力學(xué)物理思維方法的培養(yǎng)策略研究

■ 宿遷學(xué)院 張 凱 李 琳 高 立

物理學(xué)是一門關(guān)于物質(zhì)最普遍的運(yùn)動(dòng)法則和物質(zhì)的基本構(gòu)造的科學(xué)，因此可以將物理作為建筑的一部分來研究，只有地基打牢，房屋才能穩(wěn)固、可靠，所以基礎(chǔ)知識(shí)是建造一座“大廈”所必需的。不同的試驗(yàn)和研究策略與構(gòu)造法相似，只要運(yùn)用得當(dāng)，就可以事半功倍。物理思維如同整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)思想與創(chuàng)造之源，因此在建設(shè)過程中，要不斷地掌握思想的脈絡(luò)。大部分物理專業(yè)的學(xué)生都有較好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)方法有一定了解，并能正確運(yùn)用。然而，有一小部分學(xué)生會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間去整理、歸納所學(xué)知識(shí)，沒有形成物理思維，從而造成困惑，他們難以把握要點(diǎn)，無(wú)法靈活地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。比如，當(dāng)學(xué)生步入大學(xué)后，所要學(xué)習(xí)的知識(shí)難度加大，從一維到三維，從特殊到普遍，再到微積分的轉(zhuǎn)換，這就要求學(xué)生要有較強(qiáng)的歸納和整理能力，既要熟悉數(shù)學(xué)的基本方法和基本規(guī)律，又能將抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)換成具體的圖形，這樣才能培養(yǎng)物理思考能力。

力學(xué)是物理學(xué)中最重要的理論基礎(chǔ)之一，也是物理學(xué)研究的起點(diǎn)和基石。力學(xué)的思維方式在物理學(xué)習(xí)過程中會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此，對(duì)大學(xué)生而言，學(xué)好力學(xué)是十分必要的。高校力學(xué)課程的研究不僅能促進(jìn)學(xué)生思維方式的革新，同時(shí)也是大學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

針對(duì)物理思想或物理思維貫穿于大學(xué)力學(xué)的整個(gè)過程，陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師賈君茹在《如何實(shí)現(xiàn)學(xué)生從中學(xué)物理學(xué)習(xí)到大學(xué)物理學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變》中提出，建立一種從宏觀到微觀、從近似到精確貫徹于物理始終的辯證唯物主義物理觀。渝西學(xué)院教師趙紅在《力學(xué)教學(xué)中物理思維的培養(yǎng)》中指出，物理思維的培養(yǎng)目標(biāo)，不僅要把知識(shí)傳授給學(xué)生，還要讓他們?cè)谶@一環(huán)節(jié)中，掌握分析、解決和發(fā)現(xiàn)問題的思考方式，從而使他們能更好地進(jìn)行后續(xù)的學(xué)習(xí)。蘭州城市學(xué)院教授岳桂杰在《思維方法在力學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用與作用》中指出，力學(xué)是一門難度較大的學(xué)科，學(xué)生能否掌握教學(xué)內(nèi)容，教師在講授中的思維方式起著至關(guān)重要的作用。牡丹江師范學(xué)院副教授張梅恒在《加強(qiáng)高師物理系學(xué)生科學(xué)思維方法教育》一文中指出，運(yùn)用科學(xué)的思考方式來解決問題，是素質(zhì)教育的精髓。中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院教師李轉(zhuǎn)等人在《大學(xué)物理和中學(xué)物理的銜接及對(duì)策》指出，目前高校物理教學(xué)的重點(diǎn)是“知識(shí)”，而非“方法”。他們提出，在每個(gè)章節(jié)和每個(gè)階段，教師都要?dú)w納出一些特別的物理思考方式，雖然它們有其特殊性，但在中學(xué)物理的思考方式中，某些思考方式依然是最基本的。

2 高校力學(xué)教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)方式落后

當(dāng)前，力學(xué)專業(yè)的教學(xué)以課堂講解為主，大多數(shù)都是“滿堂灌”，教師也是“黑板+粉筆”的板書教學(xué)，這就造成課堂教學(xué)內(nèi)容缺乏新意、一成不變。師生之間的互動(dòng)較少，學(xué)生的主體性被忽視，導(dǎo)致課堂氣氛變得索然無(wú)味。同時(shí)，由于力學(xué)內(nèi)容較難掌握，教師一般都會(huì)安排很多作業(yè)，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)量加大，難以提高學(xué)習(xí)效率。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能充分發(fā)揮物理學(xué)習(xí)的積極性，容易產(chǎn)生厭倦心理，學(xué)習(xí)質(zhì)量下降。

2.2 教學(xué)學(xué)時(shí)的減少與教學(xué)內(nèi)容的增多相矛盾

近幾年，隨著高校課程改革，力學(xué)課程的課時(shí)從100多學(xué)時(shí)下降到80學(xué)時(shí)，個(gè)別專業(yè)的學(xué)時(shí)更是縮減到40多學(xué)時(shí)。而力學(xué)內(nèi)容較多，理論力學(xué)分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，材料力學(xué)有四大基本變形、強(qiáng)度理論、組合變形和壓桿穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，學(xué)生也需要時(shí)刻牢記所學(xué)知識(shí)。但有部分學(xué)生會(huì)因各種原因錯(cuò)過一節(jié)或兩節(jié)課，導(dǎo)致他們的知識(shí)學(xué)習(xí)不能有效銜接，使得他們難以掌握相關(guān)知識(shí)。

