新工科背景下理論力學教學實踐與探索

譚鄒卿　蔣學東　何云松　班書昊　席仁強　徐然　叢蕊

摘 ?要：理論力學是機械等工科專業一門重要的核心技術基礎課程，具有理論體系完整、教學內容豐富和課時少等特點。隨著智能手機的普及和互聯網的發展，嚴重沖擊著傳統課堂教學模式。這就需要調動學生學習興趣和主動性，活躍課堂氛圍，加強課堂管理。文章從知識結構、道家哲學思想、ADAMS軟件以及雨課堂平臺四個方面進行了探索，以提高理論力學課程教學質量。

關鍵詞：理論力學教學;思維導圖;道家哲學思想;ADAMS;雨課堂

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）07-0103-05

Abstract： Theoretical mechanics is an important basic technical course of mechanical engineering majors， which has the characteristics of complete theoretical system， rich teaching content and less class time. With the popularity of smart phones and the development of internet， the traditional classroom teaching model has been seriously affected. This needs to mobilize students' interest and initiative in learning， and to activate the classroom atmosphere， and to strengthen the classroom management. This paper explores four aspects： knowledge structure， Taoist philosophy， ADAMS software and rain classroom platform， in order to improve the teaching quality of theoretical mechanics.

Keywords： theoretical mechanics teaching; mind map; Taoist philosophy; ADAMS; rain classroom

理論力學是科學研究物體機械運動的一般規律的學科，是機械、土建、航空等工科專業中一門系統性、理論性和邏輯性較強的的技術基礎課，也是材料力學、機械原理、過程設備設計等后續課程的基礎。但理論力學概念多、抽象性強以及內容豐富，需學生在深刻理解物理概念的基礎上靈活運用理論公式、解題方法。由于理論力學的基本概念與高中物理、大學物理的力學存在一些重復的內容，學生會錯誤地認為理論力學似乎容易明白，也就容易因概念混淆而導致習題難以下手等問題，進而造成理論易懂、習題難做的困難局面。另外，理論力學利用高等數學中的矢量方法進行嚴密的公式推理，數學基礎薄弱的學生對理論力學內容理解就會變得更加困難。為了培養適應經濟社會發展需要的高質量、多樣化的人才，普通本科院校總課時發生了很大的變化，本校的理論力學課程時數已從原來的120學時削減為56或64學時，課時量被極大壓縮。但“基礎不牢，地動山搖”！針對課時減少的現狀，如何保障在短時間內完成教學內容和教學質量十分重要。值得注意的是，隨著互聯網、移動電子設備等技術的快速發展，智能手機等電子產品得到了迅速的普及，“低頭族”正成為現代社會的一個流行詞。這種低頭族現象也沖擊著大學課堂的教學效果。教師應積極思考如何將新技術恰到好處地應用在理論力學課堂教學中，從而促進教學質量的提高。為此一些學者根據自身教學實踐探討了不同的教學方法，并取得了良好的效果[1-3]。針對理論力學教學過程中遇到的主要問題，結合本教研團隊的教學經驗提出了幾點思考，以提高教學質量。

一、運用思維導圖相，培養學生的結構化思維

美國心理學家、教育學家布魯納認為：“掌握事物的結構，就是以允許許多別的東西與它有意義地聯系起來的方式去理解它。簡單地說，學習結構就是學習事物是怎樣相互關聯的”。理論力學的內容包括靜力學、運動學和動力學三大部分。這些知識點之間并不是簡單的并列、漸進的關系，是由各種關系有機地交織在一起的。因此，需從知識的整體性出發，構建理論力學知識鏈和知識塊的結構化網絡。把握教材知識整體結構，讓學生對理論力學課程有一個清楚的、整體的認識，進而感受到：“會當凌絕頂，一覽眾山小”！作者在教學實踐中發現，可利用思維導圖建構理論力學知識網絡，如圖1所示。

