新工科背景下“理論力學”教學改革探索

李寶輝 王正中 李會軍

摘 ? ?要：“理論力學”是工科院校一門重要的技術(shù)基礎課，是后續(xù)力學課程與其他專業(yè)課程的根基。文章聚焦新工科人才培養(yǎng)目標，針對傳統(tǒng)教學過程中的一些典型問題，結(jié)合自身教學實踐提出了教學改革措施，以期激發(fā)學生的專業(yè)興趣、拓展課程深度、提升學生的創(chuàng)新精神與實踐能力以及強化學生解決復雜問題的綜合能力。

關鍵詞：新工科;理論力學;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2020）11-0015-02

面對新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命，需要對傳統(tǒng)工科教育進行升級改造形成新的工科教育形態(tài)——新工科，以培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型人才[1]。新工科不僅更加注重對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而且更加注重學生社會責任感的養(yǎng)成，更加強調(diào)學生綜合能力培養(yǎng)，最終要達到全方位育人的目的。

作為工科基礎的力學課程面臨最大的困難就在于如何與工程實踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力，這一點在先導課程“理論力學”的教學中尤為突出。因為“理論力學”課程是工科院校學生從理論邁向工程的第一步，其核心是對力學基本原理的闡述，是理論之源、工程之基。相較于其他力學課程，“理論力學”的工程問題針對性“較弱”，它聚焦的是最基本的問題、最根本的理論和最一般的方法;再者，“理論力學”課程具有邏輯推理的嚴密性和對工程問題的高度抽象性，所以，它重在對學生力學思維能力和建模能力的培養(yǎng);并且，作為其他力學課程的前期入門課，“理論力學”的紐帶過渡作用更加顯著，他是從基礎理論邁向?qū)I(yè)問題的關鍵一環(huán)，這一環(huán)節(jié)的牢靠程度直接影響著學生后續(xù)專業(yè)素質(zhì)的高低。

因此，只有將起紐帶、支柱作用的“理論力學”中的原理方法和思維方式滲入骨髓、融進血液，學生其他綜合能力的培養(yǎng)才會有后勁。然而，這一最高理想的實現(xiàn)在實際教學中面臨諸多困難，這也成為培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才的障礙。

由于“理論力學”與數(shù)學聯(lián)系緊密，其中定理多、推導多[2]，學生學習起來稍顯吃力，應用起來更是倍感困難，那自然也就提不起興趣，缺少鉆研的勁頭，導致卷面不及格率偏高，這是“理論力學”教學中普遍存在的一個問題。另外，作者在教學實踐中還發(fā)現(xiàn)了另外一些有代表性的問題。第一，現(xiàn)有的“理論力學”教材內(nèi)容大都按“靜力學—運動學—動力學”的篇章順序進行編排，這是出于教材體系的完整性考慮的，其中靜力學部分首先講平面力系[3]，這部分內(nèi)容與大學物理有重疊，一些學生便延續(xù)慣性思維，用舊方法處理“理論力學”中的新問題，不重視“理論力學”分析方法，導致在復雜問題分析中思路混亂、不得要領。第二，要熟練掌握“理論力學”中的原理方法，必須通過一定量的習題演算來加深理解，然而，現(xiàn)在學生課業(yè)負擔重、課后可支配的練習時間較少或者學生由于惰性不愿意主動練習，這就導致了學生課堂上似乎聽得明白，等到自己獨立完成題目時又感到無從下手。第三，以往“理論力學”課程的考查方式主要是期末考試，用一次成績來評定學生對這門課程的掌握程度，為了應付考試，學生中有臨時抱佛腳的現(xiàn)象，對相關定理只求記住結(jié)論而不求甚解，這樣的學習效果甚微，更談不上活學活用。

直面這些問題，探索解決之途徑是新工科背景下在“理論力學”教學方面亟待開展的工作。作者從以下幾個方面進行了一些嘗試，以期能激發(fā)學生的學習興趣、夯實學生的力學功底，最終提高學生解決實際問題的綜合能力。

