張曉艷，唐 亮

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院力學(xué)系，重慶 400074）

理論力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的幾點(diǎn)探討

張曉艷，唐 亮

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院力學(xué)系，重慶 400074）

通過理論力學(xué)教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)性地做出了一些有益的教學(xué)改革探索，把多媒體手段運(yùn)用到理論力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)中聯(lián)系實(shí)際的重要性，以及教學(xué)中對(duì)現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用，以期取得良好的教學(xué)效果。

理論力學(xué)；教學(xué)改革；多媒體；教學(xué)現(xiàn)代化

我國(guó)高校改革逐步與國(guó)際化接軌，辦學(xué)理念和方法有了較大的轉(zhuǎn)變。從精英式教育過渡到大眾式教育，教學(xué)目標(biāo)日漸綜合化，要求培養(yǎng)重基礎(chǔ)寬專業(yè)，面向市場(chǎng)需求的人才。在這種形勢(shì)下，選修課增多了，為了提高學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)生還需獲得英語(yǔ)、計(jì)算機(jī)等級(jí)證書及一些其他的專業(yè)類上崗證書，理論力學(xué)課程不但課時(shí)由96學(xué)時(shí)減少到了72學(xué)時(shí)甚至更少，且學(xué)生課后自主用于該課程的學(xué)習(xí)時(shí)間更是大幅減少。針對(duì)《理論力學(xué)》的教學(xué)面臨著的巨大的挑戰(zhàn)，我們對(duì)其課程教學(xué)改革進(jìn)行了一些有益的嘗試。

一、理論力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀

《理論力學(xué)》課程教學(xué)學(xué)時(shí)被壓縮，授課時(shí)間大幅縮短，不僅造成每一節(jié)課的講授信息量增大的同時(shí)對(duì)課程內(nèi)容講解詳細(xì)程度有所壓縮，甚至部分內(nèi)容取消留以學(xué)生課后自學(xué)。這種情況的出現(xiàn)，對(duì)教師“教”的能力和學(xué)生“學(xué)”的能力都提出了更高的要求。為了有效地完成教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，多媒體教學(xué)的方式無(wú)論是形象直觀性還是大信息量的輸出上相比于板書教學(xué)有較大的優(yōu)勢(shì)。但是利用多媒體課件在進(jìn)行公式定理推導(dǎo)、證明以及解題示范過程時(shí)，常常使學(xué)生感到生硬枯燥，無(wú)法跟上教學(xué)節(jié)奏，教學(xué)效果大打折扣。現(xiàn)在智能手機(jī)大量普及，學(xué)生在聽課感到枯燥時(shí)不自覺地就會(huì)查看手機(jī)信息以及用手機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間上網(wǎng)。我們?cè)靡还?jié)小班教學(xué)的理論力學(xué)課程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，上課開始的10分鐘內(nèi)，100%的學(xué)生能夠?qū)⒆⒁饬性谡n堂上，上課至25分鐘時(shí)，陸續(xù)就有同學(xué)開始一直看著桌下的手機(jī)，35名同學(xué)中已有8名后排的同學(xué)注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了手機(jī)上。距45分鐘下課時(shí)間還有5分鐘時(shí)，全班約有三成的同學(xué)已跟不上上課的節(jié)奏。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍感覺聽課易懂，教師上課時(shí)無(wú)論是推導(dǎo)還是解題學(xué)生們都能明白思路和過程，但是一旦學(xué)生需要自己動(dòng)手解答問題，就普遍反映習(xí)題難做?！独碚摿W(xué)》靜力學(xué)部分的不少概念在中學(xué)和大學(xué)物理中就已經(jīng)學(xué)過，聽起課來不難接受，但等到自己獨(dú)立做題時(shí)就感覺相當(dāng)費(fèi)時(shí)，有時(shí)無(wú)法下手，其原因就是這些學(xué)生從表面上去理解，缺乏自主的分析，并沒有真正掌握和領(lǐng)會(huì)解題方法和技巧。

