力學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新型改革研究與實(shí)踐

摘? 要：力學(xué)是工科大類專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，是工科學(xué)生提升專業(yè)素質(zhì)的重要學(xué)科，了解和掌握力學(xué)是工科專業(yè)學(xué)習(xí)生涯的重中之重。因此對(duì)于本科階段的力學(xué)教學(xué)，尤其以理論力學(xué)為主，以及與之相關(guān)的如材料力學(xué)等，教師都需要進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)地準(zhǔn)備打磨。但力學(xué)學(xué)科較為枯燥，如何進(jìn)行改革創(chuàng)新，增強(qiáng)其趣味性？提出一種全新的力學(xué)教學(xué)方式，并從教學(xué)實(shí)踐中得出結(jié)論，這種改革增強(qiáng)力學(xué)學(xué)科對(duì)學(xué)生的吸引力，提高該學(xué)科的廣度以及深度。既可以讓學(xué)生了解該學(xué)科、掌握該學(xué)科，生成濃厚的興趣，推動(dòng)其專業(yè)素養(yǎng)的進(jìn)步，也可以促進(jìn)學(xué)生個(gè)人的學(xué)習(xí)能力，對(duì)學(xué)生的綜合素養(yǎng)有著巨大的提升。

關(guān)鍵詞：力學(xué);教學(xué)改革;創(chuàng)新教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）10-0045-04

Abstract： Mechanics is the basic subject of engineering major and an important subject for engineering students to improve their professional quality. Understanding and mastering Mechanics is the top priority of engineering professional career. Therefore， for undergraduate mechanics teaching， especially theoretical mechanics， and related basic courses such as materials mechanics， teachers need to prepare carefully. But the course of Mechanicsis boring， how to reform and innovate， enhance its interest？ This paper puts forward a new teaching method of Mechanics， and draws a conclusion from the teaching practice. This reform enhances the attraction of mechanics to students， and improves the breadth and depth of the subject. It can not only enable students to understand and master the subject， generate strong interest， promote the progress of their professional quality， but also promote students' personal learning ability， which has a huge improvement on students' comprehensive quality.

Keywords： Mechanics; teaching reform; innovative teaching

為了學(xué)習(xí)貫徹以習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想，貫徹落實(shí)黨的十九大精神，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，并堅(jiān)決執(zhí)行教育部所印發(fā)的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中要求全面開展一流本科課程建設(shè)，消滅“水課”等規(guī)定，要堅(jiān)持創(chuàng)新教學(xué)，堅(jiān)持以人為本和諧共進(jìn)的思想，以學(xué)生為主，并適當(dāng)提升學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度、拓展課程深度、提高學(xué)生綜合素養(yǎng)。而作為工科中的基礎(chǔ)學(xué)科，力學(xué)尤其是本科階段涉及到的理論力學(xué)和材料力學(xué)，在工科學(xué)生尤其是機(jī)械類、土木類等重要的傳統(tǒng)學(xué)科的學(xué)習(xí)生涯起著至關(guān)重要的作用，是學(xué)生入門相關(guān)專業(yè)必不可缺的一門課程，其中所學(xué)習(xí)的不僅限于理論知識(shí)，還有對(duì)相關(guān)學(xué)術(shù)問題的解決方法、解決思路的介紹以及啟蒙，可以提高學(xué)生以后從事相關(guān)專業(yè)的專業(yè)素養(yǎng)、研究素養(yǎng)，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，以及學(xué)會(huì)理性認(rèn)知、定性分析、定量計(jì)算的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。由此可見，對(duì)力學(xué)學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的把關(guān)以及提升至關(guān)重要。

