理論力學(xué)教學(xué)改革初探

文/邱海波 田靜

引言

理論力學(xué)是一門應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)課程，但是目前在理論力學(xué)的課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)中存在很多弊端，教學(xué)內(nèi)容與力學(xué)重復(fù)較多，并且缺乏時代氣息，缺乏與當(dāng)前的科技成果緊密的聯(lián)系。另外理論力學(xué)的理論性較強、概念抽象、邏輯思維要求高，傳統(tǒng)的教學(xué)模式大都是講授式教學(xué)，但這不能很好的培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力。其次考核方式的單一化，也不能對學(xué)生的整體水平做一個良好的評價。因此，理論力學(xué)的教學(xué)改革很有必要。我們從理論力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法和手段，考核形式等方面做了相應(yīng)的改革探索。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

理論力學(xué)中很大一部分的基本概念和教學(xué)內(nèi)容與力學(xué)有重復(fù)，在課時較少的情況下，牛頓力學(xué)部分建議適當(dāng)刪減，如質(zhì)點力學(xué)，質(zhì)點組力學(xué)等等。增加分析力學(xué)部分的內(nèi)容，突出作為理論物理基礎(chǔ)的變分原理[1]。

同時隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，知識更新的速度不斷加快。新知識大量涌現(xiàn)，如果單純拿十幾年前編寫的教材來教學(xué)，已經(jīng)跟不上科學(xué)的發(fā)展。當(dāng)代理論力學(xué)的新進展主要體現(xiàn)在非線性力學(xué)的發(fā)展。非線性物理是一門以非線性系統(tǒng)的普遍規(guī)律和客觀世界的復(fù)雜性本身為研究對象的學(xué)科，它已成為物理學(xué)研究的前沿學(xué)科，科技工作者的必備基礎(chǔ)知識。時至今日，非線性物理已發(fā)展成為一門獨特的新學(xué)科，其基本概念和理論也成為了物理理論的重要組成部分，由此課堂教學(xué)應(yīng)適當(dāng)介紹一些重要的非線性理論，如混沌，分岔等等[2]。

此外，應(yīng)適當(dāng)加入理論力學(xué)研究的最新進展，讓同學(xué)們認(rèn)識到這一傳統(tǒng)的學(xué)科是有其生命力的。如在講解第六章分析力學(xué)中的哈密頓量時，可考慮以加入耦合哈密頓系統(tǒng)動力學(xué)的科研新進展，如測度同步問題的研究等等。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可以提高學(xué)習(xí)興趣。并且會認(rèn)為科學(xué)研究其實離自己并不遙遠。

二、教學(xué)手段與教學(xué)方法的改革

教學(xué)手段與教學(xué)方法偏落后。理論力學(xué)作為基礎(chǔ)力學(xué)的更深層次的物理理論，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)時感到枯燥難學(xué)。單純的理論推導(dǎo)很難提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進入了計算機時代，我們可以借助Matlab，Maple，Mthematica等數(shù)學(xué)軟件作為學(xué)習(xí)工具[3]，輔助課堂教學(xué)和實驗，讓學(xué)生通過自主探討式學(xué)習(xí)。利用數(shù)值軟件的豐富性、直觀性、和靈活性，不僅使課堂教學(xué)靈活生動，更增加了課堂的信息量，調(diào)動了學(xué)生的積極性。使課堂教學(xué)由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，許多傳統(tǒng)教學(xué)方法講授起來枯燥的內(nèi)容，可以通過多媒體技術(shù)直觀地表現(xiàn)出來，更好的掌握理論力學(xué)中比較抽象的內(nèi)容。

例如Logistic映射的分岔[4]，方程:xn+1=λxn(1－xn)，其中xn∈ [0，1]，λ∈ [0，4]。

利用Matlab軟件，得出的分岔圖如圖1:

圖1 Logistic映射的分岔圖

從圖1中我們可以很直觀的看出系統(tǒng)經(jīng)歷了周期倍分岔過程，直到出現(xiàn)混沌[5]。通過Matlab在教學(xué)中的實例分析，我們看到將Matlab引入教學(xué)，不僅增加了理論力學(xué)教學(xué)的多樣性，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、考核方式的改革

目前，大多數(shù)高校對理論力學(xué)的考核形式比較單一，基本上都是采用閉卷考核形式，考核內(nèi)容也離不開書本，離不開已有的習(xí)題，可能考試時臨時突擊，就可以取得很好的成績，但這并不是我們最終的教學(xué)目標(biāo)。單一的理論考試形式不利于學(xué)生的創(chuàng)造性培養(yǎng)。改革的目的就是提高學(xué)生運用知識、實際工作、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。使得教學(xué)重點能真正落實到學(xué)生能力的培養(yǎng)和自身素質(zhì)的提高，而不是死記硬背書上的公式，概念。我們可以通過提交小論文、研究綜述、編寫相關(guān)matlab程序等方式進行同步考核。

[1]何平，廖安生等.理論物理課程教改初探 [J].廣西師范大學(xué)學(xué)報 (物理專輯)，2000，2:79－82.

[2]單曉云，戴占海.在大學(xué)物理教學(xué)中引入非線性物理的探索與實踐 [J].大學(xué)物理，2001，20(20):33－36.

[3]李豐果，林木欣.用計算機演示混沌運動 [J].大學(xué)物理，1999，18(2).