理論力學課程素質教育的探討與實踐

盛國剛 鄧軍 李學罡

［摘要］本文以理論力學課程為對象，通過學生的自主學習、強化理論力學實踐性和趣味性教學以及網絡互動教學平臺，對如何提高學生素質教育水平進行了一系列的探討和實踐。

［關鍵詞］理論力學素質教育自主學習實踐性趣味性

［中圖分類號］G642.3［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）06-0113-02

理論力學是我校道路、橋梁、建筑、水利、機械及其相關專業重要的技術基礎課，為培養學生的工程師素質并為后繼課程的學習奠定基礎起著關鍵的作用。筆者結合我校對人才培養定位實際情況，即面向基層，培養具有創新精神和實踐能力的應用型人才，就如何通過理論力學課程對學生開展素質教育，進行了初步的研究和探討。

一、改變傳統教學模式，注重學生課堂自主學習能力的培養

在傳統的教學模式中，老師專注于給學生講授，學生完成聽課、作業和考試三個環節的任務，老師講得辛苦，學生學得枯燥，沒有溝通、交流和反饋，以至于不少學生對理論力學課程提不起興趣，收獲可想而知，有些學生考試時就連及格都難得到保證。在這種學習環境下，學生處于一種被動接受知識的狀態，背概念、公式，強記老師講解的例題，舉一不能反三，老師講得細而全，學生沒有自己的思考、琢磨和總結。通過這種方式獲取的知識，并不能夠促進學生素質和能力的提高。自主學習就是通過老師的引導、啟發，自覺、主動地獲取知識，在掌握課程知識的同時，提高自身分析問題和解決問題的能力。對于理論力學課程，要達到這一目標，教師必須在有限的課堂時間內，通過引導，讓學生弄清理論力學的一系列概念、公式所包含的知識點以及每個知識點的形成過程、引入其實際背景，弄清已掌握的知識點與新知識點之間的關聯性、邏輯性以及每個知識點在工程實例和后續課程中的應用情況。這樣學生不會再感覺到理論力學只有一些枯燥的概念和公式。同時老師通過營造一種和諧、愉快的課堂學習環境，鼓勵學生在課堂上大膽地思考和表達，增強學習的主動性。對于理論力學的一些公式，注重其背景和推導思路，淡化其具體的數學推導過程，根據公式讓學生找出量與量之間的關系并作定性分析。對于理論力學中的典型例題，僅提供幾種解題思路，讓學生自主選擇正確的或最佳的解題方案，最后老師點評并作總結。如在靜力學平衡問題中，對于一具體問題，研究對象的選取并沒有唯一的解答，如何選擇研究對象，使問題變得簡單清晰，這就需要學生在老師的指導下多思考，并鼓勵同學們在課堂上提出不同的見解，對不同研究對象的選擇進行比較分析。對于運動學中的點的合成運動這一內容，需要老師基于“相對運動軌跡明顯”這一基本法則，引導、啟發學生通過典型實例，合理地選擇動點、動系，并讓學生在課堂上就相對運動的軌跡給出說明。對于合成運動中的加速度合成定理公式推導，主要讓學生弄清楚牽連運動為轉動時，為什么會有哥氏加速度？對于公式推導中的求導等數學計算過程，學生應該自己很容易能夠明白。對于動力學中的三大定理，通過物理課程的學習，已具備一定的基礎，主要引導學生從研究對象“質點”如何拓展到研究對象為“質點系（包括剛體）”。對于三大定理（質點系）的公式推導，要求學生掌握共性和非共性的地方，同時通過引導，要求學生自己琢磨每一定理能夠解決什么類型的動力學問題。通過一些典型實例，讓學生在課堂上思考討論，并發表自己得出的結論。

