應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)理論力學(xué)教學(xué)方法改革探索與實(shí)踐

季德生 李宏偉

摘 ?要 教學(xué)方法改革是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。理論力學(xué)課程是一門學(xué)科基礎(chǔ)課，也是工科各專業(yè)的主干課程。針對(duì)應(yīng)用型本科的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)教學(xué)方法中引入多媒體教學(xué)、案例教學(xué)、在線課程、工程分析軟件等新的教學(xué)手段，對(duì)提高應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量，對(duì)機(jī)械類專業(yè)建設(shè)有一定的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 理論力學(xué);教學(xué)改革;多媒體;應(yīng)用型人才;MOOC;SPOC;案例教學(xué);工程分析軟件

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）13-0095-03

1 前言

理論力學(xué)屬于一門學(xué)科基礎(chǔ)課，是工科各專業(yè)的主干課程，主要研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，在機(jī)械、土木建筑、航空航天等許多工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。理論力學(xué)課程既能直接應(yīng)用于解決工程實(shí)際問題，也是學(xué)習(xí)后續(xù)如材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的必備基礎(chǔ)，是由高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程過渡的橋梁，在工科類學(xué)生人才培養(yǎng)體系中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。

2 理論力學(xué)教學(xué)改革的背景

為凸顯應(yīng)用型辦學(xué)特色，各應(yīng)用型院?；A(chǔ)課程的學(xué)時(shí)不斷壓縮。以濱州學(xué)院為例，理論力學(xué)課時(shí)從改革前的72學(xué)時(shí)壓縮至現(xiàn)在的56學(xué)時(shí)，為保證對(duì)后續(xù)課程良好的支撐作用，其結(jié)構(gòu)體系、理論框架基本沒有發(fā)生變化，都是圍繞靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、分析力學(xué)基礎(chǔ)四部分內(nèi)容展開[1]，如圖1所示。

理論力學(xué)課程理論性強(qiáng)，以靜力學(xué)五大公理為出發(fā)點(diǎn)，緊緊圍繞牛頓三大定律及其他經(jīng)典力學(xué)理論，運(yùn)用邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹的方法，得到從不同側(cè)面揭示機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的定理、定律和公式，建立完整而嚴(yán)密的理論體系。這正是理論力學(xué)課程的顯著特點(diǎn)。但對(duì)缺少工程概念的學(xué)生而言，他們普遍認(rèn)為理論力學(xué)抽象難懂，并且錯(cuò)誤地認(rèn)為理論力學(xué)是一門純理論性的課程，在今后的工作中鮮有用武之地。這使得很多學(xué)生覺得理論力學(xué)課程枯燥、乏味、難學(xué)、難懂，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)興趣[2-3]，不僅導(dǎo)致理論力學(xué)課程學(xué)習(xí)不好，后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也較為吃力，進(jìn)而在以考查理論力學(xué)、材料力學(xué)為主的部分高校研究生入學(xué)考試中表現(xiàn)不佳，影響學(xué)生的進(jìn)一步發(fā)展。

在此背景下，對(duì)課時(shí)少、內(nèi)容多、較抽象的理論力學(xué)課程而言，傳統(tǒng)的“教師主講、學(xué)生主聽”的滿堂灌式教學(xué)方法已遠(yuǎn)不能滿足課程需要。結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)方法，充分運(yùn)用現(xiàn)代的多媒體教學(xué)、案例式教學(xué)、MOOC+SPOC教學(xué)、軟件仿真教學(xué)等多種教學(xué)方法，加強(qiáng)課程研討和試題庫(kù)建設(shè)，激勵(lì)學(xué)生參加相關(guān)課外學(xué)科競(jìng)賽，由教師主動(dòng)教變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)學(xué)，不僅使學(xué)生獲得專業(yè)知識(shí)，而且使學(xué)生獲得正確的學(xué)習(xí)方法，形成科學(xué)的思維方式，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐應(yīng)用能力發(fā)展，是理論力學(xué)課程教學(xué)改革與探索的長(zhǎng)期目標(biāo)[4-5]。

