新工科背景下“理論力學(xué)”教學(xué)改革探索

李寶輝 王正中 李會(huì)軍

摘 ? ?要：“理論力學(xué)”是工科院校一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是后續(xù)力學(xué)課程與其他專業(yè)課程的根基。文章聚焦新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中的一些典型問(wèn)題，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐提出了教學(xué)改革措施，以期激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣、拓展課程深度、提升學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力以及強(qiáng)化學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。

關(guān)鍵詞：新工科;理論力學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2020）11-0015-02

面對(duì)新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命，需要對(duì)傳統(tǒng)工科教育進(jìn)行升級(jí)改造形成新的工科教育形態(tài)——新工科，以培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型人才[1]。新工科不僅更加注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而且更加注重學(xué)生社會(huì)責(zé)任感的養(yǎng)成，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)，最終要達(dá)到全方位育人的目的。

作為工科基礎(chǔ)的力學(xué)課程面臨最大的困難就在于如何與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，這一點(diǎn)在先導(dǎo)課程“理論力學(xué)”的教學(xué)中尤為突出。因?yàn)椤袄碚摿W(xué)”課程是工科院校學(xué)生從理論邁向工程的第一步，其核心是對(duì)力學(xué)基本原理的闡述，是理論之源、工程之基。相較于其他力學(xué)課程，“理論力學(xué)”的工程問(wèn)題針對(duì)性“較弱”，它聚焦的是最基本的問(wèn)題、最根本的理論和最一般的方法;再者，“理論力學(xué)”課程具有邏輯推理的嚴(yán)密性和對(duì)工程問(wèn)題的高度抽象性，所以，它重在對(duì)學(xué)生力學(xué)思維能力和建模能力的培養(yǎng);并且，作為其他力學(xué)課程的前期入門課，“理論力學(xué)”的紐帶過(guò)渡作用更加顯著，他是從基礎(chǔ)理論邁向?qū)I(yè)問(wèn)題的關(guān)鍵一環(huán)，這一環(huán)節(jié)的牢靠程度直接影響著學(xué)生后續(xù)專業(yè)素質(zhì)的高低。

因此，只有將起紐帶、支柱作用的“理論力學(xué)”中的原理方法和思維方式滲入骨髓、融進(jìn)血液，學(xué)生其他綜合能力的培養(yǎng)才會(huì)有后勁。然而，這一最高理想的實(shí)現(xiàn)在實(shí)際教學(xué)中面臨諸多困難，這也成為培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才的障礙。

由于“理論力學(xué)”與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密，其中定理多、推導(dǎo)多[2]，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)稍顯吃力，應(yīng)用起來(lái)更是倍感困難，那自然也就提不起興趣，缺少鉆研的勁頭，導(dǎo)致卷面不及格率偏高，這是“理論力學(xué)”教學(xué)中普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。另外，作者在教學(xué)實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)了另外一些有代表性的問(wèn)題。第一，現(xiàn)有的“理論力學(xué)”教材內(nèi)容大都按“靜力學(xué)—運(yùn)動(dòng)學(xué)—?jiǎng)恿W(xué)”的篇章順序進(jìn)行編排，這是出于教材體系的完整性考慮的，其中靜力學(xué)部分首先講平面力系[3]，這部分內(nèi)容與大學(xué)物理有重疊，一些學(xué)生便延續(xù)慣性思維，用舊方法處理“理論力學(xué)”中的新問(wèn)題，不重視“理論力學(xué)”分析方法，導(dǎo)致在復(fù)雜問(wèn)題分析中思路混亂、不得要領(lǐng)。第二，要熟練掌握“理論力學(xué)”中的原理方法，必須通過(guò)一定量的習(xí)題演算來(lái)加深理解，然而，現(xiàn)在學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)重、課后可支配的練習(xí)時(shí)間較少或者學(xué)生由于惰性不愿意主動(dòng)練習(xí)，這就導(dǎo)致了學(xué)生課堂上似乎聽得明白，等到自己獨(dú)立完成題目時(shí)又感到無(wú)從下手。第三，以往“理論力學(xué)”課程的考查方式主要是期末考試，用一次成績(jī)來(lái)評(píng)定學(xué)生對(duì)這門課程的掌握程度，為了應(yīng)付考試，學(xué)生中有臨時(shí)抱佛腳的現(xiàn)象，對(duì)相關(guān)定理只求記住結(jié)論而不求甚解，這樣的學(xué)習(xí)效果甚微，更談不上活學(xué)活用。

直面這些問(wèn)題，探索解決之途徑是新工科背景下在“理論力學(xué)”教學(xué)方面亟待開展的工作。作者從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了一些嘗試，以期能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、夯實(shí)學(xué)生的力學(xué)功底，最終提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

一、緊密結(jié)合實(shí)際，讓理論“有血有肉”

