課后作業(yè)布置及口頭要求來督促學(xué)生進行課外學(xué)習(xí)，使得學(xué)生的課外學(xué)習(xí)方式就是“看書、做作業(yè)”，學(xué)習(xí)效果極不理想。目前課外學(xué)習(xí)呈“放任自流”的狀態(tài)，效果則完全取決于學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。

基于以上考慮，筆者所在教學(xué)團隊擬借助當(dāng)前發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立基礎(chǔ)力學(xué)課程自學(xué)資源網(wǎng)來引導(dǎo)、輔助學(xué)生進行力學(xué)課程的課外學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及力學(xué)成績。根據(jù)目前的教學(xué)成果累積和學(xué)生課外學(xué)習(xí)特點，擬從以下幾個方面來建設(shè)某一科基礎(chǔ)力學(xué)課程的自學(xué)資源網(wǎng)。

一、引入力學(xué)史知識，厚重化力學(xué)知識點

力學(xué)是最早開始的一門學(xué)科，其發(fā)展有著悠久的歷史。古希臘時期，力學(xué)附屬于自然哲學(xué)，后來成為物理學(xué)的一個分支。17世紀后期，隨著牛頓三大定律的提出，力學(xué)開始形成為一門獨立的學(xué)科。經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，力學(xué)已經(jīng)建立了比較完整的體系。在建國初期，我國更是將力學(xué)列為自然學(xué)科的7大基礎(chǔ)學(xué)科之一。

力學(xué)數(shù)百年的發(fā)展歷程凝聚了無數(shù)學(xué)者的研究成果，其中不乏成果卓越的力學(xué)巨星，如牛頓、伽利略、歐拉等。這些學(xué)者中，或數(shù)位學(xué)者牽連于一個成果，或一位學(xué)者聯(lián)系于數(shù)個成果。他們的研究工作推動了力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，成為力學(xué)史的主體。然而，力學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，時常伴隨著一些慘痛的教訓(xùn)，如加拿大魁北克大橋坍塌、土耳其DC－10飛機失事、美國堪薩斯城飯店倒塌等。這些歷史事件發(fā)生的原因多為當(dāng)時對某些力學(xué)問題研究的不足。由于事件的發(fā)生而突出了這些問題的存在，吸引學(xué)者們積極參與研究，從而推動力學(xué)的發(fā)展。

這些歷史人物及事跡和歷史工程案例匯聚成了一部恢弘的力學(xué)史。將力學(xué)史知識融入到力學(xué)教學(xué)中，可使力學(xué)課程具有一定的吸引力，學(xué)生學(xué)習(xí)也更容易理解和掌握。目前，很多力學(xué)教育工作者都提出了將力學(xué)史融入到力學(xué)教學(xué)中的建議，并做了大量的教改研究工作。力學(xué)史知識量豐富，融入到有限的課堂時間內(nèi)是非常困難的，而將其融入到課外學(xué)習(xí)中，則可打破時間的限制，可以讓學(xué)生進行大量的力學(xué)史料閱讀，細細品味力學(xué)的發(fā)展歷程。

