《理論力學(xué)》課程團(tuán)隊(duì)在線教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

李世遠(yuǎn) 彭 巖 李 妍 程 麗 朱智瑩

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 北京 102249）

理論力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的學(xué)科。力學(xué)的一個(gè)分支。它是一般力學(xué)各分支學(xué)科的基礎(chǔ)[1]。理論力學(xué)課程是石油工程學(xué)院面向石油工程專業(yè)及海洋油氣工程專業(yè)大一學(xué)生開設(shè)的必修課程，共40學(xué)時(shí)。本課程為專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，并在許多工程技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)理論力學(xué)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和研究方法，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)應(yīng)用理論力學(xué)的理論和分析方法、解決一些簡(jiǎn)單的工程實(shí)際問(wèn)題[2][3]。課程概念抽象化多、解析計(jì)算性強(qiáng)、工程應(yīng)用性廣，如何通過(guò)在線教學(xué)解決這個(gè)問(wèn)題是關(guān)鍵所在。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)形象化、多樣化和協(xié)同化在線教學(xué)模式，提升課程教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

1 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

以圖文注釋、電子板書、在線測(cè)試、模擬教室環(huán)境等多種方式，增加基礎(chǔ)課程講解的形象化、互動(dòng)化，達(dá)到接受知識(shí)點(diǎn)、理解知識(shí)點(diǎn)并掌握知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果。第一，在線問(wèn)卷了解動(dòng)態(tài)。首先，通過(guò)騰訊會(huì)議和雨課堂的方式，授課實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定的在線教學(xué)模式。在上課前，教師進(jìn)入騰訊會(huì)議做好準(zhǔn)備，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)騰訊會(huì)議使用的熟悉程度。在線上課程中，教師通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)聽課思考、出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卡頓現(xiàn)象、克服困難聽課等問(wèn)題的反饋。通過(guò)學(xué)生反饋情況，教師隨時(shí)了解學(xué)生想法，并動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)方式和在線教學(xué)模式。

第二，電子板書圖畫講解。教師通過(guò)調(diào)整PPT課件字體滿足在線教學(xué)中屏幕觀看的需求，同時(shí)運(yùn)用電子板書在PPT講解中增加文字和圖畫注釋。此外，引入研究性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。將黑板上的板書變?yōu)槠聊簧系膶?shí)時(shí)批注，與教師的語(yǔ)言表達(dá)相配合，能更好的將知識(shí)傳達(dá)到每個(gè)學(xué)生面前。傳統(tǒng)課堂中，坐在后面的同學(xué)因?yàn)榫嚯x黑板較遠(yuǎn)，有時(shí)不能清楚的看到板書的過(guò)程，學(xué)習(xí)效果受到影響。在線板書很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，保證了每個(gè)課程參與者的清晰觀看。此外，通過(guò)形象化的圖畫講解力學(xué)模型，通過(guò)學(xué)生喜聞樂(lè)見的形式以簡(jiǎn)筆畫的風(fēng)格展現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

第三，課題研討聯(lián)系實(shí)際。課程教學(xué)中對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行力學(xué)分析、計(jì)算時(shí)，都將其抽象成為力學(xué)模型，初學(xué)者往往對(duì)于力學(xué)模型很熟悉，但對(duì)于這些模型背后的實(shí)際問(wèn)題知之甚少。在《理論力學(xué)》的教學(xué)中，將受力分析的例題對(duì)應(yīng)工程問(wèn)題，密切結(jié)合實(shí)際，例如機(jī)構(gòu)中構(gòu)件受力分析。不但講解受力分析過(guò)程，而且延伸到一般模型分析。從而幫助學(xué)生更好的理解原理，培養(yǎng)科學(xué)研究的方法和興趣。

第四，教室環(huán)境真實(shí)模擬。課程授課過(guò)程中，教師在不斷探索居家模擬真實(shí)課堂環(huán)境，進(jìn)行實(shí)時(shí)直播并在線互動(dòng)。通過(guò)這種方式，讓學(xué)生獲得教室授課的儀式感，從而能夠提升自我約束并投入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