一、對(duì)理論力學(xué)的認(rèn)知

（一）理論力學(xué)學(xué)科特色

理論力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)。其知識(shí)內(nèi)容架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，理論力學(xué)分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三大部分，它們既相互獨(dú)立但又在思路上具有統(tǒng)一性，即運(yùn)用了大量的數(shù)學(xué)工具，如微積分、二元向量等;同時(shí)，該學(xué)科與實(shí)際工程十分接近，所以在公理、定理的推論中以工程中實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象作為引導(dǎo)，以數(shù)學(xué)方法以及定理作為工具，從而推導(dǎo)出該現(xiàn)象的原因并以數(shù)學(xué)的方式即定量的方式給出定義或者推論，從而揭示該現(xiàn)象的力學(xué)本質(zhì)?？梢钥偨Y(jié)為：力學(xué)現(xiàn)象加以數(shù)學(xué)推論得到理論。而對(duì)學(xué)科的掌握與否，表現(xiàn)在學(xué)生是否能掌握且會(huì)運(yùn)用所得推論，并最終給予考核。所以，掌握理論力學(xué)的重點(diǎn)在于以下四點(diǎn)。

（1）對(duì)力學(xué)現(xiàn)象有著深刻的觀察。以便于在觀察后可快速地進(jìn)入定性、定量分析階段，并且形成更加深刻的印象，對(duì)以后類似的力學(xué)現(xiàn)象可以快速地進(jìn)行相同的處理方法，即屬于歸納總結(jié)法。同時(shí)，在具有深刻觀察后有助于還原該力學(xué)現(xiàn)象，從而可以到達(dá)對(duì)該力學(xué)理論的實(shí)際運(yùn)用，為今后解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ)，更加加深學(xué)生對(duì)力學(xué)的理解。

（2）運(yùn)用所學(xué)理論進(jìn)行力學(xué)現(xiàn)象的恢復(fù)以及再創(chuàng)造?；謴?fù)在于可以加深對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的理解，在恢復(fù)的過程中其實(shí)就是對(duì)所學(xué)理論的運(yùn)用，可以同時(shí)加強(qiáng)對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的理解以及對(duì)定理的運(yùn)用。而再創(chuàng)造過程則是對(duì)定理的運(yùn)用以及提高創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。以上可以理解為從生活中得出普遍規(guī)律，并將所學(xué)得的知識(shí)反哺于生活。

（3）學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具的思想。數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科在力學(xué)研究以及其他學(xué)科中都有著不可或缺的作用，而在力學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具是在專業(yè)學(xué)習(xí)以及以后的學(xué)習(xí)研究中重要的一步，在力學(xué)學(xué)習(xí)中意識(shí)到數(shù)學(xué)工具的重要性，有助于培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人的學(xué)習(xí)能力以及理性思考能力，培養(yǎng)其辯證唯物主義的世界觀。

（4）建立模型的思想。力學(xué)問題的認(rèn)知根本在于力學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，最終將問題數(shù)據(jù)化，使得學(xué)生能夠更加深入理解問題根本所在。在解決實(shí)際工程問題的時(shí)候，常常進(jìn)行條件性計(jì)算，而條件性計(jì)算常常是建立在合適的模型下進(jìn)行的，而建立模型的過程十分重要，對(duì)問題是否正確有著直接的影響。所以擁有并且能夠正確建立模型的思想很重要。

（二）傳統(tǒng)理論力學(xué)教學(xué)方式的弊端

傳統(tǒng)的理論力學(xué)模式，以教師為主，以課本作為知識(shí)媒介，采用多媒體等方式對(duì)學(xué)生展開介紹。其中對(duì)力學(xué)現(xiàn)象更多是以視頻、圖片等展示，少數(shù)方便展示的以實(shí)物展示。而學(xué)生始終對(duì)力學(xué)現(xiàn)象僅存有視覺方面的感官，而并非通過自我操作發(fā)現(xiàn)力學(xué)現(xiàn)象中的細(xì)節(jié)，從而對(duì)其加深印象。

傳統(tǒng)教學(xué)的考核方式主要是以試卷考試為主，學(xué)生平時(shí)的表現(xiàn)與學(xué)習(xí)的情況以出勤率以及課堂、課外作業(yè)為主。其中存在的問題是無法單獨(dú)對(duì)每位學(xué)生做出真正客觀的評(píng)價(jià)，并且，試卷對(duì)力學(xué)現(xiàn)象的還原有限，難以讓學(xué)生真正理解問題。并且隨著每年的考核方式相同，使得考試內(nèi)容中的力學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)相似甚至雷同等情況，使得考試變成了一套程式化、規(guī)律化的考核方式，不能真正讓學(xué)生靈活地使用方法去解決力學(xué)問題。