一、緊密結(jié)合實際，讓理論“有血有肉”

為了避免理論講解的枯燥，就必須從實際問題出發(fā)，激起學生的求知欲望，然后再趁熱打鐵引出相關理論，這樣才更有針對性不會讓理論懸空，才會講出生氣，對學生才更有吸引力，他們固然更樂于接受。教學案例的列舉也不能一味地寬泛、復雜，更多地應該具體、針對性強，最好是能應用所學理論詮釋其中的力學原理。比如，在速度合成定理中，先通過日常見到的水管在高流速下出現(xiàn)亂甩現(xiàn)象激發(fā)學生興趣，再通過飛機空中加油管道的流速控制引出絕對速度的計算，最后再結(jié)合簡單的中學物理問題——小船渡河，讓學生對速度合成定理的結(jié)論進行猜測，此時學生求知欲望已達到極點，然后再具體推導，這樣比直接講授效果好很多;再比如，剛體平面運動中速度基點法的講解結(jié)合自行車輪輻條現(xiàn)象;動量定理中結(jié)合鳥撞的碰撞力和火炮后坐力問題;動量矩定理中結(jié)合賽車比賽中的空翻事故、蛤蟆夯的工作原理和競技體育中運動員身體姿態(tài)的變化原因等等;這些實例既具有普遍性又可以通過新理論直接進行計算分析，有助于增強學生的成就感和自信心，自然也就提高了學習興趣。另外，相關定理講解時可以結(jié)合相關科學家的生平事跡，如科氏加速度的發(fā)現(xiàn)，達朗貝爾原理的提出等等。這樣有助于學生志存高遠，心向卓越。

二、精簡內(nèi)容，充分利用好課堂時間

“理論力學”教材為了自身體系的完整，其中靜力學中有部分知識與大學物理重合，特別是平面力系問題學生已較熟練，故可直接從空間力系部分講起，闡述一般力系的分析方法，將平面問題作為特例順帶指出，著重建立“理論力學”處理問題的方法思路，避免學生沿用物理中的方法解決“理論力學”問題。這樣不受限于原有的課程體系，讓“理論力學”輕裝上陣才能適應時代要求[4]。

充分發(fā)揮多媒體的作用，將難以用言語描述的信息通過視覺直觀地展示給學生。借助動畫、圖片等，讓學生感受到“理論力學”要處理的問題是美妙且充滿樂趣的。這種形象化的教學，不僅能增強課堂教學效果，提高課堂效率，而且可以提高學生觀察、分析、解決問題的能力[5]。

三、增加課堂討論，多角度審視問題

要掌握“理論力學”知識，必須保證一定量的練習，這是學好“理論力學”的不二法門，不會因時代而變化。鑒于學生課業(yè)負擔重、課后可支配時間少的情況，需要適當增加課堂練習和課堂討論，打破“老師講—學生聽”的傳統(tǒng)模式，使學生充分參與到課堂教學中來，盡可能利用課堂時間加深學生對知識的印象。例題演示中側(cè)重引導學生理清解決問題的思路，結(jié)合板書列出關鍵步驟;習題討論時將學生分成若干討論組，以小組為單位完成課堂練習，然后選代表闡述求解思路，最后教師再點評講解。這種討論性的課堂讓學生從被動接受者變?yōu)橹鲃訉W習者，教師則由主導者變?yōu)橐龑д吆椭笇д撸@樣的課堂效率自然更高，同時也培養(yǎng)了學生清晰準確的表達能力和力學思維能力。為了讓每一位學生都積極參與課堂討論，避免個別學生始終游離于討論之外，我們采取兩種措施，第一，課堂討論成績二次分配，成績是以小組為單位的總成績，各組長按照成員的參與程度進行再次分配;第二，課堂時間有限，學生不能充分完成練習，所以回答問題只是闡述解決思路，并不要求提供準確的計算結(jié)果，這樣更容易提高學生參與的積極性。

