應用型本科機械類專業理論力學教學方法改革探索與實踐

季德生 李宏偉

摘 ?要 教學方法改革是提高教學質量的重要途徑。理論力學課程是一門學科基礎課，也是工科各專業的主干課程。針對應用型本科的特點，在傳統教學方法中引入多媒體教學、案例教學、在線課程、工程分析軟件等新的教學手段，對提高應用型本科人才的培養質量，對機械類專業建設有一定的促進作用。

關鍵詞 理論力學;教學改革;多媒體;應用型人才;MOOC;SPOC;案例教學;工程分析軟件

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）13-0095-03

1 前言

理論力學屬于一門學科基礎課，是工科各專業的主干課程，主要研究物體機械運動的一般規律，在機械、土木建筑、航空航天等許多工程技術領域有著廣泛的應用。理論力學課程既能直接應用于解決工程實際問題，也是學習后續如材料力學、機械原理、機械設計等課程的必備基礎，是由高等數學、大學物理等基礎課程向專業課程過渡的橋梁，在工科類學生人才培養體系中起著承上啟下的關鍵作用。

2 理論力學教學改革的背景

為凸顯應用型辦學特色，各應用型院校基礎課程的學時不斷壓縮。以濱州學院為例，理論力學課時從改革前的72學時壓縮至現在的56學時，為保證對后續課程良好的支撐作用，其結構體系、理論框架基本沒有發生變化，都是圍繞靜力學、運動學、動力學、分析力學基礎四部分內容展開[1]，如圖1所示。

理論力學課程理論性強，以靜力學五大公理為出發點，緊緊圍繞牛頓三大定律及其他經典力學理論，運用邏輯推理和數學演繹的方法，得到從不同側面揭示機械運動規律的定理、定律和公式，建立完整而嚴密的理論體系。這正是理論力學課程的顯著特點。但對缺少工程概念的學生而言，他們普遍認為理論力學抽象難懂，并且錯誤地認為理論力學是一門純理論性的課程，在今后的工作中鮮有用武之地。這使得很多學生覺得理論力學課程枯燥、乏味、難學、難懂，進而失去學習興趣[2-3]，不僅導致理論力學課程學習不好，后續專業課程的學習也較為吃力，進而在以考查理論力學、材料力學為主的部分高校研究生入學考試中表現不佳，影響學生的進一步發展。

在此背景下，對課時少、內容多、較抽象的理論力學課程而言，傳統的“教師主講、學生主聽”的滿堂灌式教學方法已遠不能滿足課程需要。結合傳統的教學方法，充分運用現代的多媒體教學、案例式教學、MOOC+SPOC教學、軟件仿真教學等多種教學方法，加強課程研討和試題庫建設，激勵學生參加相關課外學科競賽，由教師主動教變為學生主動學，不僅使學生獲得專業知識，而且使學生獲得正確的學習方法，形成科學的思維方式，促進學生創新能力與工程實踐應用能力發展，是理論力學課程教學改革與探索的長期目標[4-5]。

3 凸顯應用能力培養的理論力學教學方法改革

充分使用多媒體技術，做到板書授課與多媒體授課有機結合 ?在學時有限的情況下，運用多媒體課件可以有效減少傳統板書教學中畫圖、書寫的時間，增加課堂的信息量，尤其在表達一些復雜圖形和機構的運動時，靜態的板書圖形難以描述出機構的運動關系，對于一些空間想象能力稍差的學生，理解起來晦澀難懂。而多媒體動畫和視頻可以讓學生輕松地理解機構復雜的運動關系，達到事半功倍的效果。同時，教師可以借助多媒體，以圖片或視頻的形式展示理論力學中的例題在工程實際中的應用場景，使缺少工程實踐經驗的學生能將書本上抽象的力學簡圖與生產、生活實踐迅速建立聯系，理解到理論力學知識在工程實踐中具有廣泛的應用，提高學習的興趣和主動性。例如：在講解重力壩的受力分析時，引入三峽大壩的壯美圖片;在講解瞬心法求顎式破碎機機構的速度時，引入顎式破碎機的現場工作視頻與機構運動動畫。

但課堂教學不能完全依靠多媒體，多媒體只能作為課堂教學的輔助，很多例題的求解過程、公式的推導還是需要通過板書的形式進行分析講解，只有這樣，學生才能跟上授課教師的節奏。過多的多媒體使用，尤其是一些晦澀的定理的數學推導，容易使學生產生視覺疲勞，從而喪失學習的興趣，此時，教師在板書授課中的一個眼神或其他肢體語言更能與學生產生共鳴。因此，課堂教學要把多媒體和板書合理結合起來，提高課堂效率。

引入案例教學，提升學習力學知識的積極性和主動性 ?理論力學中的概念和定理較多，其概念表述往往邏輯嚴密，抽象性強，學生理解起來存在一定的難度，如能適時舉出生產、生活中常見的案例，對學生理解抽象的力學概念大有裨益，有利于提高學生的學習興趣。如在講解靜力學公理部分“三力平衡匯交原理”時，為加深學生對定理的理解，舉出命題“物體在三個力作用下平衡，則三力必匯交于一點”，讓學生判斷該命題的對錯。根據教學經驗，會有許多學生認為該命題是正確的。教師此時引導學生觀察教室內的燈管并對其做受力分析：燈管受重力和兩端索鏈的拉力，在三個力作用下平衡，但這三個力是平行的。學生此時對三力平衡匯交定理的前提“如果其中兩個力匯交于一點”有了更深入的理解。

