課時(shí)減縮條件下提高“理論力學(xué)”教學(xué)效果的實(shí)踐

[摘 要] 為適應(yīng)課時(shí)縮減教學(xué)要求不減的大環(huán)境調(diào)整，針對(duì)提高“理論力學(xué)”課程教學(xué)效果進(jìn)行了若干嘗試。教學(xué)實(shí)踐過程中所采用的措施圍繞兩個(gè)方面提出，一是提高課堂效果，使學(xué)生扎實(shí)掌握課程知識(shí)、提升力學(xué)素養(yǎng)，增加課堂獲得感;二是培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力以及分析問題和解決問題的能力。連續(xù)多年的教學(xué)實(shí)踐表明，這樣的教改舉措收獲頗豐。

[關(guān)鍵詞] “理論力學(xué)”;教學(xué)效果;力學(xué)素養(yǎng);自主學(xué)習(xí);創(chuàng)新能力

[作者簡(jiǎn)介] 彭凡（1963—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，湖南大學(xué)教授，主要研究方向：復(fù)合材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）19-0192-02? ? [收稿日期] 2020-02-10

“理論力學(xué)”是工科院校許多專業(yè)的第一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是理論聯(lián)系工程實(shí)踐的承前啟后課程，其對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的作用不言而喻。因?yàn)楦拍疃唷⒐蕉唷⒍ɡ矶啵碚撔浴⑦壿嬓院拖到y(tǒng)性強(qiáng)，使得“理論力學(xué)”成為較難學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)課之一，學(xué)生的不及格率一直較高。圍繞“理論力學(xué)”課程已進(jìn)行了形式多樣的探索與實(shí)踐[1-8]。實(shí)際上，各種形式的課堂教學(xué)改革和創(chuàng)新實(shí)踐都是圍繞學(xué)生掌握知識(shí)、培養(yǎng)力學(xué)素養(yǎng)和提高能力為目標(biāo)展開的。由于專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的總體調(diào)整，“理論力學(xué)”課程學(xué)時(shí)數(shù)已受到較大幅度的壓縮，但教學(xué)要求沒有降低，以作者承擔(dān)的機(jī)械類專業(yè)課“理論力學(xué)”教學(xué)為例，課堂學(xué)時(shí)56個(gè)，另加小班討論課4學(xué)時(shí)，而教學(xué)內(nèi)容則包括了空間力系、哥氏加速度與運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合、虛位移原理等過去多學(xué)時(shí)所對(duì)應(yīng)的部分。因此，在學(xué)時(shí)縮減、教學(xué)要求不變這樣一個(gè)大環(huán)境下，針對(duì)提高“理論力學(xué)”教學(xué)效果的探索與實(shí)踐是十分有意義的。

“理論力學(xué)”教學(xué)效果應(yīng)考慮多個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，一方面是學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握和力學(xué)素質(zhì)的養(yǎng)成;另一方面是學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力的提高，這種能力達(dá)成的特征就是將相對(duì)復(fù)雜的實(shí)際問題進(jìn)行合理抽象，基于力學(xué)理論得到數(shù)學(xué)模型并求解。基于以上考慮，針對(duì)機(jī)械類專業(yè)開展以下教學(xué)實(shí)踐。

一、掌握課程專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)力學(xué)素養(yǎng)，增加課堂獲得感

“理論力學(xué)”內(nèi)容經(jīng)典，基礎(chǔ)性強(qiáng)，需要使學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)，扎實(shí)地掌握重要概念、基本理論和方法，并能用力學(xué)的視點(diǎn)觀察工程實(shí)際問題。