圖1 理論力學知識體系思維導圖

從內容上看，靜力學的核心內容求質點（系）和剛體（系）上的廣義力（F、MO、MZ、M）;運動學研究物體運動的廣義軌跡（r、s、？漬）、廣義速度（v、？棕）以及廣義加速度（a、？琢）;動力學研究物體的作用力與機械運動之間的關系（如？撞Fi=ma、？撞MZ（Fi）=JZ？琢），其基礎是靜力學部分的廣義力和運動學部分的廣義軌跡、廣義速度以及廣義加速度。另一方面，從方法上看，由于牛頓構建的力學世界，在很大程度上采用幾何作為工具進行分析和求解，這就需要讓學生意識到力學與幾何有著密切的聯系，要培養學生利用矢量方法來求解理論力學的問題。許多物理量如力、力偶、矢徑、速度、加速度、動量、動量矩、沖量等都是矢量。因此，在分析理論力學中的問題一般都遵循如下三個步驟：（1）選取研究對象（畫無矢量的幾何圖形，如質點、質點系、剛體、剛體系）;（2）進行矢量分析（畫直箭頭、彎箭頭，如集中力畫直箭頭，角速度畫彎箭頭）;（3）列方程（建立坐標系將矢量圖轉化為數學公式）。按照這樣的由幾何圖轉化為公式的解題步驟，思路清晰且便于掌握。上述理論力學思維導圖把零碎的課程知識系統化，清楚地讓學生從整體上把握所學內容和方法。當然，該方法也可運用在各章節中，引導學生掌握知識點的邏輯關系，有利于學生對該課程的學習和掌握。

二、與道家哲學思想相結合，培養學生的科學發展觀

愛因斯坦曾說：“哲學可以被認為是全部科學之母”。因此哲學思想能夠貫穿于力學學科的發展過程中，對理論力學教學有指導意義。在理論力學教學過程中引導學生從哲學的角度思考知識點的發展脈絡，有利于培養學生的科學發展觀[4]。中國古代思想家老子在《道德經》云：“道生一，一生二，二生三，三生萬物”。該樸素的哲學思想表示了“道”生萬物從少到多，從簡單到復雜的一個過程。這種發展的哲學原理也同樣適用于對理論力學各個概念、定理的梳理。此外，自然界在紛繁復雜的表象背后隱藏著簡單的規律[5]。正如牛頓說的那樣：“自然界喜歡簡單，不愛用多余的原因夸耀自己。”愛因斯坦也把簡約作為科學美的重要標志。他曾說過：“要通過最少個數的原始概念和原始關系的使用來達到科學的目的。”綜上所述，作者更趨向于將道家哲學思想改寫為：“道生一，一生二，二生三，三生萬物，萬物歸宗。”基于該哲學思想，表1給出了一些理論力學知識點的脈絡。從知識點上來說，學生在高中階段都已經部分或全部學過，所以對于已經學過的內容可簡要闡述即可。但理論力學重點研究剛體（系）的運動與相互作用之間的關系，這就需要研究對象從質點（系）向剛體（系）轉變，進而需要增加剛體（系）受力、運動及二者之間關系的物理量、定理和定律。學生學習理論力學的難點恰好在這轉變上。例如，由于剛體運動形式有：平動、定軸轉動和平面運動，而剛體是由無數質點組成的質點系，在研究剛體的動能時，學生需從高中階段的質點動能單一形式向多種簡單形式（剛體平移：剛體定軸轉動：、剛體平面運動轉變。利用道家哲學思想就能較好地解決從高中物理到理論力學的跨度問題，該“簡單-復雜-再簡單”方法讓學生體會到高中物理與理論力學的異同，并突出了理論力學的重難點，定會提高學生對理論力學的認識。

三、引入ADAMS軟件，激發學生的學習興趣

目前，由于課堂上缺少實物模型展示，導致教學缺乏直觀性，使得學生感到理論過于抽象、習題無從下手。因此，可視化教學模式是基礎力學教學改革與實踐的一個方向[6-7]。為了豐富理論力學教學素材，哈工大在第八版教材中增加了數字資源的二維碼鏈接，學生可以通過掃描書上的二維碼即可鏈接相關數字資料[8]。然而，這些視頻僅僅起動態演示的作用，對機械等專業后續課程的學習以及創新設計等比賽幫助有限，難以鍛煉學生產品開發的設計能力。ADAMS以其公認的優越性被越來越多的工程技術人員和科研人員所使用，廣泛地應用在工程機械、汽車制造業、航空航天等領域，并取得了顯著的成績[9]。將ADAMS仿真技術引入到理論力學教學中，從哈工大版理論力學教材中挑選典型的力學問題，對相關實例進行仿真分析，建立了ADAMS仿真實驗數據庫（部分內容如圖2所示），加深了教學的直觀性和應用性，為后續課程學習、畢業設計甚至就業工作等提供仿真方法。例如，圖3為利用ADAMS建立曲柄滑塊機構模型后在后處理模塊進行仿真和曲線繪制結果，該仿真結果與理論解[8]完全一致。ADAMS/PostProcessor模塊提供了仿真結果回放和分析曲線繪制功能，學生可以觀察模型的運動以及曲線的變化，就像做實際的力學試驗一樣。利用生動的動畫、曲線等展示給學生，從而將抽象的理論具體化，這對激發學生的學習興趣，增強教學效果起到了很好的作用。