在講解“靜定和超靜定”的概念時，舉出和尚吃水的問題“一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃”，引導學生用學過的靜定和超靜定的概念給出解釋。分析發現：前兩種情況屬于靜定問題;后一種情況為一平面平行力系，有三個未知量，屬于超靜定問題，僅學過靜力學知識的和尚解不出該問題，故而沒有水喝了。這樣的舉例既加深了學生對概念的理解，又活躍了課堂氣氛，使學生在輕松愉快中掌握了抽象的力學知識。

為了培養學生分析和解決實際工程問題的能力，案例教學還需與專業背景相結合。對于機械類專業來說，應當多選擇與機械相關的工程案例作為知識點的引入和例題的講解。例如：在“點的速度合成”部分講解凸輪頂桿機構的運動時，結合發動機的凸輪頂桿機構進行講解，通過凸輪的回轉帶動頂桿運動從而控制氣門的開閉;在講解剛體的轉動慣量時，結合飛輪的結構特點，講解其在往復式活塞發動機、沖床等機械中的應用。這樣的講解方法既激發了學生學習本專業課程的興趣，也讓學生認識到理論力學對專業課程學習的重要性，提高了學習力學知識的主動性。

MOOC與SPOC相結合，將理論力學學習從課堂延伸到課外 ?MOOC（Massive Open Online Courses）即慕課，指大規模在線開放課程。SPOC（Small Private Online Courses）即小范圍私有在線課程，面向本校或指定群體開放，教學單位可控性更強。MOOC+SPOC教學模式主要通過參加指定的優質MOOC及建設私有的SPOC來開展教學，將線上教學、討論、測試與線下作品展示、考試相結合，完成課程的教學[6-7]。

課堂教學由于不能重復，學生在課堂上一旦跟不上上課的節奏，就不能掌握課堂講授的知識點，這時在課下學習的時候可以借助網上優質的MOOC資源進行反復觀看，直到弄懂為止。學生在課下學習的時候，相當于一對一學習，可以根據自己的思維調整視頻播放的進度，由此，不同基礎的學生的學習需求都可以得到滿足。

在教學過程中向學生推薦哈爾濱工業大學、西北工業大學、同濟大學等一些優質的MOOC資源;同時，學校專門支持錄制符合本校學生情況的SPOC課程，通過SPOC課程的實施，教師更方便了解學生的學習情況，進行階段性測試及在線答疑交流等。現階段，在線課程不能完全取代課堂教學，只能作為課堂教學的輔助手段。學生通過在線課程的學習可以對課程做充分預習，帶著疑問走進課堂，提高聽課效率;在課堂上可以與教師展開討論，加深對知識的深層次理解;課后通過在線課程可以擴展知識面，也可以隨時隨地與教師進行線上交流，將理論力學的學習從課堂延伸到課外。

將工程分析軟件引入教學，培養學生分析解決實際工程問題的能力 ?在理論力學學習中，很多學生對于基本概念、基本理論有了初步的了解，能求解一些由實際問題抽象而來的力學習題。但傳統教學方法往往注重公式定理的推導及力學問題在特定條件或狀態下的計算，缺少對模型本身運動學、動力學方面多視角的深入分析，致使學生面對實際工程問題時，不能運用所學專業知識進行深入分析處理。在傳統教學中引入工程分析中常用的有限元分析軟件ABAQUS、ANSYS和動力學分析軟件ADAMS作為輔助教學手段，可使抽象的理論力學問題結果以圖像可視化展示，讓物理過程變得更加形象直觀。這樣既可以提高學生學習理論力學的興趣，也有助于培養學生使用現代工具、團隊協作、溝通、項目管理及自我學習的能力。

通過課外學科競賽，提高學生解決實際問題的能力 ?近年來，大量的課外創新活動激發了學生學習的熱情。學生通過參加機電產品創新設計競賽、機器人比賽、全國周培源大學生力學競賽等創新競賽，找到了學以致用的舞臺。在制作科技作品時，無論是進行結構設計、強度計算，還是進行傳動分析、動態測試等，都離不開力學知識。實踐中對知識的運用敦促學生以更飽滿的精力回歸課堂，形成“課堂—實踐—課堂”的良性循環。近年來，濱州學院學子在全國周培源力學競賽這樣極具挑戰性的比賽中榮獲國家三等獎，更激發了學生學好力學知識的信心。

4 結語

“教學有法，教無定法。”按照應用型人才的培養目標，對學生的基礎、需求做出全面分析，因材施教。在傳統教學方法中充分運用多媒體教學、案例教學、在線課程，以工程問題的分析和學科競賽為驅動，充分利用課上、課下時間，做到全方位立體化教學，定能實現“強基礎，重應用”的人才培養目標。

參考文獻

[1]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2]張東曉.以工程素質培養為目標的理論力學教學實踐與探索[J].科技視界，2018（19）：146-147.

[3]李同杰，宛傳平，李忠芳.應用型本科高校機械類專業《理論力學》課程教學改革探索[J].赤峰學院學報，2016，

32（24）：206-207.

[4]張麗，李磊.新工科理念下應用型本科理論力學課程教學改革探索[M]//第十七屆北方七省市區力學學會學術會議論文集.2018.

[5]湯可可，王華寧.以創新能力培養為導向的理論力學教學體系探索[J].力學與實踐，2017，39（1）：68-70.

[6]謝華.理論力學SPOC課程建設的思考與設計[J].高師理科學刊，2016，36（4）：81-84.

[7]劉云芳，左為平，李海蕓.基于MOOC+SPOC混合教學的大學計算機課程實踐[J].信息系統工程，2019（2）：159-160.