理論力學(xué)教學(xué)改革初探

邱海波++田靜

摘 要：理論力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)課程。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，新知識(shí)大量涌現(xiàn)，為了適應(yīng)新的形勢(shì)，本文從理論力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法與手段以及考核方式等方面進(jìn)行了教學(xué)改革的探索。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)；非線性力學(xué)；教學(xué)現(xiàn)代化

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-9214（2015）10-0073-01

引言

理論力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)課程，但是目前在理論力學(xué)的課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)中存在很多弊端，教學(xué)內(nèi)容與力學(xué)重復(fù)較多，并且缺乏時(shí)代氣息，缺乏與當(dāng)前的科技成果緊密的聯(lián)系。另外理論力學(xué)的理論性較強(qiáng)、概念抽象、邏輯思維要求高，傳統(tǒng)的教學(xué)模式大都是講授式教學(xué)，但這不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力。其次考核方式的單一化，也不能對(duì)學(xué)生的整體水平做一個(gè)良好的評(píng)價(jià)。因此，理論力學(xué)的教學(xué)改革很有必要。我們從理論力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法和手段，考核形式等方面做了相應(yīng)的改革探索。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

理論力學(xué)中很大一部分的基本概念和教學(xué)內(nèi)容與力學(xué)有重復(fù)，在課時(shí)較少的情況下，牛頓力學(xué)部分建議適當(dāng)刪減，如質(zhì)點(diǎn)力學(xué)，質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)等等。增加分析力學(xué)部分的內(nèi)容，突出作為理論物理基礎(chǔ)的變分原理[1]。

同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，知識(shí)更新的速度不斷加快。新知識(shí)大量涌現(xiàn)，如果單純拿十幾年前編寫(xiě)的教材來(lái)教學(xué)，已經(jīng)跟不上科學(xué)的發(fā)展。當(dāng)代理論力學(xué)的新進(jìn)展主要體現(xiàn)在非線性力學(xué)的發(fā)展。非線性物理是一門(mén)以非線性系統(tǒng)的普遍規(guī)律和客觀世界的復(fù)雜性本身為研究對(duì)象的學(xué)科，它已成為物理學(xué)研究的前沿學(xué)科，科技工作者的必備基礎(chǔ)知識(shí)。時(shí)至今日，非線性物理已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)特的新學(xué)科，其基本概念和理論也成為了物理理論的重要組成部分，由此課堂教學(xué)應(yīng)適當(dāng)介紹一些重要的非線性理論，如混沌，分岔等等[2]。

此外，應(yīng)適當(dāng)加入理論力學(xué)研究的最新進(jìn)展，讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)到這一傳統(tǒng)的學(xué)科是有其生命力的。如在講解第六章分析力學(xué)中的哈密頓量時(shí)，可考慮以加入耦合哈密頓系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的科研新進(jìn)展，如測(cè)度同步問(wèn)題的研究等等。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中可以提高學(xué)習(xí)興趣。并且會(huì)認(rèn)為科學(xué)研究其實(shí)離自己并不遙遠(yuǎn)。

二、教學(xué)手段與教學(xué)方法的改革

教學(xué)手段與教學(xué)方法偏落后。理論力學(xué)作為基礎(chǔ)力學(xué)的更深層次的物理理論，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到枯燥難學(xué)。單純的理論推導(dǎo)很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，我們可以借助Matlab，Maple，Mthematica等數(shù)學(xué)軟件作為學(xué)習(xí)工具[3]，輔助課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)自主探討式學(xué)習(xí)。利用數(shù)值軟件的豐富性、直觀性、和靈活性，不僅使課堂教學(xué)靈活生動(dòng)，更增加了課堂的信息量，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。使課堂教學(xué)由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，許多傳統(tǒng)教學(xué)方法講授起來(lái)枯燥的內(nèi)容，可以通過(guò)多媒體技術(shù)直觀地表現(xiàn)出來(lái)，更好的掌握理論力學(xué)中比較抽象的內(nèi)容。

例如Logistic映射的分岔[4]，方程：xn+1=λxn（1-xn），其中xn∈[0，1]，λ∈[0，4]。

利用Matlab軟件，得出的分岔圖如圖1：

圖1 Logistic映射的分岔圖

從圖1中我們可以很直觀的看出系統(tǒng)經(jīng)歷了周期倍分岔過(guò)程，直到出現(xiàn)混沌[5]。通過(guò)Matlab在教學(xué)中的實(shí)例分析， 我們看到將Matlab 引入教學(xué)， 不僅增加了理論力學(xué)教學(xué)的多樣性， 而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、考核方式的改革

目前，大多數(shù)高校對(duì)理論力學(xué)的考核形式比較單一，基本上都是采用閉卷考核形式，考核內(nèi)容也離不開(kāi)書(shū)本，離不開(kāi)已有的習(xí)題，可能考試時(shí)臨時(shí)突擊，就可以取得很好的成績(jī)，但這并不是我們最終的教學(xué)目標(biāo)。單一的理論考試形式不利于學(xué)生的創(chuàng)造性培養(yǎng)。改革的目的就是提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)、實(shí)際工作、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。使得教學(xué)重點(diǎn)能真正落實(shí)到學(xué)生能力的培養(yǎng)和自身素質(zhì)的提高，而不是死記硬背書(shū)上的公式，概念。我們可以通過(guò)提交小論文、研究綜述、編寫(xiě)相關(guān)matlab程序等方式進(jìn)行同步考核。

（作者單位：西安郵電大學(xué)理學(xué)院）

基金項(xiàng)目：2014年陜西省自然科學(xué)基金“多組分玻色約瑟夫森結(jié)中的量子動(dòng)力學(xué)相變”（2014JQ1022）；2014年陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)研究計(jì)劃“耦合哈密頓振子中測(cè)度同步的研究”（14JK1676）；2011年陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)研究計(jì)劃“玻色-約瑟夫森結(jié)中動(dòng)力學(xué)相變的研究”（11JK0555）；2013年西安郵電大學(xué)青年教師基金項(xiàng)目“Matlab在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用”（ZL2013-36）。

參考文獻(xiàn)：

[1]何平，廖安生等.理論物理課程教改初探[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（物理專(zhuān)輯），2000，2：79-82.

[2]單曉云，戴占海.在大學(xué)物理教學(xué)中引入非線性物理的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2001，20（20）：33-36.

[3]李豐果，林木欣.用計(jì)算機(jī)演示混沌運(yùn)動(dòng)[J].大學(xué)物理，1999，18（2）.endprint