工科院校應用物理專業《理論力學》教學改革的思考

摘要：根據授課對象的不同，《理論力學》分工科理論力學和理科理論力學，前者強調邏輯推理的嚴格性，內容相對抽象，與實際生活聯系較少，后者則側重于培養學生的解決工程實際問題的能力。工科院校應用物理專業所設的《理論力學》課程與前兩者從開課目的到教學計劃等方面都有所不同。本文從課程特點和教學目的出發，從教學內容、教學方法和手段等幾個方面討論工科院校應用物理專業《理論力學》的教學改革。

關鍵詞：理論力學 教學改革 教材內容

中圖分類號:G42 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)12(c)-0000-00

《理論力學》是一門理論嚴謹、推理嚴密而又廣泛聯系工程實際的一門學科，是研究物體機械運動一般規律的科學，是各力學學科分支的基礎，同時也是現代工程技術的理論基礎。理論力學的特點是強調概念的確切性和邏輯推理的嚴格性，并力圖用公理體系來演繹力學理論。該課程培養學生的邏輯思維能力、創新思維能力、分析和解決工程實際問題的能力，并為學習一系列后續課程打下堅實的理論基礎。

《理論力學》大體分工科理論力學和理科理論力學（即物理專業理論力學）[1，2]。物理專業《理論力學》是后續三大理論物理課程《熱力學與統計物理學》、《電動力學》和《量子力學》的基礎，工科專業《理論力學》是材料力學、機械原理、結構力學、彈性力學、流體力學等后續課程的基礎。理科理論力學與工科理論力學，從開課目的到課程安排等方面都大不相同。理科理論力學是物理學專業的一門主干課程，是普通物理力學的延續課，又是物理學專業的學生接觸到的第一門理論物理課程，位居“四大力學”之首，它側重于理論，內容相對抽象，與實際生活聯系較少，它的任務是使學生對宏觀物體機械運動的普遍規律有較全面較系統的認識，培養學生理性思維能力和解決一般力學問題的能力，同時為學習后續課程打基礎。工科理論力學側重于培養學生的解決工程實際問題的能力，并為學習一系列后續相關課程打下理論基礎。

在我校，《理論力學》是于2002年創辦應用物理專業后開始發展的，2008年被評為校級重點建設課程。我校是以工科為主的院校，對我校應用物理專業而言，理論力學有特殊的意義。本文從課程特點和教學目的出發，從教學內容、教學方法和手段等幾個方面討論工科院校應用物理專業《理論力學》的教學改革。

1 專業及課程定位

課程為專業和學校的人才培養目標服務，因此，要想建設好《理論力學》課程，首先得分析好本專業的培養目標。我校應用物理專業的特點是，以理論物理為基礎，以工學專業為依托，理工相融。所設的《理論力學》課程，主要結合以工科為依托，理工結合的特點進行，與一般綜合院校、師范院校和工科院校的內容設置有所不同。多年來，學校堅持以“理論聯系實際、強化實踐教學、注重學生素質和創新能力的培養”為教育思想，堅持以人為本，把素質教育作為人才培養的出發點，著力通過各種途徑培養學生的創新精神和實踐能力。我校應用物理專業注重理學基礎和實驗能力的培養，同時加強創新意識和科學的思維方式的基本訓練，使學生畢業后可在物理學、材料物理、工程熱物理、光電子信息等相關的學科領域中從事與實際應用、科研開發相關的工作，或在相關領域繼續深造。因此，本專業理論力學教學中，兼顧加強理學基礎和培養解決實際問題的能力。

