力學教學的創新型改革研究與實踐

摘? 要：力學是工科大類專業的基礎學科，是工科學生提升專業素質的重要學科，了解和掌握力學是工科專業學習生涯的重中之重。因此對于本科階段的力學教學，尤其以理論力學為主，以及與之相關的如材料力學等，教師都需要進行認真仔細地準備打磨。但力學學科較為枯燥，如何進行改革創新，增強其趣味性？提出一種全新的力學教學方式，并從教學實踐中得出結論，這種改革增強力學學科對學生的吸引力，提高該學科的廣度以及深度。既可以讓學生了解該學科、掌握該學科，生成濃厚的興趣，推動其專業素養的進步，也可以促進學生個人的學習能力，對學生的綜合素養有著巨大的提升。

關鍵詞：力學;教學改革;創新教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）10-0045-04

Abstract： Mechanics is the basic subject of engineering major and an important subject for engineering students to improve their professional quality. Understanding and mastering Mechanics is the top priority of engineering professional career. Therefore， for undergraduate mechanics teaching， especially theoretical mechanics， and related basic courses such as materials mechanics， teachers need to prepare carefully. But the course of Mechanicsis boring， how to reform and innovate， enhance its interest？ This paper puts forward a new teaching method of Mechanics， and draws a conclusion from the teaching practice. This reform enhances the attraction of mechanics to students， and improves the breadth and depth of the subject. It can not only enable students to understand and master the subject， generate strong interest， promote the progress of their professional quality， but also promote students' personal learning ability， which has a huge improvement on students' comprehensive quality.

Keywords： Mechanics; teaching reform; innovative teaching

為了學習貫徹以習近平新時代中國特色社會主義思想，貫徹落實黨的十九大精神，落實立德樹人根本任務，并堅決執行教育部所印發的《關于一流本科課程建設的實施意見》中要求全面開展一流本科課程建設，消滅“水課”等規定，要堅持創新教學，堅持以人為本和諧共進的思想，以學生為主，并適當提升學習挑戰度、拓展課程深度、提高學生綜合素養。而作為工科中的基礎學科，力學尤其是本科階段涉及到的理論力學和材料力學，在工科學生尤其是機械類、土木類等重要的傳統學科的學習生涯起著至關重要的作用，是學生入門相關專業必不可缺的一門課程，其中所學習的不僅限于理論知識，還有對相關學術問題的解決方法、解決思路的介紹以及啟蒙，可以提高學生以后從事相關專業的專業素養、研究素養，培養他們發現并解決問題的能力，以及學會理性認知、定性分析、定量計算的學術素養。由此可見，對力學學科教學質量的把關以及提升至關重要。

一、對理論力學的認知

（一）理論力學學科特色

理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學。其知識內容架構如圖1所示。

由圖1可知，理論力學分為靜力學、運動學和動力學三大部分，它們既相互獨立但又在思路上具有統一性，即運用了大量的數學工具，如微積分、二元向量等;同時，該學科與實際工程十分接近，所以在公理、定理的推論中以工程中實際發生的現象作為引導，以數學方法以及定理作為工具，從而推導出該現象的原因并以數學的方式即定量的方式給出定義或者推論，從而揭示該現象的力學本質?？梢钥偨Y為：力學現象加以數學推論得到理論。而對學科的掌握與否，表現在學生是否能掌握且會運用所得推論，并最終給予考核。所以，掌握理論力學的重點在于以下四點。

（1）對力學現象有著深刻的觀察。以便于在觀察后可快速地進入定性、定量分析階段，并且形成更加深刻的印象，對以后類似的力學現象可以快速地進行相同的處理方法，即屬于歸納總結法。同時，在具有深刻觀察后有助于還原該力學現象，從而可以到達對該力學理論的實際運用，為今后解決實際問題打下基礎，更加加深學生對力學的理解。

（2）運用所學理論進行力學現象的恢復以及再創造?；謴驮谟诳梢约由顚αW現象的理解，在恢復的過程中其實就是對所學理論的運用，可以同時加強對力學現象的理解以及對定理的運用。而再創造過程則是對定理的運用以及提高創新能力的體現。以上可以理解為從生活中得出普遍規律，并將所學得的知識反哺于生活。

（3）學會運用數學工具的思想。數學作為基礎學科在力學研究以及其他學科中都有著不可或缺的作用，而在力學學習中學會運用數學工具是在專業學習以及以后的學習研究中重要的一步，在力學學習中意識到數學工具的重要性，有助于培養學生個人的學習能力以及理性思考能力，培養其辯證唯物主義的世界觀。

