新形勢下改進理論力學課程教學的幾點思考

（河南科技大學物理工程學院 河南·洛陽 471023）

0 引言

2017年的《國家教育事業發展“十三五”規劃》中提出：將積極發展“互聯網+教育”作為重要任務，鼓勵教師創新教學模式，充分利用現代化信息技術手段，形成線上線下有機結合的網絡化學習新模式；2019年習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上指出：挖掘課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現全員全程全方位育人。在新形勢下，通過創新教學模式和豐富教學內容改進課程教學效果、提升人才培養質量是各高校正在積極開展的首要工作。理論力學課程是高校理工類應用物理學專業學生必修的一門專業基礎課，然而，其教學目前在應用型本科院校（以河南科技大學為例）的情況是課程內容多、課時少。任課教師為了趕教學進度壓縮知識點的剖析講解，教學內容公式推導和例題講解相對單一、教學模式課堂純粹講授相對單調、線上教學使用率低；學生被動地接受教師傳授新知識，越來越跟不上教學進度，逐漸失去學習本課程的熱情和自信心，教學過程枯燥，教學效果堪憂。因此，創新教學模式、豐富教學內容是理論力學教師改進教學效果的第一要務。

1 “線上+線下”教學有機結合，助推教學模式創新

（1）基于十幾年理論力學教學實踐經驗來看：學生剛接觸理論力學課程普遍反映和大一的力學知識都一樣，因此教師要首先做好理論力學與力學的銜接工作：

①教師要正確把理論力學教學內容的廣度和深度，突出課程的邏輯性，使學生深入理解兩者的根本不同：力學是歸納總結出物理學規律，而理論力學是使用這些規律借助高等數學工具來分析具體的實際問題；第二定律是由動量定理推導出來的；第三定律是牛頓本人在生活中觀察總結出來的。力學可以幫助學生們理解這些自然科學的原理是如何歸納總結出來的，而理論力學則是這些原理定理守恒律的使用，側重于數學方程的計算，我們可以使用牛頓運動微分方程（也就是牛頓第二定律的微分表示形式）來求解各種各樣的實際問題，比如分析三維空間中自由質點的運動問題，受曲線或曲面約束的非自由質點的運動問題；根據物體受到的作用力的表達形式（位移、速度或時間三種自變量的單函數還是聯合函數）來具體分析常系數微分方程的計算過程，并根據計算的結果理解運動規律。更為重要的是：理論力學中一個重要分支-分析力學，這是數學家們借助變分原理和方法來求解物理學問題，其求解過程比牛頓力學簡單，并且越復雜的實際問題使用分析力學的知識來計算越便捷。②讓學生認識到理論力學課程中的部分內容在力學中雖有所涉及，但是微積分思想和求解常系數微分方程的引入使理論力學分析問題更系統，更深入。③考慮到多數學生一直困惑于用微積分和求解常系數微分方程等問題，講課時，需要一步步講解計算過程以加強和鞏固學生對它們的運用。只有做好這些，學生才能欣然地、循序漸進地學習接受新知識。

（2）對平時教學效果的考量和期末考試成績的數理分析得到：河南科技大學應用物理學專業的學生在理論力學課程難度方面的認知是：僅有不到10% 的學生覺得課程簡單，能夠全部掌握教師所講的內容并在最終的期末考試中取得優秀；30%左右的學生覺得難度一般，能夠基本掌握所講內容；40%的覺得課程學起來難，老師講的內容只懂一些；20%左右的學生覺得課程非常難，對老師講的內容完全理解不了。大部分學生能夠做到在課堂上聽，但是做不到課前充分預習和課后高效復習。這說明學生自主學習能力還有些薄弱、也缺少良好的學習方法。從教學活動角度看，學生不但希望聽老師講，還希望與老師、同學交流和親身體驗等多種活動。單一的教學模式不再滿足學生需求，學生希望課堂教學，也希望有網上教學。

（3）對平時教學過程的深入溝通了解到：大部分學生（70%）認為理論力學課程重要，可以拓展思維、拓寬知識面、培養科學思維、為創新和探索提供理論支撐；30%的學生認為該課程不重要，只是為了拿學分。學生對理論力學與所學專業相關性的認識不多也不夠具體，這也要求教師能及時把理論力學這門基礎課程和后續的專業課程（比如材料力學，結構力學等）之間的銜接知識讓學生切實理解，比如講解剛體的平衡方程時，不考慮變形效應，運動方程的個數等于未知數的個數，我們稱之為靜定問題；在工程力學中物體的變形效應不能忽略，則此類未知數個數大于方程個數的問題稱之為非靜定問題，我們舉橋梁問題簡單的講解一下就可以加深學生對該知識點的理解，并提高對理論力學課程學習的興趣和積極性，并為后續課程的學習打下基礎。

