大學《理論力學》課程教學與中學物理銜接問題的思考及對策

丁文波 董莉 密更 劉玉會

基金課題：渤海大學2019年度中小學聯合教學改革項目

項目號：2019ZXXJG22

摘要：《理論力學》課程是高校物理專業的重要基礎課，學好這門課對大學生的意義重大。然而，目前該課程與中學物理的銜接存在一些問題，這阻礙了理論力學的教學效率和效果。本文將探討《理論力學》中角速度矢量與高中物理圓周運動之間所存在的知識銜接問題，并通過實踐給出具體的解決方案，從高中的物理教學和大學理論力學的講授兩方面著手來解決問題，使高中生和大學生同時受益。

關鍵詞：理論力學;高中物理;角速度;圓周運動

引言

在大學的物理課程中，理論力學具有一定的特殊性，它與高中物理有聯系、以大學普通物理為基礎，是物理專業學生四門理論物理課程中的第一門先導課[1-3]。學好理論力學對物理專業的大學生尤為重要，因為理論力學為其他較難的理論物理課程（量子力學、電動力學等）打下必要的理論基礎、使學生得到理論物理思維和研究方法的初步訓練、對于學生能力的培養和科學素養的提高具有重要意義[4-6]。然而，目前理論力學課程與中學物理的銜接存在一些問題，這阻礙了理論力學的教學效率和效果，對此，我們進行了實踐和反思，找到了一些解決方案。

一、理論力學中角速度矢量與高中物理圓周運動的銜接問題

周先生編寫的理論力學教材中，第三章第二節的內容為角速度矢量，主要為后文描述剛體的轉動提供必要的準備。在這一節中，首先要講解有限轉動和無限小轉動的區別，要明確如何確定一個量是否為矢量;然后引出角位移這個物理量，通過矢量的兩個要素證明角位移是矢量;最后從角速度的定義出發，通過角位移的矢量性證明角速度為矢量。

人教版的高中物理教材第六章講述了圓周運動。在這一章中，首先講解什么是圓周運動，對圓周運動的現象、角速度、線速度、周期等進行直觀、簡單的描述;然后通過實驗給出向心力，以及向心加速度的定義及特點，也進一步點明向心力是物體作圓周運動的原因;最后列舉生活中圓周運動的幾個例子，把理論知識應用到現實生活當中。

從上面的大學理論力學的課程內容和高中物理圓周運動教學內容的對比中，我們發現了一些銜接方面的問題：

1.理論力學強調角速度的矢量性，整個教學內容都是圍繞證明角速度是矢量這個核心問題而展開的，證明過程中引入了另外一個學生沒有接觸過的物理量—角位移，所以多數大學生學完了這節內容，對于角速度的矢量特性仍然一知半解，理解的不夠深入。而高中物理從圓周運動的現象引出轉動這種運動形式，在此之前高中生對轉動沒有明確系統的學習，所以與轉動息息相關的物理量—角速度的介紹也是十分的淺顯的，直接類比線速度的定義方式，給出角速度的公式，即（其中和指角度和時間的變化量），最后得出線速度與角速度的關系，（為圓周運動的半徑）。但是這些關系其實都只局限于量值（大小）上的關系，對角速度的方向沒有進行任何說明，這與大學理論力學的內容存在矛盾。

2.理論力學在角速度矢量這一節結束之后，緊接著就是與轉動相關的內容，包括歐拉角、剛體運動微分方程、剛體轉動慣量等，但是卻唯獨沒有單純的圓周運動。這使得大學生們在思維上出現了一個斷層，因為他們在中學中已經固化了角速度就是與圓周運動直接相關的物理量這一思維模式，但是到了大學，角速度變復雜了，這些學生們可以理解，但是理解之后卻又感覺無用武之地，沒應用在圓周運動上，讓他們很難把角速度這一矢量理解到一定的深度。而實際上，理論力學在第三章的第六節“剛體的平動與繞固定軸的轉動”才開始“不經意”地提到圓周運動，這顯然使得學生對角速度和轉動的認知都處于一個事倍功半的狀態。

二、應對策略

如何讓大學的理論力學中角速度矢量與中學物理的圓周運動知識實現無縫鏈接，讓學生們可以事半功倍地學習，讓教師的教學效果更好呢？我們通過與高中師生的交流、實踐與摸索，得到以下較為實用的應對方案：

1.在高中階段，教師講解角速度時，應采用啟發式的教學模式，引導學生去思考角速度到底有沒有方向，或者說在高中階段留下一個伏筆，讓有余力的高中生可以自己去查一些資料來得到答案。這樣將來在大學的理論力學學習中，學生才能更好地理解角速度是矢量這一事實，才能夠批判性地看待高中階段給出的公式，理解它們的局限性。而同樣，在大學的課堂上，教師也應注重高中和大學知識的對照比較，使得學生把角速度矢量理解到更深的程度，更容易記憶角速度與線速度關系的公式：，更能理解角速度的方向是沿轉軸的這一事實。

2.在大學階段，教師應照顧學生的思維習慣，在“角速度矢量”這一節內容完成之后，馬上給出生活中圓周運動的一些例子，引導學生應用所學的知識去分析角速度矢量的大小和方向，以達到鞏固知識，加深理解的目的，這樣學生在后續的較難內容的學習中才能更加輕松和高效。具體的例子可以選擇高中物理教材第六章第4節“生活中的圓周運動”中的一些典型實例，包括火車轉彎、離心運動等。但是高校教師也需注意，在教學手段上，應多引入圖片、動畫等多媒體教學方式，以方便學生的理解和節省時間。

一、總結

本文闡述了大學的理論力學課程中角速度矢量與高中物理圓周運動的銜接所出現的問題以及解決方案。經過本校理論力學教師和高中物理教師的共同努力，該教學改革方案已經取得了一些成效，高中生對于物理的學習興趣增加、大學生對剛體的角速度以及轉動的認識更加深刻扎實、課堂效率和效果均得到了提升。我們將繼續深入這方面的實踐和探討，期待為高中生和大學生帶來更大的益處。