（4）建立模型的思想。力學問題的認知根本在于力學問題轉變為數學模型，最終將問題數據化，使得學生能夠更加深入理解問題根本所在。在解決實際工程問題的時候，常常進行條件性計算，而條件性計算常常是建立在合適的模型下進行的，而建立模型的過程十分重要，對問題是否正確有著直接的影響。所以擁有并且能夠正確建立模型的思想很重要。

（二）傳統理論力學教學方式的弊端

傳統的理論力學模式，以教師為主，以課本作為知識媒介，采用多媒體等方式對學生展開介紹。其中對力學現象更多是以視頻、圖片等展示，少數方便展示的以實物展示。而學生始終對力學現象僅存有視覺方面的感官，而并非通過自我操作發現力學現象中的細節，從而對其加深印象。

傳統教學的考核方式主要是以試卷考試為主，學生平時的表現與學習的情況以出勤率以及課堂、課外作業為主。其中存在的問題是無法單獨對每位學生做出真正客觀的評價，并且，試卷對力學現象的還原有限，難以讓學生真正理解問題。并且隨著每年的考核方式相同，使得考試內容中的力學現象出現相似甚至雷同等情況，使得考試變成了一套程式化、規律化的考核方式，不能真正讓學生靈活地使用方法去解決力學問題。

傳統教育更多強調的是歸納總結規律，而非靈活運用數學工具去解決力學問題。兩者的本質區別在于前者強調的是對規律以及規律背后的公式進行記憶，這樣會導致部分學生只進行死記硬背而不去理解該現象背后的真正理論知識，即陷入教條主義，不會靈活變化。而學會運用數學工具則是強調方法論，可以在解決問題時進行多種思路的綜合。

二、力學創新教學

（一）創新教學的模式構建

1. 課堂模式

課堂教學模式重點以介紹力學現象為主，加以數學公式的推導。其中重點在于對數學公式的推導，以數學語言（數學工具）去理解數學現象，即如何將力學問題轉變為數學模型的過程。例如理論力學中運動學中剛體運動部分有對科里奧利加速度（以下稱科氏加速度）的講解，會存在該加速比較抽象，學生難以理解而選擇去強行記憶的情況。這樣會使其理解不徹底，無法在相似的情況下使用該知識點。而這種加速度存在于生活中，如河流的流水現象等，所以在介紹該力學現象中，應該從力學現象的發生深入，從力學現象本身的數學屬性（如位移方程、速度方程、加速度方程）推導出該現象的數學解釋，即科氏加速度的數學定義。在推導過程中要注意其過程每一步的科學性以及可理解性，這樣有助于學生的理解。最后要達到的目的是學生能夠在不同的力學現象中發現并指出該知識點，即能夠進行建模和再建模的過程。借用數學公式將知識點進行推導的過程，可以有助于學生明白該公式的來源以及使用方法。由于環境的復雜性，數學公式不會是一成不變的，根據辯證唯物主義中運動的觀點，只有掌握知識的本質才能真正地理解并運用，而并非死記硬背。另外，對于數學公式的變形以及對不同力學現象的應用可以增強學生的創新能力。

2. 實踐模式

實踐模式總結流程圖如圖2所示。

其中具體環節介紹如下。

（1）提出問題：即教師提出一種力學現象，要求學生用已有的材料通過設計、計算做出可以合理達到要求的結構。（2）定性、定量分析：通過查找、測量獲得數據，通過分析判斷所設計的結構要求是否合理，通過對已知數據的分析以及運用課堂所學的數學工具、方法的處理，定性定量地設計出合理結構。（3）現象重現、模型構造：運用所給材料對自己所設計的力學現象重現親自動手制作。要求學生親自還原，自己動手，強調自創，全程參與。制作的時候采用小組團隊合作的方式，學生在小組內進行交流，增強學生在研究學習中的團隊合作能力。（4）結果分析：在現象復現后要及時對力學現象是否滿足要求，是否符合力學要求進行判斷。如果符合要求則需要對力學現象進行整體的分析與總結。這個環節十分重要，是能否在今后再對力學現象進行加深理解的重要環節。如果力學現象沒有成功復現，則需要再分析并進行結構上的改進。

（二）課題實例

1. 實例一 課題名稱《橡皮泥跑得慢》

課題要求：將一張模型板剪裁后設計并制作一個立體結構的作品，將一塊橡皮泥也設計并捏制成某種形狀。然后將橡皮泥從立體模型結構上由靜止開始釋放，測量它在結構上的運動耗時，要求橡皮泥的運動速度肉眼可觀察到。