為了避免理論講解的枯燥，就必須從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，激起學(xué)生的求知欲望，然后再趁熱打鐵引出相關(guān)理論，這樣才更有針對(duì)性不會(huì)讓理論懸空，才會(huì)講出生氣，對(duì)學(xué)生才更有吸引力，他們固然更樂(lè)于接受。教學(xué)案例的列舉也不能一味地寬泛、復(fù)雜，更多地應(yīng)該具體、針對(duì)性強(qiáng)，最好是能應(yīng)用所學(xué)理論詮釋其中的力學(xué)原理。比如，在速度合成定理中，先通過(guò)日常見到的水管在高流速下出現(xiàn)亂甩現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生興趣，再通過(guò)飛機(jī)空中加油管道的流速控制引出絕對(duì)速度的計(jì)算，最后再結(jié)合簡(jiǎn)單的中學(xué)物理問(wèn)題——小船渡河，讓學(xué)生對(duì)速度合成定理的結(jié)論進(jìn)行猜測(cè)，此時(shí)學(xué)生求知欲望已達(dá)到極點(diǎn)，然后再具體推導(dǎo)，這樣比直接講授效果好很多;再比如，剛體平面運(yùn)動(dòng)中速度基點(diǎn)法的講解結(jié)合自行車輪輻條現(xiàn)象;動(dòng)量定理中結(jié)合鳥撞的碰撞力和火炮后坐力問(wèn)題;動(dòng)量矩定理中結(jié)合賽車比賽中的空翻事故、蛤蟆夯的工作原理和競(jìng)技體育中運(yùn)動(dòng)員身體姿態(tài)的變化原因等等;這些實(shí)例既具有普遍性又可以通過(guò)新理論直接進(jìn)行計(jì)算分析，有助于增強(qiáng)學(xué)生的成就感和自信心，自然也就提高了學(xué)習(xí)興趣。另外，相關(guān)定理講解時(shí)可以結(jié)合相關(guān)科學(xué)家的生平事跡，如科氏加速度的發(fā)現(xiàn)，達(dá)朗貝爾原理的提出等等。這樣有助于學(xué)生志存高遠(yuǎn)，心向卓越。

二、精簡(jiǎn)內(nèi)容，充分利用好課堂時(shí)間

“理論力學(xué)”教材為了自身體系的完整，其中靜力學(xué)中有部分知識(shí)與大學(xué)物理重合，特別是平面力系問(wèn)題學(xué)生已較熟練，故可直接從空間力系部分講起，闡述一般力系的分析方法，將平面問(wèn)題作為特例順帶指出，著重建立“理論力學(xué)”處理問(wèn)題的方法思路，避免學(xué)生沿用物理中的方法解決“理論力學(xué)”問(wèn)題。這樣不受限于原有的課程體系，讓“理論力學(xué)”輕裝上陣才能適應(yīng)時(shí)代要求[4]。

充分發(fā)揮多媒體的作用，將難以用言語(yǔ)描述的信息通過(guò)視覺(jué)直觀地展示給學(xué)生。借助動(dòng)畫、圖片等，讓學(xué)生感受到“理論力學(xué)”要處理的問(wèn)題是美妙且充滿樂(lè)趣的。這種形象化的教學(xué)，不僅能增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，提高課堂效率，而且可以提高學(xué)生觀察、分析、解決問(wèn)題的能力[5]。

三、增加課堂討論，多角度審視問(wèn)題

要掌握“理論力學(xué)”知識(shí)，必須保證一定量的練習(xí)，這是學(xué)好“理論力學(xué)”的不二法門，不會(huì)因時(shí)代而變化。鑒于學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)重、課后可支配時(shí)間少的情況，需要適當(dāng)增加課堂練習(xí)和課堂討論，打破“老師講—學(xué)生聽”的傳統(tǒng)模式，使學(xué)生充分參與到課堂教學(xué)中來(lái)，盡可能利用課堂時(shí)間加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象。例題演示中側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生理清解決問(wèn)題的思路，結(jié)合板書列出關(guān)鍵步驟;習(xí)題討論時(shí)將學(xué)生分成若干討論組，以小組為單位完成課堂練習(xí)，然后選代表闡述求解思路，最后教師再點(diǎn)評(píng)講解。這種討論性的課堂讓學(xué)生從被動(dòng)接受者變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)者，教師則由主導(dǎo)者變?yōu)橐龑?dǎo)者和指導(dǎo)者，這樣的課堂效率自然更高，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生清晰準(zhǔn)確的表達(dá)能力和力學(xué)思維能力。為了讓每一位學(xué)生都積極參與課堂討論，避免個(gè)別學(xué)生始終游離于討論之外，我們采取兩種措施，第一，課堂討論成績(jī)二次分配，成績(jī)是以小組為單位的總成績(jī)，各組長(zhǎng)按照成員的參與程度進(jìn)行再次分配;第二，課堂時(shí)間有限，學(xué)生不能充分完成練習(xí)，所以回答問(wèn)題只是闡述解決思路，并不要求提供準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，這樣更容易提高學(xué)生參與的積極性。