傳統(tǒng)教育更多強(qiáng)調(diào)的是歸納總結(jié)規(guī)律，而非靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)工具去解決力學(xué)問題。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于前者強(qiáng)調(diào)的是對(duì)規(guī)律以及規(guī)律背后的公式進(jìn)行記憶，這樣會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生只進(jìn)行死記硬背而不去理解該現(xiàn)象背后的真正理論知識(shí)，即陷入教條主義，不會(huì)靈活變化。而學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具則是強(qiáng)調(diào)方法論，可以在解決問題時(shí)進(jìn)行多種思路的綜合。

二、力學(xué)創(chuàng)新教學(xué)

（一）創(chuàng)新教學(xué)的模式構(gòu)建

1. 課堂模式

課堂教學(xué)模式重點(diǎn)以介紹力學(xué)現(xiàn)象為主，加以數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。其中重點(diǎn)在于對(duì)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，以數(shù)學(xué)語言（數(shù)學(xué)工具）去理解數(shù)學(xué)現(xiàn)象，即如何將力學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型的過程。例如理論力學(xué)中運(yùn)動(dòng)學(xué)中剛體運(yùn)動(dòng)部分有對(duì)科里奧利加速度（以下稱科氏加速度）的講解，會(huì)存在該加速比較抽象，學(xué)生難以理解而選擇去強(qiáng)行記憶的情況。這樣會(huì)使其理解不徹底，無法在相似的情況下使用該知識(shí)點(diǎn)。而這種加速度存在于生活中，如河流的流水現(xiàn)象等，所以在介紹該力學(xué)現(xiàn)象中，應(yīng)該從力學(xué)現(xiàn)象的發(fā)生深入，從力學(xué)現(xiàn)象本身的數(shù)學(xué)屬性（如位移方程、速度方程、加速度方程）推導(dǎo)出該現(xiàn)象的數(shù)學(xué)解釋，即科氏加速度的數(shù)學(xué)定義。在推導(dǎo)過程中要注意其過程每一步的科學(xué)性以及可理解性，這樣有助于學(xué)生的理解。最后要達(dá)到的目的是學(xué)生能夠在不同的力學(xué)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)并指出該知識(shí)點(diǎn)，即能夠進(jìn)行建模和再建模的過程。借用數(shù)學(xué)公式將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行推導(dǎo)的過程，可以有助于學(xué)生明白該公式的來源以及使用方法。由于環(huán)境的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)公式不會(huì)是一成不變的，根據(jù)辯證唯物主義中運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，只有掌握知識(shí)的本質(zhì)才能真正地理解并運(yùn)用，而并非死記硬背。另外，對(duì)于數(shù)學(xué)公式的變形以及對(duì)不同力學(xué)現(xiàn)象的應(yīng)用可以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2. 實(shí)踐模式

實(shí)踐模式總結(jié)流程圖如圖2所示。

其中具體環(huán)節(jié)介紹如下。

（1）提出問題：即教師提出一種力學(xué)現(xiàn)象，要求學(xué)生用已有的材料通過設(shè)計(jì)、計(jì)算做出可以合理達(dá)到要求的結(jié)構(gòu)。（2）定性、定量分析：通過查找、測(cè)量獲得數(shù)據(jù)，通過分析判斷所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要求是否合理，通過對(duì)已知數(shù)據(jù)的分析以及運(yùn)用課堂所學(xué)的數(shù)學(xué)工具、方法的處理，定性定量地設(shè)計(jì)出合理結(jié)構(gòu)。（3）現(xiàn)象重現(xiàn)、模型構(gòu)造：運(yùn)用所給材料對(duì)自己所設(shè)計(jì)的力學(xué)現(xiàn)象重現(xiàn)親自動(dòng)手制作。要求學(xué)生親自還原，自己動(dòng)手，強(qiáng)調(diào)自創(chuàng)，全程參與。制作的時(shí)候采用小組團(tuán)隊(duì)合作的方式，學(xué)生在小組內(nèi)進(jìn)行交流，增強(qiáng)學(xué)生在研究學(xué)習(xí)中的團(tuán)隊(duì)合作能力。（4）結(jié)果分析：在現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)后要及時(shí)對(duì)力學(xué)現(xiàn)象是否滿足要求，是否符合力學(xué)要求進(jìn)行判斷。如果符合要求則需要對(duì)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行整體的分析與總結(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)十分重要，是能否在今后再對(duì)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行加深理解的重要環(huán)節(jié)。如果力學(xué)現(xiàn)象沒有成功復(fù)現(xiàn)，則需要再分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。