第五，在線習(xí)題分工編寫。課程團(tuán)隊(duì)按授課內(nèi)容分工，各自編寫不同章節(jié)的在線試題庫(kù)。充分發(fā)揮雨課堂客觀題的作用，將課程易錯(cuò)點(diǎn)、重難點(diǎn)通過(guò)選擇題、投票題等形式發(fā)出，學(xué)生完成后可及時(shí)看到答案解析，做到學(xué)習(xí)效果的自動(dòng)檢測(cè)，小誤差的自動(dòng)糾正，盡量使每一位學(xué)生都能跟上講課的節(jié)奏。

第六，慕課回顧鞏固理解。在線課程內(nèi)容講授之后，通過(guò)學(xué)校教務(wù)處組織的學(xué)堂云平臺(tái)，為班級(jí)學(xué)生綁定身份，進(jìn)一步安排學(xué)生學(xué)習(xí)慕課，并通過(guò)課堂討論區(qū)實(shí)施交流，回答學(xué)生問(wèn)題。選取的慕課是課程教材編寫單位和編者的慕課，學(xué)生可以有種“原汁原味”的體驗(yàn)。

2 課程目標(biāo)與學(xué)情分析

本課程的課程目標(biāo)要求學(xué)生能對(duì)常見工程約束進(jìn)行簡(jiǎn)化、分析受力和畫示力圖。熟練掌握力的投影、對(duì)點(diǎn)的矩和對(duì)軸的矩的計(jì)算。對(duì)工程中的各種力系（匯交力系、力偶系、任意力系和分布力系）能進(jìn)行簡(jiǎn)化。熟練掌握各力系的平衡方程及應(yīng)用，對(duì)工程靜定結(jié)構(gòu)能進(jìn)行平衡分析。理解點(diǎn)和剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。理解動(dòng)力學(xué)基本定律，熟練建立運(yùn)動(dòng)微分方程，掌握動(dòng)量定理及動(dòng)能定理及其綜合應(yīng)用。

結(jié)合雨課堂或騰訊課堂，每次課后進(jìn)行學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計(jì)，即每位學(xué)生觀看直播以及觀看回放時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)在線授課過(guò)程中，每道在線習(xí)題的答題情況，便于及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，總結(jié)分析并進(jìn)一步改進(jìn)課堂設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

課后答疑隨時(shí)互動(dòng)。檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要方式，就是課后學(xué)生提問(wèn)、教師答疑解惑。在這個(gè)過(guò)程中，教師隨時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)課程進(jìn)行回顧、總結(jié)和鞏固。

學(xué)生作業(yè)在線批改。檢驗(yàn)教學(xué)效果的另一個(gè)重要方式，就是學(xué)生作業(yè)。通過(guò)雨課堂進(jìn)行作業(yè)發(fā)布，并在線批改作業(yè)，運(yùn)用電子板書進(jìn)行批改注釋，并給出鼓勵(lì)性的評(píng)語(yǔ)，激發(fā)學(xué)術(shù)學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生作業(yè)交流的在線互動(dòng)。

隨著新時(shí)代和新工科教育的不斷發(fā)展，作為工科基礎(chǔ)課的教師，信息化及在線教學(xué)已逐步發(fā)展為授課模式的必備要求。在線教學(xué)的優(yōu)勢(shì)包括教材和課件載體更加清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，結(jié)合圖文并茂的繪畫和注釋講解、電子板書、在線測(cè)試和在線作業(yè)批改等都有助于學(xué)生的理解和掌握。雨課堂、騰訊課堂等教學(xué)工具可以通過(guò)各種數(shù)據(jù)隨時(shí)讓老師和學(xué)生了解到教學(xué)效果。定期互動(dòng)交流這種形式，使得現(xiàn)實(shí)課堂上不愿意發(fā)言的學(xué)生會(huì)更加積極踴躍地通過(guò)鍵盤提出自己的想法。