（4）隨著信息技術與教育教學的逐漸融合，“混合式教學”（即“線上+線下”教學）模式優點逐漸突出。教師可以在四個方面發揮混合教學模式的優勢互補作用。①擴展教學活動的時間和空間。教師可以把錄好的講課視頻和習題講解視頻上傳網絡學習平臺，方便學生隨時隨地觀看，講授的內容上要做到既要突出重點，也要精講典型的例題和習題，講解過程多用現實生活舉例，比如在講剛體的各種特殊運動時多和實際物體聯系：剛體平動時，講解公路上行駛的汽車，分析其前后輪胎受力是否相同，解釋“漂移”是如何實現的，學生們對該知識點的理解一定是深刻的；剛體定軸轉動時，實地講解學生們頭頂上風扇的運行規律；剛體平面平行運動時，講解自行車的運動規律，學生們會心領神會兩種軌跡的區別和聯系；剛體定點轉動時，播放陀螺的運動視頻，讓學生回憶自己小時候玩陀螺的場景，能很好地理解歐勒角的定義。課堂多點實驗，比如在講解角動量守恒定律時，可以播放花樣滑冰運動員的視頻，伸開雙臂，角速度減小，抱緊雙臂，角速度增大，引導學生嘗試思考能不能用一些因陋就簡的小實驗來同樣驗證這個守恒定律，以啟迪學生的思路，活躍課堂教學的氣氛，提高教學效果。多點小組討論，主要探討原理定律如何應用，同一道例題或習題嘗試用不同的方法來求解。比如橢圓軌尺可以分別使用運動學方程和剛體的平面平行運動方程都能得到其上任意一點運動的速度和加速度；兩個固定球支撐一自由球的三體平衡問題，既可以使用牛頓力學中平衡力系原理，又能使用分析力學中虛功原理進行求解；再比如，運動質點和直角劈的兩體運動問題，既能使用牛頓力學中的運動方程和守恒定律求解，也能使用分析力學的拉格朗日方程求解......這類一題多解問題的分析過程，一方面調動了學生的學習積極性，另一方面也能通過不同角度分析問題來提高學生的邏輯思維能力。除了精進各個講授環節之外，還可將仿真實驗嵌入多媒體教學中，演示使用物理數學軟件進行數值分析計算，演示使用圖形或動畫形象地模擬分析物體的受力情況及運動過程，提高學生對課程內容掌握的牢固度。②提供多元的教學互動形式。除了課堂上面對面的及時交流，還可以通過QQ、微信、釘釘等交互平臺及時進行知識點的答疑解惑和對日常學習生活中實際問題的理解，隨時隨地進行便捷的交流溝通，不僅能提交教學質量還能增進師生情誼。③開展多元化的教學活動。課堂上開展對學習過程進行引導和啟發的活動；網絡平臺上多開展作業討論、問卷調查、章節測驗等有監督效果的活動；兩者結合形成“預習—聽課—復習”的學習環節。幫助教師及時了解學生的學習情況，并適時給予監督和全面的綜合評價；學生可以通過隨時查看自己各個項目得分情況了解最近學習狀態，做出反思，及時調整學習態度和方法。開展這些多元化的教學活動，不僅能夠幫助學生提高自主學習能力、培養良好的學習習慣；還自然而然地加強了學生之間、師生之間的交流溝通和學生在教學中的參與度。④用好網上優秀教學資源拓寬課程內容范圍、拓展課程內容深度，使得學生能多角度、全方面的理解所學知識。

2 多種思政元素融合提高育人效果

加入多種多樣的思政元素，既能使得教學內容豐富多彩，又能更好的實現教書育人的目的。（1）加入現代科技前沿技術。比如，講動量守恒定律應用時，引導學生運用該知識推導火箭飛行原理公式，并借機介紹我國航天技術發展創新的奮斗歷程，以此激發學生強烈的民族自豪感；講多普勒效應的原理和實際應用時，可以介紹我國自主研制的“蛟龍號”潛水器及其目前的下潛深度，不光使得課本上知識的應用直觀呈現，同時也讓“科技強國、創新興邦”的理念滲透入學生心中。（2）加入科學家的故事。比如，國內科學家錢學森、鄧稼先和于敏等，介紹他們國為重，家為輕；科學最重，名利最輕的精神境界，讓學生深刻認識真正的大愛、大義和奉獻，增強內心深處的責任和擔當。（3）加入與課程內容有關的娛樂節目。比如，講角動動量守恒定律應用時，播放一段我國滑冰運動員比賽的視頻或相關娛樂節目視頻，再插入一段有關該知識的討論，活躍課堂氣氛的同時，又加深了同學們的記憶。（4）加入中國優秀傳統文化，能讓學生陶冶人文情操，增強學生的愛國情懷。比如，講解動量定律時得到以下結論：要使給定物體的動量發生一定的改變，需要作用多大的力，該力作用多長時間。當作用力較小時，需要的作用時間就長些；而當作用力較大時，需要的作用時間就短些。通過對動量定理的學習和討論，教育學生找準目標后就一定要堅持努力，每天進步一點點，量變引起質變。（5）加入辯證唯物主義世界觀。比如，講光的波粒二象性時，簡單扼要介紹“波動說”和“微粒說”經歷三百多年的爭論，最終經過大量的科學實驗確定光既有波動性又有微粒性，讓學生深刻體會到實踐是檢驗真理的唯一標準，順勢鼓勵學生在生活和學習中要勤于用實際行動驗證自己的想法。思政教育與課程教育的有機融合，豐富教學內容的同時，也在踐行著立德樹人的教育理念。

3 結語

理論力學的實際教學工作目前還存在著各方面問題，但是在新時代教育教學改革形勢的激勵下，我們進行了深刻的思考并提出了相應改進措施。期待這些措施能有助于提高教學效果，發揮高校育人的優勢，為提高人才培養質量貢獻一分力量。