（二）課題實(shí)例

1. 實(shí)例一 課題名稱《橡皮泥跑得慢》

課題要求：將一張模型板剪裁后設(shè)計(jì)并制作一個(gè)立體結(jié)構(gòu)的作品，將一塊橡皮泥也設(shè)計(jì)并捏制成某種形狀。然后將橡皮泥從立體模型結(jié)構(gòu)上由靜止開始釋放，測(cè)量它在結(jié)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)耗時(shí)，要求橡皮泥的運(yùn)動(dòng)速度肉眼可觀察到。

提供材料及工具：一張60 mm*60 mm的模型板、一塊直徑10 mm高20 mm的橡皮泥、剪刀、直尺、美工刀、雙面膠。

課內(nèi)學(xué)生4人自由組團(tuán)，進(jìn)行定量比賽，橡皮泥在立體結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng)耗時(shí)最長的團(tuán)隊(duì)獲勝。學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)格迥異的立體結(jié)構(gòu)和橡皮泥外形作品，冠軍團(tuán)隊(duì)的作品實(shí)現(xiàn)了橡皮泥小球在模型結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng)最長耗時(shí)33 s，如圖3所示。

本課題運(yùn)用的知識(shí)主要為理論力學(xué)。橡皮泥材料的外形可以隨意改變，且質(zhì)地均勻，可以方便地得出質(zhì)心，方便進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。模型材料方便進(jìn)行剪裁，在設(shè)計(jì)中要考慮受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。其重點(diǎn)之處在于運(yùn)用了力學(xué)問題中的兩種模型，即靜力學(xué)問題中剛體質(zhì)心的求解問題以及動(dòng)力學(xué)中剛體運(yùn)動(dòng)的模型，如在運(yùn)動(dòng)分析中需要對(duì)剛體進(jìn)行坐標(biāo)系的建立等模型過程。這兩種模型均在課堂上分別提出，而在實(shí)際過程中需要將二者相結(jié)合，即體現(xiàn)一種綜合能力以及模型再創(chuàng)造的過程，同時(shí)也有助于學(xué)生將建模意識(shí)應(yīng)用于實(shí)際力學(xué)現(xiàn)象中。

2. 實(shí)例二 課題名稱《遙控車過紙橋》

課題要求：僅采用6張A4復(fù)印紙，不得使用任何粘結(jié)劑，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紙橋。然后由學(xué)生自己操作遙控小車，使其順利通過紙橋。

提供材料及工具：6張A4復(fù)印紙、剪刀、直尺、美工刀。

課內(nèi)學(xué)生4人自由組團(tuán)，進(jìn)行定性比賽，遙控小車順利通過且紙橋不發(fā)生變形和倒塌的團(tuán)隊(duì)獲勝。學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)格迥異的紙橋結(jié)構(gòu)。冠軍團(tuán)隊(duì)的作品如圖4所示。

本課題運(yùn)用的知識(shí)主要為材料力學(xué)。紙橋的設(shè)計(jì)要考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算。與課堂中理論不同之處在于，在實(shí)際建模制作的過程中，即在實(shí)際工程中，需要對(duì)多種因素進(jìn)行探討研究以及討論。本課題有助于提升學(xué)生建立模型意識(shí)，合理的運(yùn)用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行條件性分析，并且加深學(xué)生心里力學(xué)現(xiàn)象在實(shí)際工程中的重要性。