綜合考慮文獻[1]對力學(xué)史料的分類，在力學(xué)自學(xué)資源網(wǎng)中，對搜集的力學(xué)史料分類整理為人物篇和工程案例篇兩部分。（1）人物篇部分，按照時間順序搜集整理對力學(xué)發(fā)展有所貢獻的學(xué)者的研究成果及事跡。學(xué)生可以先易后難地接觸到力學(xué)問題，按照力學(xué)發(fā)展歷程來了解、熟悉力學(xué)學(xué)科。在閱讀史料過程中，學(xué)生可以了解到力學(xué)各知識點的研究、發(fā)展、成熟過程，從而更加深刻的理解和掌握此知識點。例如對于懸臂梁橫截面應(yīng)力分布問題[2]，從伽利略（Galilei Galileo,1564～1642）在 1638 年出版的 《關(guān)于兩門新科學(xué)對話》中開始探討，到納維（Navier,claude-Louis-Marie-Henri,1785～1836）1826 年在出版 《力學(xué)在機械與結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用》中確定梁的中性層，經(jīng)歷了近200年的時間。 期間凝聚了馬略特 （E.Mariotte,1620～1684）、 胡克(Robert Hooke,1635～1703)、瓦利農(nóng)（Pierre Varignon,1654～1722,法國）、伯努利（Jacob Bernoulli,1654～1705）、帕朗（Parent Antoine,1666～1716）等學(xué)者的貢獻?？此坪唵蔚囊粋€懸臂梁橫截面應(yīng)力分布問題，擴展到200年的時域上，并聯(lián)系諸多學(xué)者的研究歷程，增加了此知識點的厚重性，非常有助學(xué)生的學(xué)習(xí)。（2）工程案例篇，按照時間順序搜集整理世界范圍內(nèi)的著名歷史事件，通過事件發(fā)生的力學(xué)原因?qū)⒄n本理論與實踐結(jié)合起來，突出知識點重要性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及嚴謹態(tài)度。例如，1907年在加拿大發(fā)生的正在興建中的魁北克大橋（Quebec Bridge）垮塌事件?？笨舜髽蚩逅籈ngineering news稱為“有史以來的最大工程災(zāi)難”，也被認為是懸臂結(jié)構(gòu)的最大災(zāi)難，還被評為20世紀10大工程技術(shù)悲劇之首。經(jīng)調(diào)查，事故是由于南懸臂跨的一下弦桿受壓失穩(wěn)引起的，而弦桿受壓失穩(wěn)是由于自重估計過低所致 （事后計算實際自重超出估算自重20%，而不是原先以為的7%至10%）[3]?？笨舜髽蚩逅录鳛閴簵U穩(wěn)定理論的工程應(yīng)用背景，可增強學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識。同時，此次事件的慘痛教訓(xùn)足可引起學(xué)生對壓桿穩(wěn)定理論的重視，進而培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

二、教改成果輔助教學(xué)

數(shù)十年來，力學(xué)教育工作者就力學(xué)教育改革發(fā)表了大量教改論文。一部分教改論文是圍繞某個知識點的講解來寫的，可以將這一部分教改論文收集起來，分門別類地歸結(jié)到各知識點下，作為學(xué)生學(xué)習(xí)該知識點的輔導(dǎo)材料?！皺M看成嶺側(cè)成峰”，單從一個角度去學(xué)習(xí)某知識點，很難一窺全貌。如果從各個角度、不同深度去學(xué)習(xí)該知識點，則容易獲得非常全面、深入的理解。例如，就如何作內(nèi)力圖，我國力學(xué)教育工作者發(fā)表了大量的教改論文，提出了大量的內(nèi)力圖畫法。如文獻[4]提出通過梁的受力圖直接畫內(nèi)力圖的直接畫法；文獻[5]介紹了一種較為簡捷的方法求解指定截面的內(nèi)力，進而根據(jù)內(nèi)力圖的某些特征快速畫出內(nèi)力圖；文獻[6]利用 q(x)、Q(x)、M(x)三者之間的積分關(guān)系，將控制截面內(nèi)力的計算方法轉(zhuǎn)換成簡單的幾何圖形面積的計算，進而進行內(nèi)力圖的繪制，并稱之為面積法。此類論文可以培養(yǎng)學(xué)生快速、準確作出內(nèi)力圖的能力。文獻[7]介紹了一種適用于任意平面桿系結(jié)構(gòu)（鋼架、桁架、排架、組合結(jié)構(gòu)等）的程序化作圖法，并可擴展到任意空間桿系結(jié)構(gòu)問題；文獻[8]利用Excel軟件完成了三鉸拱繁瑣的內(nèi)力計算，并準確、快速的繪制其內(nèi)力圖；文獻[9]利用三維圖形的矩陣變換原理，將單元內(nèi)力和位移繪圖數(shù)據(jù)進行伸縮、旋轉(zhuǎn)和平移變換，在Matlab中實現(xiàn)了空間剛架內(nèi)力圖和位移圖的繪制。此類文獻可以指引一些學(xué)有余力的學(xué)生更高層次的學(xué)習(xí)。通過這些文獻的補充學(xué)習(xí)，將大大提高學(xué)生對內(nèi)力圖畫法的掌握的程度。

教改論文成果作為學(xué)習(xí)輔助材料，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度和深度，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時力學(xué)工作者的教改成果也在教學(xué)中真正發(fā)揮了作用，而不只是停留在期刊雜志上。