1.按照課程教學(xué)要求組織好教學(xué)內(nèi)容。有效銜接大學(xué)物理相重復(fù)的內(nèi)容，如點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體的兩種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)、質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程。一方面在內(nèi)容上做補(bǔ)充，如自然法研究點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、定軸輪系的傳動(dòng);另一方面則通過設(shè)計(jì)綜合性例題回顧已學(xué)知識(shí)點(diǎn)，譬如，以純滾動(dòng)車輪輪緣上黏附的小泥塊為例，分析小泥塊受到的黏附力和脫粘后的運(yùn)動(dòng)，以此回顧質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，達(dá)到既節(jié)省課時(shí)又鞏固和深化基礎(chǔ)之目標(biāo)。靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)是理論力學(xué)的三大部分，其間存在內(nèi)在的邏輯關(guān)系。在教學(xué)上，應(yīng)反復(fù)啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生把握各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，有利于加深理解課程整體的知識(shí)體系。例如，取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分別以平衡問題、運(yùn)動(dòng)學(xué)問題、動(dòng)力學(xué)問題舉例，幫助學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)聯(lián)和串聯(lián)主線。

2.優(yōu)化學(xué)時(shí)分配，強(qiáng)化重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和概念的建立。由于課時(shí)減縮，需要優(yōu)化各章節(jié)的學(xué)時(shí)分配，突出關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，側(cè)重概念教學(xué)和難點(diǎn)講解。譬如，強(qiáng)化受力分析訓(xùn)練，使學(xué)生牢固掌握分析方法，即將研究對(duì)象去掉約束變成自由體，再給出全部主動(dòng)力和相應(yīng)的約束反力;同時(shí)使學(xué)生形成概念，即約束反力的作用效果要與約束的效應(yīng)一致。又如在講解點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)時(shí)，配合動(dòng)畫與工程實(shí)例，著重闡述絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、牽連運(yùn)動(dòng)與牽連點(diǎn)的概念以及三種速度和三種加速度的分析，反復(fù)引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生合理選取動(dòng)點(diǎn)和動(dòng)系。再如在三個(gè)動(dòng)力學(xué)普遍定理的教學(xué)中，注重闡明質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量、動(dòng)量矩、動(dòng)能和力的功等物理量的含義及其計(jì)算，淡化數(shù)學(xué)推演過程，強(qiáng)調(diào)基本思想，細(xì)化解題時(shí)定理應(yīng)用的思考過程。為節(jié)省學(xué)時(shí)，盡量采用一般到特殊的順序展開教學(xué)內(nèi)容，例如，從一般力系到特殊力系的平衡問題;牽連運(yùn)動(dòng)為任意剛體運(yùn)動(dòng)到牽連運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)的加速度合成;相對(duì)任意動(dòng)點(diǎn)到相對(duì)質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理等。

3.強(qiáng)化工程實(shí)際抽象出力學(xué)模型的思維訓(xùn)練。作為一門技術(shù)基礎(chǔ)課，“理論力學(xué)”本身蘊(yùn)含了從工程實(shí)際抽象出力學(xué)模型，形成理論，再回到工程實(shí)踐的科學(xué)方法。教學(xué)中著重力學(xué)模型的工程溯源，譬如簡(jiǎn)化細(xì)直桿組成的結(jié)構(gòu)體系得到桁架計(jì)算模型，能使學(xué)生較深入地理解上述科學(xué)方法，有益于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。由于“理論力學(xué)”課程是在一年級(jí)第二學(xué)期或二年級(jí)第一學(xué)期開設(shè)，此階段的學(xué)生對(duì)工程實(shí)際的認(rèn)知還較為缺乏，因此，我們根據(jù)知識(shí)點(diǎn)引入典型的工程實(shí)例，首先使學(xué)生對(duì)實(shí)例獲得一定的了解，再引導(dǎo)他們從實(shí)際出發(fā)提出問題，作一定的假定，抽象出力學(xué)分析模型。這些實(shí)例可以源于身邊能觀察到的實(shí)際問題，也可以借鑒國(guó)外教材中的優(yōu)秀例題。實(shí)際上，“理論力學(xué)”教材中的絕大多數(shù)例題和習(xí)題都是從實(shí)際簡(jiǎn)化而來(lái)，只要善于利用，指明題目的工程背景，學(xué)生就會(huì)從中獲益良多。