3. 課堂效果

隨機(jī)抓拍的課堂場(chǎng)景照如圖5所示。課堂上學(xué)生們熱情高漲，氛圍活躍，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)濃厚，設(shè)計(jì)能力、自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力、表達(dá)溝通能力得到明顯提升，教學(xué)效果顯著。學(xué)生評(píng)價(jià)：“大學(xué)最有趣的課，華理最難搶的課?！苯處熢谡n堂上發(fā)掘了一批有創(chuàng)意、有潛力的好苗子，成為后續(xù)“雙創(chuàng)”實(shí)踐的儲(chǔ)備人才。

（三）教學(xué)策略

（1）多層次學(xué)習(xí)機(jī)制。學(xué)習(xí)過程中，在教師和學(xué)長的指導(dǎo)及引領(lǐng)下，學(xué)生不僅可以學(xué)到專業(yè)知識(shí)，也可以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作、穩(wěn)定心態(tài)、發(fā)散思維等能力。并且在這個(gè)過程中，不僅僅只應(yīng)用了理論力學(xué)和材料力學(xué)等力學(xué)知識(shí)，還應(yīng)用了數(shù)學(xué)及物理等方面的知識(shí)，將學(xué)生平時(shí)所學(xué)應(yīng)用于一個(gè)作品中，達(dá)到多層次學(xué)習(xí)目的。

（2）激發(fā)興趣機(jī)制。在課堂教學(xué)中，教師與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作的形式，隊(duì)與隊(duì)進(jìn)行課內(nèi)比賽，按照比賽成績及教師對(duì)學(xué)生們的課堂表現(xiàn)及作品創(chuàng)新性進(jìn)行打分，真正做到了“在玩中學(xué)，在學(xué)中玩”。令學(xué)生們可以發(fā)散自己的思維，不再是簡單地解決問題，而是去思考，應(yīng)該怎么完善，怎么使自己的設(shè)計(jì)更合理，脫離了標(biāo)準(zhǔn)答案的限定，有了更廣袤的思維空間，從而讓大家因興趣而熱愛，達(dá)到教學(xué)目的。

（3）反饋機(jī)制。學(xué)生在制作過程中出現(xiàn)的實(shí)踐問題，及時(shí)向教師反饋，共同探索問題出現(xiàn)的原因并商討解決措施。對(duì)于在實(shí)踐過程中理論方面的困惑，及時(shí)與教師交流，做到有疑必問。實(shí)踐結(jié)束后，完成課程報(bào)告并反思回顧實(shí)踐過程中的不足，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷完善自己，提高自己的科學(xué)文化素養(yǎng)。

三、結(jié)束語

力學(xué)創(chuàng)新型課程的開設(shè)，探索了全新的教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容以及考核辦法，課堂實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”，教師轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)者和組織者，課程深受學(xué)生歡迎，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生將力學(xué)理論靈活應(yīng)用到實(shí)踐中，教學(xué)質(zhì)量提升效果顯著。

隨著新的產(chǎn)業(yè)革命以及多種新經(jīng)濟(jì)、新模式的來臨，產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及落后產(chǎn)業(yè)淘汰勢(shì)在必行，要求具有較高的適應(yīng)能力以及自我學(xué)習(xí)能力。為了培養(yǎng)出適合時(shí)代潮流發(fā)展、走向世界的人才，教育創(chuàng)新勢(shì)在必行。而對(duì)于理論力學(xué)和材料力學(xué)這類基礎(chǔ)學(xué)科，需要更加系統(tǒng)詳細(xì)地進(jìn)行教學(xué)，其目的在于能夠使得學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)研究中能更加得心應(yīng)手，成為社會(huì)需要的創(chuàng)新型人才。

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基金項(xiàng)目：2021年度上海高校市級(jí)重點(diǎn)課程項(xiàng)目“《理論力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐課》”（滬教委高[2021]34號(hào)）

作者簡介：馬新玲（1975-），女，漢族，上海人，博士，副教授，研究方向?yàn)榱W(xué)與機(jī)械。