理論力學的多元化教學模式應用的探討

王玉才 王麗萍

[摘 要] 理論力學是研究物體機械運動的基本規律的科學，它是一般力學各分支學科的基礎。針對理論力學傳統教學模式的利弊進行分析，結合理論力學課程的特點和其在高等院校課程體系中的基礎地位，提出了理論力學的多元化的教學模式。通過在教學中實施多元化教學方法，激發了學生學習的興趣;應用啟發式教學和課外多樣化練習等模式，調動學生的積極性，提高學生綜合運用理論力學解決問題的能力，提高了工科專業教師的教學能力和理論力學課程的教學效果。

[關鍵詞] 多元化教學模式;理論力學;教學改革

[基金項目] 2019年甘肅農業大學混合課程建設項目（理論力學）;甘肅農業大學“農業水利工程一流本科專業”建設項目

[作者簡介] 王玉才（1985—），男，甘肅景泰人，博士，副教授，主要從事水利工程的教學及科研工作;王麗萍（1982—），女，甘肅臨夏人，碩士，主要從事本科生教學管理工作。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0254-03 ? ?[收稿日期] 2019-12-10

理論力學是一門理論性較強的技術基礎課，是研究機械運動基本規律的科學。因此，理論力學既是各門力學學科的基礎，又是各門與機械運動密切聯系的工程技術學科的基礎，在許多工程技術領域中有著廣泛的應用[1]。它是機械、建筑類專業的技術基礎課。許多后繼課程如材料力學、結構力學、振動理論等，都要以理論力學的理論為基礎。因此，作為一門水利類專業技術基礎主干課程，如何通過較好的教學模式和方法的應用，提高學生利用理論力學專業知識發現問題、解決問題的能力，提高學生實驗和實踐能力以及創新能力，是教學工作者需要研究和探討的重要問題。由于目前各個高校理論力學教學中的教學內容側重點、教學模式和方法不盡相同、各有利弊，理論力學教材也豐富多樣（見表1），因此，對理論力學的多元化的教學模式應用的探討具有一定的實踐意義。

一、傳統理論力學課程教學模式

理論力學是專業技術基礎主干課程，是一門理論性較強和具有實際問題的課程，公式較多，計算能力要求很高，對學生高等數學、大學物理等課程要求較高。理論力學課程的傳統教學模式主要有講授法和課堂討論法，兩種方法的教學各有利弊。

1.以教師為主體的講授法。講授法是一種最基本的教學模式，是通過老師的語言向學生描繪情境、敘述事實、解釋概念、論證原理和闡明規律的教學方法。通過課堂充分講解和富于理性的闡述，上課效果會很好，當然，再結合其他方法的應用效果會更好。理論力學習課堂教學應改變滿堂灌的形式，在精選習題的基礎上，采取互動式或討論的教學方法，充分調動學生的積極性和發揮其自主性[2]。某高校理論力學教學主要模式為滿堂講授模式，從表2可以看出，卷面成績并不理想。

2.以學生為主體的課堂討論法。在教師的指導下，學生以小組為單位，圍繞教材的重要和關鍵問題討論，其優點在于全班絕大多數學生都參加討論，可以培養學生的合作精神，激發學生的學習興趣，提高學生學習的獨立性。但這種教學模式的弊端也較為突出，比如在知識傳授的系統性、扎實性和快速性等方面存在不足[3]。近年來，翻轉課堂教學模式備受關注，由學生在課前通過信息技術的幫助完成知識的接受，課堂上在教師與同學的共同協助下完成知識的內化[4]。

理論力學課程的教學中存在不少問題。首先，理論力學課程學習難度較大且內容較煩瑣，如運動學中的運動方程的建立和動力學中的虛位移原理等知識點;其次，學生的畫圖能力不夠，在靜力學中進行受力分析以及動力學都需要比較好的作圖能力;最后，實際問題抽象能力及建模能力培養不夠，由于學時有限，在很短的時間內既要完成較多的系統理論內容，又要培養學生建模及抽象能力，這對老師的要求很高。因此，必須開展多元化的教學模式探討，才能使學生更好地學習理論力學課程。

二、理論力學的多元化教學模式

所謂多元化的教學模式就是在課堂上采用以多媒體與黑板相結合為主線的教學方法，結合其他先進的教學方法（翻轉課堂等）來加強師生間的互動，同時舉辦教授專題報告，從而使同學們了解該學科的前沿研究方向。與此同時，在條件允許下建立基于網絡教學平臺，有針對性地給出討論的內容，讓同學們各抒己見，最后由教師總結，增進師生間的交流[5]。由于傳統理論力學課程教學模式存在一定缺陷，所以尋求一種較好的教學模式對該課程的教學有著至關重要的作用。