2 教學中存在的問題

理論力學兼有基礎理論和工程應用的雙重性質，一方面它可以直接用于解決工程實際中的力學問題，另一方面它對某些后續課程，如量子力學、電動力學、材料力學、流體理學等的教學具有重要的作用。可見，理論力學在高等院校的課程中占有重要地位。然而，目前理論力學教學中存在不少問題[3-5]：（1）理論力學課程理論性強、內容抽象。現有理論力學教材和課堂教學中，在理論聯系實際以及現代科學知識的穿插上明顯不足，內容顯得枯燥，使得學生學習積極性不高，利用基本定理解決實際問題時有一定的困難，有時甚至無從下手；（2）未能突出理論力學作為一門技術基礎課的特點，即理論聯系工程實際不夠，使學生的學習缺乏明確的工程目標，難以理解學習的目的和意義，不利于激發學生的學習興趣，也不利于對學生分析解決實際問題能力的培養，使學生的知識積累和解決問題能力相脫節，與素質教育相背離；（3）以課堂為中心、以教師為中心和以課本為中心，這樣的傳統教學模式難以培養學生的創新意識和創新能力；（4）理論力學中的很大一部分內容與普通物理力學中已學過的內容相重復[6，7]，導致理論力學的教學起點低，要求低，從而影響課程的教學目標；（5）內容多、課時少的矛盾普遍存在，這就促成 “滿堂灌”教學模式，老師講得身心疲憊，學生聽得枯燥無味，達不到預期的授課效果，也達不到解決實際問題的目的，更不能提升學生的創新能力；（6）缺乏實踐教學環節。

基于以上分析，以提高教學質量為中心、以優化課程體系、改進教學方式方法為主要內容的《理論力學》教學改革和課程建設是非常必要的。教學改革的目的是最大限度地提高教學效果，拓展學生的應用視野和應用意識，培養學生分析、解決實際問題的綜合能力。

3 《理論力學》教改內容

3.1 優化課程教學內容

（1）處理好理論力學與普通力學的銜接問題

學生在學習理論力學之前，已多次學過力學課。為了在較短的時間內取得較好的教學效果，必須在內容安排、授課方法等方面與普通力學加以區別。在掌握理論力學與普通力學的聯系和區別的基礎上，理論力學的教學中，做好與普通力學的銜接。普通力學主要利用實驗，歸納總結出物體機械運動規律，側重于一些物理概念、基本定律與定理的建立，定性地給出一些處理問題的方法，強調物理圖像和物理過程，強調對物理本質的探討和分析，強調對基本的物理概念和方法的理解和討論，培養學生初步運用科學思維的能力。而理論力學是從已建立的一些基本定律出發，利用各種數學工具，如矢量、微積分、變分、線性代數等，推導出各種定理，進而運用這些定理去處理機械運動的各種問題。理論力學重視演繹，使人們更加體會到力學定律與數學相結合而產生的效果。現行理論力學教科書，為了強調課程的系統性、完備性，通常按統一模式安排課程內容，課時平均分配，這樣不可避免地產生了理論力學與普通力學部分內容的重復。我們認為：普通力學中已細講的章節，理論力學就不必再詳細講授，而把節省下的課時用到理論力學的核心內容——分析力學上去。否則，大量的重復不但浪費了學時，還會影響學生對學習該課的積極性。

（2）為相關后續課程的學習做鋪墊

在課堂講授中，指出理論力學與后續專業課的銜接點，為后續課程的學習做好鋪墊。分析力學是理論力學的重要組成部分，分析力學的方法可以推廣到量子力學系統和復雜動力學系統中，在量子力學和非線性動力學中都有重要應用。在量子力學未建立以前，物理學家曾用分析力學研究微觀現象的力學問題。從1923年起，量子力學開始建立并逐步完善，才在微觀現象的研究領域中取代了分析力學。但是，掌握分析力學的一些基本知識有助于學好量子力學。例如用分析力學知識求出哈密頓函數，再化成哈密頓算符，又自哈密頓-雅可比方程化成波動力學的基本方程──薛定諤方程等。

（3）增加應用實例

根據我們多年的教學體會，學生掌握理論力學中的基本理論并不難，而難點在于如何應用基本理論去分析實際問題。應用基本理論去分析實際問題是培養應用型人才的重點。理論力學是理論性較強、且與工程實踐緊密聯系的基礎課。由于課本上大部分的實例都是抽象過來的力學簡圖，這門課程學習起來比較抽象。因此，在講授該課程時有必要在減少與普通力學相重復的內容的基礎上，適當增加工程應用實例。除了工程實例，在基本理論的講授中，設置“窗口”，指出經典教學內容與物理前沿發展的“接口”，即在經典物理內容的基礎上引入現代物理知識的內容，使教學內容更加新穎，吸引學生的注意力，填補學生對現代知識的空白點，擴大學生的知識面，讓學生在學習過程中，體會到經典力學知識在現代科學技術中的生命力。例如，在討論圓軌道穩定性時，適當介紹航天技術；在講授質點的散射時，介紹x 射線的散射等。