提供材料及工具：一張60 mm*60 mm的模型板、一塊直徑10 mm高20 mm的橡皮泥、剪刀、直尺、美工刀、雙面膠。

課內學生4人自由組團，進行定量比賽，橡皮泥在立體結構上運動耗時最長的團隊獲勝。學生們設計了風格迥異的立體結構和橡皮泥外形作品，冠軍團隊的作品實現了橡皮泥小球在模型結構上運動最長耗時33 s，如圖3所示。

本課題運用的知識主要為理論力學。橡皮泥材料的外形可以隨意改變，且質地均勻，可以方便地得出質心，方便進行數學計算。模型材料方便進行剪裁，在設計中要考慮受力分析和運動學計算。其重點之處在于運用了力學問題中的兩種模型，即靜力學問題中剛體質心的求解問題以及動力學中剛體運動的模型，如在運動分析中需要對剛體進行坐標系的建立等模型過程。這兩種模型均在課堂上分別提出，而在實際過程中需要將二者相結合，即體現一種綜合能力以及模型再創造的過程，同時也有助于學生將建模意識應用于實際力學現象中。

2. 實例二 課題名稱《遙控車過紙橋》

課題要求：僅采用6張A4復印紙，不得使用任何粘結劑，設計并制作一個紙橋。然后由學生自己操作遙控小車，使其順利通過紙橋。

提供材料及工具：6張A4復印紙、剪刀、直尺、美工刀。

課內學生4人自由組團，進行定性比賽，遙控小車順利通過且紙橋不發生變形和倒塌的團隊獲勝。學生們設計了風格迥異的紙橋結構。冠軍團隊的作品如圖4所示。

本課題運用的知識主要為材料力學。紙橋的設計要考慮強度、剛度和穩定性計算。與課堂中理論不同之處在于，在實際建模制作的過程中，即在實際工程中，需要對多種因素進行探討研究以及討論。本課題有助于提升學生建立模型意識，合理的運用數學公式進行條件性分析，并且加深學生心里力學現象在實際工程中的重要性。

3. 課堂效果

隨機抓拍的課堂場景照如圖5所示。課堂上學生們熱情高漲，氛圍活躍，團隊合作意識濃厚，設計能力、自主學習能力、動手能力、表達溝通能力得到明顯提升，教學效果顯著。學生評價：“大學最有趣的課，華理最難搶的課?！苯處熢谡n堂上發掘了一批有創意、有潛力的好苗子，成為后續“雙創”實踐的儲備人才。

（三）教學策略

（1）多層次學習機制。學習過程中，在教師和學長的指導及引領下，學生不僅可以學到專業知識，也可以培養團隊合作、穩定心態、發散思維等能力。并且在這個過程中，不僅僅只應用了理論力學和材料力學等力學知識，還應用了數學及物理等方面的知識，將學生平時所學應用于一個作品中，達到多層次學習目的。

（2）激發興趣機制。在課堂教學中，教師與學生進行互動。在教師的指導下，學生通過團隊合作的形式，隊與隊進行課內比賽，按照比賽成績及教師對學生們的課堂表現及作品創新性進行打分，真正做到了“在玩中學，在學中玩”。令學生們可以發散自己的思維，不再是簡單地解決問題，而是去思考，應該怎么完善，怎么使自己的設計更合理，脫離了標準答案的限定，有了更廣袤的思維空間，從而讓大家因興趣而熱愛，達到教學目的。

（3）反饋機制。學生在制作過程中出現的實踐問題，及時向教師反饋，共同探索問題出現的原因并商討解決措施。對于在實踐過程中理論方面的困惑，及時與教師交流，做到有疑必問。實踐結束后，完成課程報告并反思回顧實踐過程中的不足，吸取經驗教訓，不斷完善自己，提高自己的科學文化素養。

三、結束語

力學創新型課程的開設，探索了全新的教學形式、教學內容以及考核辦法，課堂實現了“以學生為中心”，教師轉變為指導者和組織者，課程深受學生歡迎，激發了學生的學習興趣，促進了學生將力學理論靈活應用到實踐中，教學質量提升效果顯著。

隨著新的產業革命以及多種新經濟、新模式的來臨，產業升級以及落后產業淘汰勢在必行，要求具有較高的適應能力以及自我學習能力。為了培養出適合時代潮流發展、走向世界的人才，教育創新勢在必行。而對于理論力學和材料力學這類基礎學科，需要更加系統詳細地進行教學，其目的在于能夠使得學生在未來的學習研究中能更加得心應手，成為社會需要的創新型人才。

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基金項目：2021年度上海高校市級重點課程項目“《理論力學創新實踐課》”（滬教委高[2021]34號）

作者簡介：馬新玲（1975-），女，漢族，上海人，博士，副教授，研究方向為力學與機械。