二、結合專業特色，融入實踐性教學內容

理論力學是各工程專業的基礎課程, 需要融入各專業課中, 同樣, 各專業課內容也要融入理論力學課程中去。兩類學科的交叉與相溶應是素質教育改革的良好途徑。根據理論力學知識與不同大類專業（土木、機械、水利等）的融合, 加強工程概念和理論力學實踐性內容, 在教學中增添具有工程背景的理論力學特色教學模塊。如橋梁專業，對不同的橋梁模型如梁橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋等，進行了力學性能的定性分析，而建筑工程專業對各種屋架結構模型以及梁、柱、板、樁及其組合結構模型進行力學性能的定性分析，機械類專業對各種典型機械模型（如發動機的曲柄滑塊機構、車床主軸的受力分析、行星齒輪減速器模型等）、工程機械模型（如起重機模型、壓路機模型、千斤頂模型）、各種傳動機構模型進行靜、動態力學和運動分析。又如學生感興趣的艦載飛機，在飛機和彈射推動力作用下，從甲板上起飛，需要的初始速度或需多長跑道，飛機在甲板上降落時阻攔索的作用、摩擦力做功以及降落速度、跑道長度等物理量之間的關系及其基本力學原理。對于水利類專業，對水壓力作用下的大壩、自動水閘門、水力發電設備等模型進行受力分析。為適應不同專業的教學需要，建立不同的理論力學實踐性教學模塊內容。當然理論力學課程本身還不能直接應用于工程問題，若要解決實際的工程問題，必須通過多學科知識的綜合運用。實踐性教學的實施，可以鼓勵學生多觀察、多思考、多探討、多實踐，開拓了學生的思維、激發了學生的創新意識，并且有益于培養學生綜合運用知識的能力。

三、加強課外師生互動，充分發揮學生學習的主體作用

通過課外師生互動，加強學生自主學習、自主實踐的意識。建立多媒體網絡互動教學平臺，運用圖片、動畫向學生展示工程實例力學分析、仿真試驗。如有影響的大型結構物事故力學知識實例：美國911 事件中世貿雙塔倒塌的力學原理進行分析，該次事件首先是撞擊，然后是火災，簡要說明大樓倒塌的主要原因是內部鋼梁上的防火物質在高溫下被破壞，導致結構承載能力下降，大樓受到巨大的自身重力荷載而使結構失去原有的靜力平衡狀態。人類的生存環境與力學知識息息相關的實例分析：1998年長江荊州段在第六次洪峰來臨時，預計水位要達到45 m 以上，要不要分洪就成為抗洪決策者面前的極為重大的問題。當時力學工作者就是利用理論力學中的靜力平衡知識以及計算力學中的“有限單元法”，對大堤的安全系數進行了精密的計算與分析，最后做出了正確的決策，既保證了長江堤壩的安全，也避免了有可能分洪造成的巨大損失，在關鍵時刻，力學為防洪立了一大功。體育運動與力學知識的關系也是非常密切的：跳高運動員過桿的姿勢分析、滑冰運動員原地轉動角速度的變化與其運動姿勢變化的關系。講解撞擊中心的概念時，引入網球運動員擊球的問題，根據來球的方向、擊球姿勢，分析球拍手柄對運動員手的沖擊，如何減少沖擊，這是一個典型的動量和動量矩定理綜合運用的問題。乒乓球的運動狀態以及運動軌跡分析問題，也是一個典型的理論力學運動學和動力學的綜合問題。通過大量來自于生活、來自于實際的力學現象分析，使學生在課外能自主實踐，自主學習。在教學平臺上介紹一些中外力學家的故事、力學與國防工業、國民經濟相關的一些重大事項，讓學生更進一步地認識到掌握好力學知識的重要意義，例如：在2000年下半年，美國的三十幾個專業工程協會評出了20世紀對人類影響最大的20 項技術，力學在其中多項技術中起著重要的甚至是關鍵的作用，排在第一位的是電力系統技術，目前幾乎所有輸入電網的電力都是葉輪機帶動發電機產生的，而葉輪機、發電機以及輸電線路的設計都離不開力學。根據《力學與實踐》等參考資料，編輯力學小問題，在互動教學平臺上征集問題解答，并在網上或課堂上對解答進行點評，并在網絡教學平臺上實時回答學生的疑問，讓學生與教師建立有效的互動。通過網絡互動教學平臺，開闊了學生的學習思路，擴大了學生的學習視野，同時也提高了學生學習的興趣與積極性, 啟發學生思維，激發求知欲望。

四、結語

理論力學課程的素質教育，需要教師付出很多時間和精力，教師自身素質的提高，是提高學生素質教育水平的根本因素之一。今后應加強理論力學課程的實驗教學，進一步豐富和完善理論力學課程素質教學內容。

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［責任編輯：左蕓］