3 凸顯應(yīng)用能力培養(yǎng)的理論力學(xué)教學(xué)方法改革

充分使用多媒體技術(shù)，做到板書授課與多媒體授課有機(jī)結(jié)合 ?在學(xué)時(shí)有限的情況下，運(yùn)用多媒體課件可以有效減少傳統(tǒng)板書教學(xué)中畫圖、書寫的時(shí)間，增加課堂的信息量，尤其在表達(dá)一些復(fù)雜圖形和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜態(tài)的板書圖形難以描述出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)于一些空間想象能力稍差的學(xué)生，理解起來晦澀難懂。而多媒體動(dòng)畫和視頻可以讓學(xué)生輕松地理解機(jī)構(gòu)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，達(dá)到事半功倍的效果。同時(shí)，教師可以借助多媒體，以圖片或視頻的形式展示理論力學(xué)中的例題在工程實(shí)際中的應(yīng)用場(chǎng)景，使缺少工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生能將書本上抽象的力學(xué)簡(jiǎn)圖與生產(chǎn)、生活實(shí)踐迅速建立聯(lián)系，理解到理論力學(xué)知識(shí)在工程實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性。例如：在講解重力壩的受力分析時(shí)，引入三峽大壩的壯美圖片;在講解瞬心法求顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的速度時(shí)，引入顎式破碎機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工作視頻與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。

但課堂教學(xué)不能完全依靠多媒體，多媒體只能作為課堂教學(xué)的輔助，很多例題的求解過程、公式的推導(dǎo)還是需要通過板書的形式進(jìn)行分析講解，只有這樣，學(xué)生才能跟上授課教師的節(jié)奏。過多的多媒體使用，尤其是一些晦澀的定理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，容易使學(xué)生產(chǎn)生視覺疲勞，從而喪失學(xué)習(xí)的興趣，此時(shí)，教師在板書授課中的一個(gè)眼神或其他肢體語言更能與學(xué)生產(chǎn)生共鳴。因此，課堂教學(xué)要把多媒體和板書合理結(jié)合起來，提高課堂效率。

引入案例教學(xué)，提升學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)的積極性和主動(dòng)性 ?理論力學(xué)中的概念和定理較多，其概念表述往往邏輯嚴(yán)密，抽象性強(qiáng)，學(xué)生理解起來存在一定的難度，如能適時(shí)舉出生產(chǎn)、生活中常見的案例，對(duì)學(xué)生理解抽象的力學(xué)概念大有裨益，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講解靜力學(xué)公理部分“三力平衡匯交原理”時(shí)，為加深學(xué)生對(duì)定理的理解，舉出命題“物體在三個(gè)力作用下平衡，則三力必匯交于一點(diǎn)”，讓學(xué)生判斷該命題的對(duì)錯(cuò)。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，會(huì)有許多學(xué)生認(rèn)為該命題是正確的。教師此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生觀察教室內(nèi)的燈管并對(duì)其做受力分析：燈管受重力和兩端索鏈的拉力，在三個(gè)力作用下平衡，但這三個(gè)力是平行的。學(xué)生此時(shí)對(duì)三力平衡匯交定理的前提“如果其中兩個(gè)力匯交于一點(diǎn)”有了更深入的理解。

在講解“靜定和超靜定”的概念時(shí)，舉出和尚吃水的問題“一個(gè)和尚挑水吃，兩個(gè)和尚抬水吃，三個(gè)和尚沒水吃”，引導(dǎo)學(xué)生用學(xué)過的靜定和超靜定的概念給出解釋。分析發(fā)現(xiàn)：前兩種情況屬于靜定問題;后一種情況為一平面平行力系，有三個(gè)未知量，屬于超靜定問題，僅學(xué)過靜力學(xué)知識(shí)的和尚解不出該問題，故而沒有水喝了。這樣的舉例既加深了學(xué)生對(duì)概念的理解，又活躍了課堂氣氛，使學(xué)生在輕松愉快中掌握了抽象的力學(xué)知識(shí)。

為了培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，案例教學(xué)還需與專業(yè)背景相結(jié)合。對(duì)于機(jī)械類專業(yè)來說，應(yīng)當(dāng)多選擇與機(jī)械相關(guān)的工程案例作為知識(shí)點(diǎn)的引入和例題的講解。例如：在“點(diǎn)的速度合成”部分講解凸輪頂桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪頂桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行講解，通過凸輪的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)頂桿運(yùn)動(dòng)從而控制氣門的開閉;在講解剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，結(jié)合飛輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，講解其在往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、沖床等機(jī)械中的應(yīng)用。這樣的講解方法既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)課程的興趣，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到理論力學(xué)對(duì)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要性，提高了學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)的主動(dòng)性。

