理論力學教學實踐中的幾點探討

張曉艷，唐 亮

（重慶交通大學 土木建筑學院力學系，重慶 400074）

理論力學教學實踐中的幾點探討

張曉艷，唐 亮

（重慶交通大學 土木建筑學院力學系，重慶 400074）

通過理論力學教學實踐，針對性地做出了一些有益的教學改革探索，把多媒體手段運用到理論力學的教學實踐中，強調基礎理論學習中聯系實際的重要性，以及教學中對現代化計算機模擬的應用，以期取得良好的教學效果。

理論力學；教學改革；多媒體；教學現代化

我國高校改革逐步與國際化接軌，辦學理念和方法有了較大的轉變。從精英式教育過渡到大眾式教育，教學目標日漸綜合化，要求培養重基礎寬專業，面向市場需求的人才。在這種形勢下，選修課增多了，為了提高學生畢業后的就業競爭力，學生還需獲得英語、計算機等級證書及一些其他的專業類上崗證書，理論力學課程不但課時由96學時減少到了72學時甚至更少，且學生課后自主用于該課程的學習時間更是大幅減少。針對《理論力學》的教學面臨著的巨大的挑戰，我們對其課程教學改革進行了一些有益的嘗試。

一、理論力學教學的現狀

《理論力學》課程教學學時被壓縮，授課時間大幅縮短，不僅造成每一節課的講授信息量增大的同時對課程內容講解詳細程度有所壓縮，甚至部分內容取消留以學生課后自學。這種情況的出現，對教師“教”的能力和學生“學”的能力都提出了更高的要求。為了有效地完成教學任務和目標，多媒體教學的方式無論是形象直觀性還是大信息量的輸出上相比于板書教學有較大的優勢。但是利用多媒體課件在進行公式定理推導、證明以及解題示范過程時，常常使學生感到生硬枯燥，無法跟上教學節奏，教學效果大打折扣。現在智能手機大量普及，學生在聽課感到枯燥時不自覺地就會查看手機信息以及用手機較長時間上網。我們曾利用一節小班教學的理論力學課程進行了統計，上課開始的10分鐘內，100%的學生能夠將注意力集中在課堂上，上課至25分鐘時，陸續就有同學開始一直看著桌下的手機，35名同學中已有8名后排的同學注意力已經轉移到了手機上。距45分鐘下課時間還有5分鐘時，全班約有三成的同學已跟不上上課的節奏。在教學過程中發現，學生普遍感覺聽課易懂，教師上課時無論是推導還是解題學生們都能明白思路和過程，但是一旦學生需要自己動手解答問題，就普遍反映習題難做。《理論力學》靜力學部分的不少概念在中學和大學物理中就已經學過，聽起課來不難接受，但等到自己獨立做題時就感覺相當費時，有時無法下手，其原因就是這些學生從表面上去理解，缺乏自主的分析，并沒有真正掌握和領會解題方法和技巧。

二、理論力學教學方法的改革

1.多媒體手段。適當利用現代的多媒體展現上課內容是目前教學改革的一個重要方面。多媒體是文字、聲音和動畫等多種承載媒體的表現形式，能夠生動地展示豐富的多媒體信息。它有效地加大了課堂信息量，為教師的運用啟發式教學和展示學科前沿內容創造了條件。例如對于一些復雜構件的運動，學生們反映機構的運動和機構中的各個組成部分如何傳遞運動較難想象。在給同學們通過多媒體進行演示之后，將機構運動過程、動點的絕對和相對運動軌跡動態地顯示出來，抽象的問題直觀化，同學們對于構件的運動基本了解之后再運用到運動學以及動力學中，加深了學生的分析和理解。然而并不是所有問題都適合采用多媒體手段，對于基本方程的推導、經典例題的講解，利用黑板書寫教學方法有著獨特的優勢。通過黑板推導方程或者講解例題的時候，對學生來說也是個思考的過程，可以在老師書寫的時候獨立自主思考并跟上解題的思路。運用多媒體講解例題少了黑板書寫的過程，很多例題一晃而過學生不能很好地理解以及思考。從美國等國家大學公開課程中看到，他們有極其現代化的教學手段，除了文字、聲音、動畫等多媒體，也有計算機的模擬仿真等，但是教學上傳統的粉筆書寫黑板、模型教具仍在大量使用，他們不是相互排斥，而是相輔相成。傳統的和現代化的教學手段的有機融合，有助于培養學生的思維能力，使教學的效果得到最大化。所以課時量的壓縮以及現代教學的需要，多媒體教學方式是一種必然的趨勢。每個教師根據自己的講課風格，利用豐富的力學多媒體素材庫，自主開發有自己教學特點的電子教案，它形象直觀，信息量大，優化了理論力學課程教學過程。教師在課堂教學中應用多媒體教學輔助系統，生動演示與理論力學有關的工程問題的背景，包括現場照片、設計圖紙、錄像視頻及相關的簡化力學模型，圖形、圖像動靜結合的表現了理論力學的概念、原理和方法。對于難懂的理論推導和計算，板書就能做到層次清楚，邏輯嚴密，推導過程節奏適中，在充分利用課堂時間的同時又能給學生留有思考的時間和空隙，使其能夠掌握和理解晦澀難懂的理論基礎。