三、建立多層次、多樣化在線試題庫

基礎(chǔ)力學(xué)課程具有聽課容易,做題困難的特點，需要學(xué)生在課后花足夠多的時間進行習(xí)題練習(xí)才能真正掌握。很多同學(xué)都沒有通過作業(yè)訓(xùn)練這一關(guān)，使得力學(xué)成績不盡人意。經(jīng)調(diào)查，目前學(xué)生在完成作業(yè)過程中具有以下一些特點：（1）做題時精力不集中、懶散，一個題目耗費過多時間，反致其更加厭惡力學(xué)課程而逐漸放棄；（2）將作業(yè)作為獲得平時成績的手段，并非作為自我學(xué)習(xí)的過程，以致抄襲作業(yè)來獲得好的平時成績；（3）作業(yè)沒有時間限定，可隨意翻閱參考資料，以致學(xué)生根本無法了解自身的學(xué)習(xí)情況，常出現(xiàn)考試成績與平時表現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。基于學(xué)生作業(yè)時的這些情況，擬改變力學(xué)作業(yè)方式，即建立在線試題庫來改善學(xué)生課后作業(yè)練習(xí)環(huán)節(jié)的效果。試題需要在設(shè)定的時間內(nèi)完成，促使學(xué)生集中精力學(xué)習(xí)。試題庫生成試卷時，同時給出試題標準答案，用分數(shù)來調(diào)動學(xué)生做題的興趣和評判學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，迫使分數(shù)低的同學(xué)主動增加學(xué)習(xí)時間。

根據(jù)不同程度學(xué)生的需求，不同學(xué)習(xí)目的的需求，在線試題庫可分為課程基本要求試題、研究生升學(xué)試題、省力學(xué)競賽試題和全國力學(xué)競賽試題四個層次試題。通過試題難度系數(shù)來控制試題的不同層次，比如難度系數(shù)8為課程基本要求試題，難度系數(shù)7為研究生升學(xué)試題，難度系數(shù)4為省力學(xué)競賽試題，難度系數(shù)2為全國力學(xué)競賽試題。學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)目標來選擇不同層次的試題，根據(jù)分數(shù)來調(diào)整自己的學(xué)習(xí)計劃，做到“知己知彼”。

根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進度及學(xué)習(xí)時間，試題庫應(yīng)多樣化，適應(yīng)不同的情況。在出卷范圍上結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)進度，比如理論力學(xué)就可以分為靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)及綜合四個部分。學(xué)生可以根據(jù)需要選其中一部分出題，或選幾個部分來出題。在出卷題量上可設(shè)定多個時間的題量標準，比如30分鐘，60分鐘和120分鐘的標準，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排來選擇題量標準，有效提高題庫使用頻率。

課外學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)是力學(xué)課程學(xué)習(xí)非常重要的一個環(huán)節(jié)，決定了學(xué)生的力學(xué)成績。力學(xué)教學(xué)應(yīng)該從課堂教學(xué)擴展到課外教學(xué)中去，在較多的課外時間內(nèi)充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高課外學(xué)習(xí)效果。課外教學(xué)可通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，內(nèi)容上提出了引入力學(xué)史知識、力學(xué)教改成果輔助學(xué)習(xí)和建立在線試題庫等建議，以期能解決力學(xué)內(nèi)容多而課時少的問題，提高力學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

：

[1]王振東.力學(xué)史雜談（序）[J].力學(xué)與實踐,2009,31:108,24

[2]武際可,說梁.力學(xué)史札記之十九[J].力學(xué)與實踐,2008,30(6):106～109

[3]李著,王景,西奧多·庫珀.魁北克大橋失事記[J].工程力學(xué),1997,14(4):139～144

[4]王祖國,靜定梁.內(nèi)力圖的直接畫法[J].職教論壇,2002,(20):58～59

[5]沈忠.如何快速畫出桿件軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)時的內(nèi)力圖[J].高等工程教育研究,1999,(2):89～90

[6]鄒珊.繪制受彎構(gòu)件內(nèi)力圖的快捷方法——面積法[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報,2009,16(3):32～35,55

[7]陶傳遷,徐學(xué)燕,于琳琳.桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖的程序化作圖方法及應(yīng)用[J].力學(xué)與實踐,2011,33(4):70～72

[8]夏健明.用Excel繪制三鉸拱的內(nèi)力圖[J].力學(xué)與實踐,2010,32(4):104～106

[9]丁星.基于矩陣變換的空間剛架內(nèi)力圖和位移圖繪制[J].力學(xué)與實踐,2010,32(2):128～132

G642

A

1671-6531(2013)18-0105-01

四川理工學(xué)院校級教改項目（2012CL10）；四川理工學(xué)院校級教改項目（JG-1013）

責(zé)任編輯:姚 旺