（4）撰寫適合本專業學生的理論力學教程

在統編教材中，為了保證理論力學這門課程的理論系統性，出現了與普通力學中的部分內容相重復的問題。而且，理科理論力學比較抽象，與實際生活聯系較少，因而缺乏趣味性。因此，在內容多、課時少的情況下，撰寫教材時需適當刪減與普通力學的重復內容，增加分析力學的比重，還可以適當增加非線性混沌內容。另外，從工科理論力學中吸取營養，在教材和講授內容上需借鑒工科理論力學中的工程應用實例。

3.2 改進教學方法和手段

（1）傳統教學與多媒體教學相結合

傳統的教學手段傳達的信息量少、花時間多。而且理論力學課程理論性強、內容抽象。針對這些特點，我們在傳統板書授課基礎上引入多媒體輔助教學手段，將兩者有機地結合起來，發揮各自的長處。多媒體課件演示了理論力學中比較抽象的物理過程，使所學知識圖文并茂，更加形象化。例如: 在有阻力的媒質中運動的拋射體的軌道；質點的散射軌道；歐拉角的定義及變化；剛體的平面平行運動；空間極跡和本體極跡的關系；剛體繞固定點的轉動等等。多媒體輔助教學不僅可以提高課時的利用率，大大減緩“課時少、內容多”所帶來的教學壓力， 也有利于激發學生的學習興趣，使學生對理論力學中的概念和過程有更形象地認識，提高學習效率，改善學生的思維空間，培養學生的創造性思維能力。但若不考慮多媒體呈現的方式和時機，容易超出學生的信息接受能力，形成“信息飛逝”，不利于學生學習，所以教學中結合教學內容實際，靈活應用多媒體技術，而對于一些重點的定理、公式的推導，還應利用傳統形式，邊分析、推導，邊板書，充分考慮到學生理解能力、接受速度，以求達到最好的教學效果。

（2）加強網絡教學

當今網絡如此普及，利用校園網，將電子教案、思考題、答案、習題庫等教學輔助資料通過校園網供學生瀏覽和下載，從而讓學生有條件做到課前預習、課后復習，甚至還可以與學生進行網上答疑和學習交流。

（3）加強實踐教學環節

在教學形式上，除了理論教學之外，還有各種功能不同的實踐教學，包括演示實驗、工廠實習、根據理論力學原理自行設計、參加高科技成果展覽等。

（4）培養學生邏輯思維能力和創新思維能力

課程教學中，根據課程本身的特點，強調邏輯推理的嚴密性，培養學生的邏輯思維能力；強調物理學思想的重要性，培養學生的創新思維能力。考慮到教學課時減少，在教學過程中，可適當刪減與普通力學相重復的內容，但不能將很多理論力學重要定理直接引入，否則不利于培養學生科學素養。另外，教師需從簡單生活現象引出復雜力學問題進而揭示理論力學原理， 從工程設計和研究對象的要求引出適于求解的理論力學理論與方法，將教學與科研、工程應用相結合，把理論力學實驗引進理論力學教學中，強化學生的實驗技能訓練和創新精神培養，激發學生的聯想和發散思維。從主要向學生講授知識轉變到培養學生的動手能力和綜合素質上來，使學生成為教學與科研活動的參與者，全面提高學生的綜合素質。

總而言之，工科院校應用物理專業的《理論力學》教學改革須以加強基礎、拓寬知識、培養能力、提高素質作為指導思想，通過處理好理論力學與相關課程的銜接問題、增加工程應用實例、加強實踐教學環節、結合傳統教學和多媒體教學、撰寫適合于我校應用物理專業的理論力學教材，來提高學生學習理論力學的興趣，使學生深刻理解物體機械運動的基本規律，熟練掌握處理工程實際問題的力學方法，培養學生的邏輯思維能力、創新思維能力和解決實際問題的能力，同時為學生后續的專業課學習打下良好的基礎。

參考文獻

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