“理論力學(xué)”中定理較多，學(xué)生看到題目時(shí)就條件反射式地尋思著該應(yīng)用哪一個(gè)定理求解，長(zhǎng)此以往，學(xué)生只會(huì)做題而不會(huì)從實(shí)際的工程問(wèn)題中提煉力學(xué)問(wèn)題，不利于學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提升。筆者認(rèn)為導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是學(xué)生對(duì)問(wèn)題缺乏宏觀的認(rèn)識(shí)，始終深入其中，卻難以看清其貌。教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)定理的產(chǎn)生背景、處理問(wèn)題的特征交代清楚，先讓學(xué)生對(duì)定理有個(gè)感性認(rèn)識(shí)，然后再介紹定理內(nèi)容，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生不斷地轉(zhuǎn)換角度審視問(wèn)題，不斷地跳出紅塵看紅塵來(lái)強(qiáng)化其對(duì)定理的宏觀認(rèn)識(shí)。比如動(dòng)力學(xué)部分中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)定理，其溯源都可追尋到牛頓第二定律，這些定理的作用在于建立物體系受力與其整體運(yùn)動(dòng)特征間的關(guān)系，所處理的問(wèn)題特征鮮明。這些定理實(shí)際上是將牛頓定律的活水引入到生活的方方面面，使其在不同的情境下呈現(xiàn)不同的卻是最簡(jiǎn)潔的形式，這也是應(yīng)用力學(xué)家的工作意義所在。提供這樣的角度，學(xué)生便可對(duì)動(dòng)力學(xué)部分有一整體認(rèn)識(shí)。再比如，有些學(xué)生會(huì)將達(dá)朗貝爾原理理解成牛頓第二定律的簡(jiǎn)單移項(xiàng)，這是偏頗的，如果從自由質(zhì)點(diǎn)和受約束系統(tǒng)角度來(lái)看問(wèn)題便會(huì)豁然開朗。

四、開展多樣化考核，作業(yè)精細(xì)化

豐富考核方式，注重平時(shí)考查，減小期末成績(jī)權(quán)重。“理論力學(xué)”課程的最終成績(jī)由期末考試成績(jī)（50%）、作業(yè)成績(jī)（30%）和平時(shí)課堂討論成績(jī)（20%）三部分組成。平時(shí)討論成績(jī)中一部分（70%）是課堂講解過(guò)程中進(jìn)行的隨堂小組討論成績(jī);另一部分（30%）來(lái)自于每節(jié)課后的趣味性思考題的個(gè)人成績(jī)，這部分成績(jī)的設(shè)置主要是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)也是提高課程挑戰(zhàn)度的一個(gè)手段。至于作業(yè)，并不局限于傳統(tǒng)的各自獨(dú)立完成的紙質(zhì)作業(yè)，還可以是小組作業(yè)，由一個(gè)小組中的各個(gè)成員協(xié)作分工完成。這樣每一個(gè)成員必須完成對(duì)應(yīng)的分工，否則就會(huì)拖累整個(gè)小組，從而提高了作業(yè)的參與度，避免了抄襲現(xiàn)象，更重要的是鍛煉了學(xué)生的合作能力。要通過(guò)作業(yè)不僅讓學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)而且要養(yǎng)成“理論力學(xué)”的思維方式，這需要一個(gè)過(guò)程，教師對(duì)作業(yè)批改的細(xì)致程度影響著這一過(guò)程的長(zhǎng)短。因此，對(duì)于學(xué)生作業(yè)應(yīng)逐個(gè)批改、逐處批注，切不可為節(jié)省時(shí)間分批批改！學(xué)生作業(yè)應(yīng)該成為教師向?qū)W生傳遞嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真態(tài)度的媒介。這樣將考察分散在平時(shí)教學(xué)的過(guò)程中，有助于學(xué)生將精力集中在課堂，有利于學(xué)生及時(shí)消化所學(xué)內(nèi)容，可以有效地避免考前臨時(shí)抱佛腳的現(xiàn)象發(fā)生。

五、結(jié)論

“理論力學(xué)”課程的教學(xué)是一個(gè)不斷探索、創(chuàng)新的過(guò)程。讓原本嚴(yán)謹(jǐn)、枯燥的理論變得趣味橫生又不失其縝密的一面是所有教學(xué)方法追求的目標(biāo)，也是學(xué)生最樂(lè)于接受的方式，只有這樣教學(xué)效果才會(huì)更好、學(xué)生學(xué)習(xí)效率才會(huì)更高，才有利于拓展“理論力學(xué)”課程的深度，強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

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