“理論力學”中定理較多，學生看到題目時就條件反射式地尋思著該應用哪一個定理求解，長此以往，學生只會做題而不會從實際的工程問題中提煉力學問題，不利于學生綜合應用能力的提升。筆者認為導致這種結(jié)果的原因是學生對問題缺乏宏觀的認識，始終深入其中，卻難以看清其貌。教學過程中應當對定理的產(chǎn)生背景、處理問題的特征交代清楚，先讓學生對定理有個感性認識，然后再介紹定理內(nèi)容，通過引導學生不斷地轉(zhuǎn)換角度審視問題，不斷地跳出紅塵看紅塵來強化其對定理的宏觀認識。比如動力學部分中會出現(xiàn)多個定理，其溯源都可追尋到牛頓第二定律，這些定理的作用在于建立物體系受力與其整體運動特征間的關系，所處理的問題特征鮮明。這些定理實際上是將牛頓定律的活水引入到生活的方方面面，使其在不同的情境下呈現(xiàn)不同的卻是最簡潔的形式，這也是應用力學家的工作意義所在。提供這樣的角度，學生便可對動力學部分有一整體認識。再比如，有些學生會將達朗貝爾原理理解成牛頓第二定律的簡單移項，這是偏頗的，如果從自由質(zhì)點和受約束系統(tǒng)角度來看問題便會豁然開朗。

四、開展多樣化考核，作業(yè)精細化

豐富考核方式，注重平時考查，減小期末成績權(quán)重。“理論力學”課程的最終成績由期末考試成績（50%）、作業(yè)成績（30%）和平時課堂討論成績（20%）三部分組成。平時討論成績中一部分（70%）是課堂講解過程中進行的隨堂小組討論成績;另一部分（30%）來自于每節(jié)課后的趣味性思考題的個人成績，這部分成績的設置主要是培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，同時也是提高課程挑戰(zhàn)度的一個手段。至于作業(yè)，并不局限于傳統(tǒng)的各自獨立完成的紙質(zhì)作業(yè)，還可以是小組作業(yè)，由一個小組中的各個成員協(xié)作分工完成。這樣每一個成員必須完成對應的分工，否則就會拖累整個小組，從而提高了作業(yè)的參與度，避免了抄襲現(xiàn)象，更重要的是鍛煉了學生的合作能力。要通過作業(yè)不僅讓學生掌握所學知識而且要養(yǎng)成“理論力學”的思維方式，這需要一個過程，教師對作業(yè)批改的細致程度影響著這一過程的長短。因此，對于學生作業(yè)應逐個批改、逐處批注，切不可為節(jié)省時間分批批改！學生作業(yè)應該成為教師向?qū)W生傳遞嚴謹認真態(tài)度的媒介。這樣將考察分散在平時教學的過程中，有助于學生將精力集中在課堂，有利于學生及時消化所學內(nèi)容，可以有效地避免考前臨時抱佛腳的現(xiàn)象發(fā)生。

五、結(jié)論

“理論力學”課程的教學是一個不斷探索、創(chuàng)新的過程。讓原本嚴謹、枯燥的理論變得趣味橫生又不失其縝密的一面是所有教學方法追求的目標，也是學生最樂于接受的方式，只有這樣教學效果才會更好、學生學習效率才會更高，才有利于拓展“理論力學”課程的深度，強化學生解決實際問題的綜合能力。

參考文獻：

[1]李華，胡娜，游振聲.新工科：形態(tài)、內(nèi)涵與方向[J].高等? ? 工程教育研究，2017，（4）.

[2]余為.提高理論力學課程興趣的幾點思考[J].教育教學? ? 論壇，2015，（2）.

[3]張亞紅，劉睫，趙玉成.非力學專業(yè)理論力學教學改革的? ? 思考[J].力學與實踐，2002，（3）.

[4]鄭泉水.論創(chuàng)新型工科的力學課程體系[J].力學與實踐，? ? 2018，（2）.

[5]張克猛，周紀卿，任寶生.理論力學課程的教學改革與? ? 實踐[J].中國大學教學，2000，（2）.