MOOC與SPOC相結(jié)合，將理論力學(xué)學(xué)習(xí)從課堂延伸到課外 ?MOOC（Massive Open Online Courses）即慕課，指大規(guī)模在線開放課程。SPOC（Small Private Online Courses）即小范圍私有在線課程，面向本?；蛑付ㄈ后w開放，教學(xué)單位可控性更強(qiáng)。MOOC+SPOC教學(xué)模式主要通過參加指定的優(yōu)質(zhì)MOOC及建設(shè)私有的SPOC來開展教學(xué)，將線上教學(xué)、討論、測(cè)試與線下作品展示、考試相結(jié)合，完成課程的教學(xué)[6-7]。

課堂教學(xué)由于不能重復(fù)，學(xué)生在課堂上一旦跟不上上課的節(jié)奏，就不能掌握課堂講授的知識(shí)點(diǎn)，這時(shí)在課下學(xué)習(xí)的時(shí)候可以借助網(wǎng)上優(yōu)質(zhì)的MOOC資源進(jìn)行反復(fù)觀看，直到弄懂為止。學(xué)生在課下學(xué)習(xí)的時(shí)候，相當(dāng)于一對(duì)一學(xué)習(xí)，可以根據(jù)自己的思維調(diào)整視頻播放的進(jìn)度，由此，不同基礎(chǔ)的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求都可以得到滿足。

在教學(xué)過程中向?qū)W生推薦哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等一些優(yōu)質(zhì)的MOOC資源;同時(shí)，學(xué)校專門支持錄制符合本校學(xué)生情況的SPOC課程，通過SPOC課程的實(shí)施，教師更方便了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行階段性測(cè)試及在線答疑交流等?，F(xiàn)階段，在線課程不能完全取代課堂教學(xué)，只能作為課堂教學(xué)的輔助手段。學(xué)生通過在線課程的學(xué)習(xí)可以對(duì)課程做充分預(yù)習(xí)，帶著疑問走進(jìn)課堂，提高聽課效率;在課堂上可以與教師展開討論，加深對(duì)知識(shí)的深層次理解;課后通過在線課程可以擴(kuò)展知識(shí)面，也可以隨時(shí)隨地與教師進(jìn)行線上交流，將理論力學(xué)的學(xué)習(xí)從課堂延伸到課外。

將工程分析軟件引入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的能力 ?在理論力學(xué)學(xué)習(xí)中，很多學(xué)生對(duì)于基本概念、基本理論有了初步的了解，能求解一些由實(shí)際問題抽象而來的力學(xué)習(xí)題。但傳統(tǒng)教學(xué)方法往往注重公式定理的推導(dǎo)及力學(xué)問題在特定條件或狀態(tài)下的計(jì)算，缺少對(duì)模型本身運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面多視角的深入分析，致使學(xué)生面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)，不能運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行深入分析處理。在傳統(tǒng)教學(xué)中引入工程分析中常用的有限元分析軟件ABAQUS、ANSYS和動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS作為輔助教學(xué)手段，可使抽象的理論力學(xué)問題結(jié)果以圖像可視化展示，讓物理過程變得更加形象直觀。這樣既可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的興趣，也有助于培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通、項(xiàng)目管理及自我學(xué)習(xí)的能力。

通過課外學(xué)科競(jìng)賽，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力 ?近年來，大量的課外創(chuàng)新活動(dòng)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。學(xué)生通過參加機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人比賽、全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽等創(chuàng)新競(jìng)賽，找到了學(xué)以致用的舞臺(tái)。在制作科技作品時(shí)，無論是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算，還是進(jìn)行傳動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試等，都離不開力學(xué)知識(shí)。實(shí)踐中對(duì)知識(shí)的運(yùn)用敦促學(xué)生以更飽滿的精力回歸課堂，形成“課堂—實(shí)踐—課堂”的良性循環(huán)。近年來，濱州學(xué)院學(xué)子在全國(guó)周培源力學(xué)競(jìng)賽這樣極具挑戰(zhàn)性的比賽中榮獲國(guó)家三等獎(jiǎng)，更激發(fā)了學(xué)生學(xué)好力學(xué)知識(shí)的信心。

4 結(jié)語

“教學(xué)有法，教無定法?！卑凑諔?yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)、需求做出全面分析，因材施教。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中充分運(yùn)用多媒體教學(xué)、案例教學(xué)、在線課程，以工程問題的分析和學(xué)科競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，充分利用課上、課下時(shí)間，做到全方位立體化教學(xué)，定能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)基礎(chǔ)，重應(yīng)用”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

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