2.3 個(gè)別學(xué)生基礎(chǔ)差，有抵觸心理

部分學(xué)生的物理基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，并且認(rèn)為力學(xué)難度較大，給他們產(chǎn)生了很大的壓力，甚至?xí)?duì)力學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生排斥情緒。

2.4 考核方法單一

當(dāng)前的課程測(cè)試僅限于教材中的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且采用單一的閉卷考試模式，許多題目與教科書中的范例有異曲同工之處，導(dǎo)致學(xué)生在解決這些問題時(shí)，只采用了簡(jiǎn)單的公式，很少有學(xué)生能把題目和工程問題聯(lián)系起來，這樣的考試方法背離了大學(xué)教育對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，也難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)大學(xué)生的需求。

3 改善物理力學(xué)思維的方式

3.1 激發(fā)力學(xué)學(xué)習(xí)興趣

“興趣是最好的老師”，作為教師，更應(yīng)該深刻體會(huì)其中的內(nèi)涵和意義。為了讓學(xué)生能較好地掌握力學(xué)這一課程，并符合教學(xué)單位的教學(xué)要求，教師可以材料力學(xué)為例，說明材料力學(xué)在不同的教學(xué)情境中的應(yīng)用情況。

3.2 課堂講授技巧的選擇

現(xiàn)階段，高等院校力學(xué)的教學(xué)方式主要采用“黑板+粉筆”的板書教學(xué)模式及大教室授課模式，更有部分學(xué)校將多個(gè)班級(jí)安排在一起上課，學(xué)生人數(shù)較多，容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率下降。教師可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：首先，教師在教學(xué)中應(yīng)緊緊圍繞材料力學(xué)課程需要解決的問題，即強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性；其次，教師可采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，讓學(xué)生投身于實(shí)踐，將課上所學(xué)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐；再次，針對(duì)材料力學(xué)研究對(duì)象——構(gòu)件（構(gòu)件變形的種類有拉、壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)）進(jìn)行授課教學(xué)；最后，從外力、內(nèi)力、應(yīng)力變形到強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核等層面進(jìn)行講解，進(jìn)而達(dá)到深入淺出的授課目標(biāo)。

3.3 有效教學(xué)方式協(xié)同使用

在《材料力學(xué)》課程標(biāo)準(zhǔn)中，提出要采用多種教學(xué)媒介，以提高材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)媒介包括課堂上的粉筆、教師的肢體語(yǔ)言、教師課堂上的模型道具、計(jì)算機(jī)等。運(yùn)用多媒體進(jìn)行教學(xué)，可以使學(xué)生對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度、變形等問題有基本的認(rèn)識(shí)，既能拓寬學(xué)生的眼界，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。靈活的教學(xué)方式不僅能改變以往單調(diào)的課堂教學(xué)方式，還能增加許多實(shí)用的模型以及分析問題的過程，有助于提高教學(xué)的有效性。

3.4 課外拓展及知識(shí)強(qiáng)化

通過試驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等重要概念有更深刻的認(rèn)識(shí)。這既要求學(xué)生具備基本的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)，又要求他們具備一定的實(shí)踐能力，從而為之后的機(jī)械設(shè)計(jì)、巖土工程等課程的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，高校已將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)列為工程專業(yè)的必修課程，在材料力學(xué)教科書中，每個(gè)基礎(chǔ)的變形都包含了一兩個(gè)試驗(yàn)。在材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，還包括了電測(cè)法、應(yīng)力狀態(tài)和組合變形等。教師采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，可以使學(xué)生對(duì)材料力學(xué)這一工程專業(yè)的高實(shí)用特性有更全面的認(rèn)識(shí)。在教室里完成簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，不僅能使學(xué)生了解一些基本的理論知識(shí)，還能加強(qiáng)其思維發(fā)散，使學(xué)生能運(yùn)用科學(xué)的方法解決實(shí)際問題。通過本課程的教學(xué)，學(xué)生能了解到本學(xué)科的重要性及必要性，通過材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)破壞試驗(yàn)—構(gòu)建受力模型—從試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行大膽假設(shè)—建立物理數(shù)學(xué)模型—最終求解答案這一科學(xué)的分析過程，可以為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.5 針對(duì)性試題及考研真題的補(bǔ)充

通過教師的全面教學(xué)和學(xué)生的全面學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)假設(shè)、理論推導(dǎo)、模型簡(jiǎn)化、材料破壞的過程有了清晰的認(rèn)識(shí)和了解，并能將材料的各個(gè)部分推導(dǎo)出來，學(xué)生不再是死記硬背，而是熟練地將公式運(yùn)用于實(shí)際。為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，教師可在課堂上針對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，找出有代表性的試題，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行鞏固，并大量積累題目，形成一本習(xí)題集。由于在研究生招生考試中所涉及的材料力學(xué)問題是比較難的，不同學(xué)校對(duì)材料力學(xué)的考查重難點(diǎn)也各不相同，因此教材中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師都可設(shè)置兩個(gè)相應(yīng)的題目，以便學(xué)生能更好地掌握材料力學(xué)。

綜上所述，本文針對(duì)力學(xué)物理思維方法的培養(yǎng)策略進(jìn)行研究，提出了高校力學(xué)教學(xué)中存在的思維問題以及改善物理力學(xué)思維的方式（如圖1），以培養(yǎng)學(xué)生的物理思考能力，促進(jìn)學(xué)生思維方式的革新。

圖1