3 理論力學(xué)中的課程思政

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境載體，教師對(duì)學(xué)生們開展課程思政，包括表達(dá)對(duì)學(xué)生的關(guān)愛和勉勵(lì)，介紹力學(xué)概念在生活中的應(yīng)用例如火神山和雷神山醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)平衡等。大國(guó)重器當(dāng)中的課程思政，通過(guò)多個(gè)案例給予介紹。例如“藍(lán)鯨1號(hào)”的鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)，主要結(jié)合理論力學(xué)中的靜定與超靜定問(wèn)題的重要概念。特殊時(shí)期的北京鼓樓饅頭店，利用了“斜面”保證饅頭傳遞到顧客手里，而通過(guò)無(wú)人機(jī)和京東美團(tuán)的無(wú)人配送把蔬菜食品送到千家萬(wàn)戶。

科學(xué)原理與科學(xué)家精神融入到具體工程案例當(dāng)中，2020年是“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射50周年。衛(wèi)星按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，地面對(duì)其實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)控，數(shù)十萬(wàn)中國(guó)人仰望星空觀看衛(wèi)星過(guò)境，一曲嘹亮的《東方紅》響徹寰宇、震動(dòng)世界。結(jié)合衛(wèi)星發(fā)射，講授動(dòng)量矩守恒定律。我們分析質(zhì)點(diǎn)在有心力作用下的運(yùn)動(dòng)，由于動(dòng)量矩是恒矢量，這里有兩個(gè)不變，第一個(gè)是恒矢量的方向不變，代表了右手螺旋定則的大拇指方向不變，也就是質(zhì)點(diǎn)在有心力作用下運(yùn)動(dòng)的軌跡是平面曲線。第二個(gè)是恒矢量的大小不變，即面積速度不變。由此定理可知，當(dāng)人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，離地心近時(shí)速度大，離地心遠(yuǎn)時(shí)速度小。“東方紅一號(hào)”人造地球衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射五十年了，并且仍在軌道上運(yùn)行，滿足動(dòng)量矩守恒定理。對(duì)于動(dòng)量矩守恒定理，最直觀的就是平面曲線軌跡和速度“近大遠(yuǎn)小”的特點(diǎn)。

以衛(wèi)星發(fā)射為標(biāo)志性工程，我國(guó)航天事業(yè)進(jìn)入空間站時(shí)代。再過(guò)去的五十年以及更長(zhǎng)的實(shí)踐中，不能忘記以孫家棟為代表的老一輩航天人的貢獻(xiàn)，他們讓中國(guó)的空間科學(xué)事業(yè)從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)、從小到大。火星探測(cè)、“嫦娥”奔月如今都已成為現(xiàn)實(shí)。正是老一輩科學(xué)家甘于奉獻(xiàn)、隱姓埋名，幾十年的艱苦奮斗干出了驚天偉業(yè)。我們國(guó)家的各個(gè)行業(yè)都有著這么一大批的奮斗者，才取得今天的巨大成就。工科基礎(chǔ)課在傳授學(xué)生專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，還要講標(biāo)志性的成果和精神品質(zhì)給學(xué)生們做好傳授。

本文列舉了石油工程專業(yè)本科理論力學(xué)課程團(tuán)隊(duì)教師共同努力下的在線教學(xué)實(shí)踐。面對(duì)突如其來(lái)的教學(xué)要求，不論是教學(xué)多年經(jīng)驗(yàn)豐富的教師還是青年教師基本都沒有在線直播教學(xué)的經(jīng)歷，這就更加促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作、資源共享的需求。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在線研討、分工配合、共享成果，迅速形成了石油工程學(xué)院《理論力學(xué)》課程的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式和在線習(xí)題庫(kù)等在線教學(xué)的有形化支撐，并通過(guò)多位主講教師幾周的教學(xué)實(shí)踐逐步進(jìn)行測(cè)試、反饋和改進(jìn)。發(fā)揮名師引領(lǐng)、運(yùn)用團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)力量，打贏基礎(chǔ)課教學(xué)促進(jìn)學(xué)生理解、提高教學(xué)效果的這場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)！