2.注重理論聯系實際。在教學中講授一些基本定理的論述，并不是開門見山地將其描述出來，而是先列出一些生產生活中的實例，比如在講授動量和動量守恒定理時，先以光滑面上偏心轉子、跳水運動員空中轉體以及貓落下時的翻身等動畫，讓同學們自己思考分析，給出力學解釋。對于例題習題，除保留一些經典的例題外，還應不斷地根據時代發展的特點和科技的進步，更新題型以賦予經典的理論力學以時代的色彩，顯示與當代工程實際相結合的魅力。在例題和習題的選擇上還要結合專業特點，因為不同的專業都有不同的側重面，還應注意相關領域的問題，從而有效激發學生的學習興趣和熱情，同時給學生留出充分的想象和探索空間，利用學生的求知欲來引導他們積極思考。眾多的國外特別是美國理論力學教材非常的多，但很大的一個特點是著書人沒有刻意雕琢自己的著作，自由地將寫作重點放在作者對理論力學的理解和體會上，特別是還將學習心得等方面寫出來與大家分享，讀起來非常有特點。例如Marion的《Classical Dynamics of Particles&Systems》，這本書不僅有作者自己的眾多注解和體會，還有特別多的理論聯系實際的具體例子，這些例子也是吸引學生和其他讀者的法寶，在不斷提高閱讀興趣的同時加深了對力學知識的理解和應用。

3.教學中的現代化。1979年錢學森先生就指出“必須明確地把電子計算機和力學工作結合起來，不然就不是現代力學”。我們嘗試了將計算機技術引入理論力學教學，進行教學方法上的創新，培養學生利用計算機進行學習和研究理論力學問題的能力。如在講授雙擺運動中，傳統的分析方法都是瞬態分析，而無法直觀地得到整個運動過程。在教學中，我們采用了MATLAB軟件對整個運動過程進行了計算，分析了其運動軌跡和速度，形象化了運動過程，提高了同學們對這個力學問題的感性認識。問題是這樣闡述的：兩個擺長為l，擺錘質量為m的單擺，用光滑鉸鏈連接成雙擺，兩個擺只能在一個豎直平面內運動，研究其運動過程。

圖1 雙擺運動示意圖

擺錘偏離平衡位置的擺角θ1和θ2為坐標可得到系統的拉格朗日函數為：

通過計算可以得到如下簡化方程：

可以得到利用MATLAB軟件寫出的功能函數為：

只要學生寫出功能函數subfun（t，y，l），就可以直觀地查看到擺角、角速度曲線形態，分析雙擺的運動了。

三、結論

理論力學作為理工科學生的首門專業基礎課程，應使學生受到理論思維和研究方法的初步訓練，充分發揮理論力學培養學生學習能力、創新能力和科學素質養成的作用。進行理論力學課程的教學改革，是一個復雜的系統工程，其中涉及教學目標、教學內容、選擇與設計教學多媒體等多方面的因素，限于本文的重點，僅從幾點進行了探討，還有大量的具體工作等待我們去做，不能一蹴而就，需要在實踐中不斷探索和總結提高。

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[5]郭燁.多媒體在計算機教學中的應用策略[J].信息與電腦（理論版），2011，（12）.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0143-03

重慶交通大學實驗教學改革與研究基金項目（SYJ-201101）

張曉艷（1982-），女，力學博士，講師，主要從事理論力學和材料力學的教學工作，研究方向為沖擊波仿真技術。