1.注重理論和實際相結合。理論力學是一門將實際工程問題抽象為數學模型的課程，在授課時需要注重理論和實際的結合。如何解決實際當中的問題，這就需要理論力學嚴密的邏輯推理與集中思維，同時結合理論力學的建模思路，將實際問題抽象化。比如，理論力學中的桁架問題。桁架在水利工程中應用較多，但就實際的桁架如何簡化，節點和連桿如何計算受力，在授課過程中首先使學生認識到實際工程中的問題，提出如何解決問題，再將其簡化，最后利用理論力學中的方法解決問題，從而達到提高學生創新和解決實際問題的能力。

2.多媒體與討論式教學相結合。多媒體教學是在教學過程中，根據教學目標和教學對象的特點，通過教學方法和內容的設計，合理選擇和運用現代教學媒體，將課程內容用豐富的多種媒體信息傳授給學生，提高課程的教學效果。理論力學課程中的很多機械運動內容很難用語言表達出來，但可以用圖像和視頻的方式很直觀地展現給學生，這樣多媒體在理論力學課程的教學中就會有很重要的作用。同時，在應用多媒體授課的同時，將討論式教學小組引入，激發學生學習知識的興趣，二者結合共同起到更好的授課效果。

3.以學生為主體，引入翻轉課堂。在高等教育逐步發展過程中，培養專業復合型人才非常重要，同時學生的主體地位日益凸顯，并且在教學中也逐步實現。以學生為主體的教學，就是在教師的指導下，學生主動成為學習的主體，各抒己見，獲得知識或鞏固知識。通過教師和學生主體地位的轉變，促使全班絕大多數的學生都參加討論，培養學生的合作精神，激發學生的學習興趣，提高學生學習的獨立性。在此基礎上，引入最新的翻轉課堂教學模式，教師可以將新的課程內容放在校園網絡，并分成時間比較短的視頻等形式，學生在其空閑時間就可以學習新課程的內容。將其進行分組，在課堂講授和學習中，教師讓每個小組進行講述并討論學習，再對不清晰或易混淆內容進行重點講解，最后進行翻轉課堂的效果評價和成績評定。

4.引入Maple等可視化教學。Maple是一套高性能的可視化軟件，具有強大的符號、繪圖功能，不僅可以簡便地求解、計算煩瑣的數學公式，還可形象地展示公式的物理圖像，使其變得形象直觀[6，7]。將Maple運用到理論力學的課堂教學中[8]，能夠使很多理論力學中的復雜問題簡單化，抽象問題可視化，從而學生對機械運動規律的理解更加深刻，提高學生的自學能力。同時，能使學生掌握Maple軟件和數值仿真計算方法，提高學生的動手能力和計算機能力。Maple在理論力學的教學中，尤其是在運動學和動力學中，其數值計算能力和圖像繪制、動畫演示功能非常突出，比如在鐘擺的運動、動量守恒定理的演示等方面。

三、多元化理論力學課程教學模式的效果

傳統的教學模式下，很多學生都是機械的學習、應付考試，缺乏學習的積極性和主動性，并且很難將理論力學的知識運用到具體的工作中去。在理論力學課程某些內容的講授過程中，較難理解的內容通過多媒體的圖片和動畫的演示生動地展現給學生，再通過具體的實驗過程，就能提高學生的動手能力，對一些力學現象的認識就會更加深刻。通過引入翻轉課堂和微課等教學模式，提高學生的主體地位，從而提高學生的積極性和主動性。尤其是學生自主選擇的翻轉課堂，在出勤率、學生總體綜合成績等方面都略高于普通班級（見圖1）。

通過對傳統教學模式的改革，形成多元化的理論力學課程教學模式，不僅能夠提高學生對理論力學課程學習的興趣，而且能夠幫助學生系統地掌握理論力學相關知識，還能提高學生的實踐創新能力。同時，高校專業教師的教學能力和理論力學課程的教學效果有顯著提高。當然，對理論力學課程的教學模式的探討還需要不斷創新。

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，2009.

[2]邢利英，王新征.工科理論力學教學改革與實踐[J].南陽師范學院學報，2010，9（3）：196-109.

[3]周鳳崗.建立多元化教學模式的設想[J].高等理科教育，2001，（1）：49-52.

[4]許英姿，沈玉鳳.基于翻轉課堂的理論力學教學改革與實踐[J].力學與實踐，2015，（37）：737-740.

[5]盧坤林，錢德玲，楊揚.多元化教學模式在土力學課程中的嘗試[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2009，23（5）：23-26.

[6]趙會江.Maple9.0符號處理及應用[M].北京：科學出版社，2007.

[7]魏敏.Maple910的特性及應用[J].黑龍江科技信息，2008，28（4）：68-69.

[8]宋海珍，張鴻軍，盧成.基于Maple軟件的理論力學可視化教學探索[J].實驗計算與管理，2012，29（1）：93-95.