四、基于雨課堂的教學，提高教學管理的效率

以上從教師傳授知識和技能等方法來提高理論力學教學效果，但忽略對課堂教學的管理將給教學工作帶來巨大的困難。科學技術的快速發展帶來了學生的“現代化”，許多課堂都面臨著“低頭族”的難題，學生不聽講玩手機的現象讓不少老師感到困惑，特別是高度概括和比較抽象的基礎課程尤為如此。可見，課堂教學管理是教學工作的一個重要內容，還是組織教學的重要環節。在教育信息化、現代化的背景下，如何用信息技術推動課堂教學改革？雨課堂由學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發的一款新型智慧教學工具，為師生搭建了線上線下課堂教學互動溝通的平臺[10]。它將信息技術手段融入PowerPoint和微信，將“課前-課中-課后”的每一個教學環節都賦予全新的體驗，基本實現了教師對教學全周期的數據采集、整理、分析等，幫助教師實時獲取學生的學習情況。使用雨課堂可開展掃碼簽到、與PPT同步的課件傳遞、隨機點名、隨堂測驗、私信問答、記錄教學設計和心得等教學活動，如圖4（a）和（b）所示。此外，為了節約大量的人力、物力、財力，針對常州大學機制17級采用了基于雨課堂的無紙化期中測試，如圖4（c）所示。由于不需要打印試卷，不需要組織閱卷，收卷后自動打分并顯示考試成績，試卷成績可下載成Excel表格，方便成績統計和保存等，與傳統的紙質考試方式相比，雨課堂考試方式具有成本低、速度快、便于統計整理等優勢。此次把雨課堂運用于理論力學考試當中，真正實現了雨課堂“課前-課中-課后”全程式教學模式，是教學改革的一種新嘗試。

五、結束語

綜上所述，在理論力學教學實踐中獲得了以下四點經驗：

1. 運用思維導圖的方式很好地鍛煉了學生的綜合分析能力與邏輯思維能力，使得學生對理論力學教學體系和內容有了更加清晰的認識。

2. 將道家哲學思想融入理論力學的教學中，培養學生從哲學的高度進行思考學習。

3. 引入ADAMS軟件，充分發揮了CAE軟件的優勢，增加了學生的直觀認識，豐富了課堂教學內容，激發了學生學習興趣。

4. 基于雨課堂平臺，為師生構建了良好的課堂互動環境，能夠引導學生養成良好的學習習慣。

參考文獻：

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[9]宋少云，尹芳.ADAMS在機械設計中的應用[M].北京：國防工業出版社，2015.

[10]王帥國.雨課堂：移動互聯網與大數據背景下的智慧教學工具[J].現代教育技術，2017，27（5）：26-32.

基金項目：江蘇高校“青藍工程”資助項目“優秀青年骨干教師”（蘇教師[2020]10號）;常州大學教育研究重點課題資助項目“ADAMS虛擬實驗在理論力學教學中的實踐與研究”（編號：JXJY2017003）

作者簡介：譚鄒卿（1983-），男，漢族，四川廣安人，博士，副教授，研究方向：微納米力學、生物傳感器;蔣學東（1966-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：彈塑性力學;何云松（1974-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：有限元分析、計算流體動力學;班書昊（1978-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，講師，研究方向：振動力學;席仁強（1984-），男，漢族，河南三門峽人，碩士，講師，研究方向：工程結構抗震;徐然（1982-），女，漢族，山西太原人，博士，講師，研究方向：非線性斷裂力學;叢蕊（1972-），女，漢族，江蘇常州人，博士，副教授，研究方向：非線性轉子動力學和故障診斷。