二、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

增加學(xué)生的課堂獲得感與提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是有相互促進(jìn)作用的，自主學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)不僅將有力提升課堂和課程的獲得感，還使得學(xué)生終身受益。同樣，課堂獲得感的增加也將為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起引導(dǎo)作用。

1.完成讀書報(bào)告和自編題。分別在學(xué)完靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)內(nèi)容后，學(xué)生需提交一份具有一定綜合性的讀書報(bào)告，概括所學(xué)內(nèi)容，總結(jié)知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)聯(lián)，并指出自己對(duì)哪些內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)在學(xué)習(xí)上存在不足，提出解決措施。由教師指定若干知識(shí)點(diǎn)，要求學(xué)生以覆蓋所列知識(shí)點(diǎn)為目標(biāo)，自編一道綜合性較強(qiáng)的題并求解。

2.基于探究性學(xué)習(xí)的小班討論。在小班討論課環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)安排提前布置任務(wù)，將小班學(xué)生分成由4～5人組成的若干個(gè)小組，每小組探究不同的項(xiàng)目。所論問題具有探究和開放的特點(diǎn)，或者學(xué)生自找，或者由老師提出。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料認(rèn)知項(xiàng)目，明確力學(xué)分析的任務(wù)，抽象出力學(xué)模型，求解自己擬定的若干問題。下面以兩個(gè)示例加以說明。一是源于鍛煉膝關(guān)節(jié)的靠墻靜蹲，如圖1所示，此問題涉及力學(xué)模型的建立，摩擦平衡、物體重心計(jì)算和膝關(guān)節(jié)所受彎矩分析等內(nèi)容;再如圖2所示的集裝箱起重機(jī)械，涉及整車穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)各種作業(yè)工況下的構(gòu)件受力分析以及最不利工況的確定、兩自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。學(xué)生依小組開展團(tuán)隊(duì)協(xié)作，獨(dú)立思考，在小班討論課上以小組為單位報(bào)告探究過程和結(jié)果。

三、效果分析

采用文中給出的措施，我們連續(xù)四學(xué)年進(jìn)行了提高理論力學(xué)教學(xué)效果的嘗試，收到了較好的效果。一是學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍提高了，學(xué)生除完成較多的課后作業(yè)外，還得在課后花較多時(shí)間完成讀書報(bào)告、自編題訓(xùn)練以及小班討論的問題探究活動(dòng)。我們?cè)诿繉W(xué)年做匿名調(diào)查，90%以上的學(xué)生都認(rèn)同這些嘗試，愿意投入更多的課外時(shí)間;二是課程成績(jī)有所提升，不及格率降低，由開始的28%左右降到15%左右;三是許多同學(xué)積極參加校、省和國(guó)家級(jí)的力學(xué)競(jìng)賽，累計(jì)獲得多個(gè)省一等獎(jiǎng)，有學(xué)生還在國(guó)際工程力學(xué)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了如何提高“理論力學(xué)”課程教學(xué)效果的若干嘗試。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在節(jié)省學(xué)時(shí)，在教學(xué)要求不變的前提下，以使學(xué)生扎實(shí)掌握專業(yè)知識(shí)、提升力學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)，提高課堂效果;二是自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)和解決問題與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。采用多個(gè)措施展開教學(xué)活動(dòng)，效果良好。

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Practice of Improving the Teaching Effectiveness of "Theoretical Mechanics"under the Condition of Class Hours Reduction

PENG Fan

（College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract：Some attempts have been made to improve the teaching effectiveness of Theoretical Mechanics in order to adapt to the adjustment of the general environment in which the class hours are cut down but the teaching requirements are not reduced. The measures adopted in the teaching practice are put forward in accordance with two aspects： one is to improve the classroom effectiveness， to make the students grasp the course knowledge in a down-to-earth manner， to improve their mechanical attainment and increase their sense of classroom acquisition; the other is to cultivate students' ability of self-learning and the ability to analyze and solve problems. The results of teaching practice spanning four consecutive years show that the measures adopted in the paper are effective.

Key words："Theoretical Mechanics"; teaching effectiveness; mechanical attainment; self-learning; innovation ability