二、理論力學(xué)教學(xué)方法的改革

1.多媒體手段。適當(dāng)利用現(xiàn)代的多媒體展現(xiàn)上課內(nèi)容是目前教學(xué)改革的一個(gè)重要方面。多媒體是文字、聲音和動(dòng)畫等多種承載媒體的表現(xiàn)形式，能夠生動(dòng)地展示豐富的多媒體信息。它有效地加大了課堂信息量，為教師的運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)和展示學(xué)科前沿內(nèi)容創(chuàng)造了條件。例如對(duì)于一些復(fù)雜構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，學(xué)生們反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)中的各個(gè)組成部分如何傳遞運(yùn)動(dòng)較難想象。在給同學(xué)們通過多媒體進(jìn)行演示之后，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程、動(dòng)點(diǎn)的絕對(duì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)地顯示出來，抽象的問題直觀化，同學(xué)們對(duì)于構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)基本了解之后再運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)中，加深了學(xué)生的分析和理解。然而并不是所有問題都適合采用多媒體手段，對(duì)于基本方程的推導(dǎo)、經(jīng)典例題的講解，利用黑板書寫教學(xué)方法有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過黑板推導(dǎo)方程或者講解例題的時(shí)候，對(duì)學(xué)生來說也是個(gè)思考的過程，可以在老師書寫的時(shí)候獨(dú)立自主思考并跟上解題的思路。運(yùn)用多媒體講解例題少了黑板書寫的過程，很多例題一晃而過學(xué)生不能很好地理解以及思考。從美國(guó)等國(guó)家大學(xué)公開課程中看到，他們有極其現(xiàn)代化的教學(xué)手段，除了文字、聲音、動(dòng)畫等多媒體，也有計(jì)算機(jī)的模擬仿真等，但是教學(xué)上傳統(tǒng)的粉筆書寫黑板、模型教具仍在大量使用，他們不是相互排斥，而是相輔相成。傳統(tǒng)的和現(xiàn)代化的教學(xué)手段的有機(jī)融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，使教學(xué)的效果得到最大化。所以課時(shí)量的壓縮以及現(xiàn)代教學(xué)的需要，多媒體教學(xué)方式是一種必然的趨勢(shì)。每個(gè)教師根據(jù)自己的講課風(fēng)格，利用豐富的力學(xué)多媒體素材庫(kù)，自主開發(fā)有自己教學(xué)特點(diǎn)的電子教案，它形象直觀，信息量大，優(yōu)化了理論力學(xué)課程教學(xué)過程。教師在課堂教學(xué)中應(yīng)用多媒體教學(xué)輔助系統(tǒng)，生動(dòng)演示與理論力學(xué)有關(guān)的工程問題的背景，包括現(xiàn)場(chǎng)照片、設(shè)計(jì)圖紙、錄像視頻及相關(guān)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，圖形、圖像動(dòng)靜結(jié)合的表現(xiàn)了理論力學(xué)的概念、原理和方法。對(duì)于難懂的理論推導(dǎo)和計(jì)算，板書就能做到層次清楚，邏輯嚴(yán)密，推導(dǎo)過程節(jié)奏適中，在充分利用課堂時(shí)間的同時(shí)又能給學(xué)生留有思考的時(shí)間和空隙，使其能夠掌握和理解晦澀難懂的理論基礎(chǔ)。

2.注重理論聯(lián)系實(shí)際。在教學(xué)中講授一些基本定理的論述，并不是開門見山地將其描述出來，而是先列出一些生產(chǎn)生活中的實(shí)例，比如在講授動(dòng)量和動(dòng)量守恒定理時(shí)，先以光滑面上偏心轉(zhuǎn)子、跳水運(yùn)動(dòng)員空中轉(zhuǎn)體以及貓落下時(shí)的翻身等動(dòng)畫，讓同學(xué)們自己思考分析，給出力學(xué)解釋。對(duì)于例題習(xí)題，除保留一些經(jīng)典的例題外，還應(yīng)不斷地根據(jù)時(shí)代發(fā)展的特點(diǎn)和科技的進(jìn)步，更新題型以賦予經(jīng)典的理論力學(xué)以時(shí)代的色彩，顯示與當(dāng)代工程實(shí)際相結(jié)合的魅力。在例題和習(xí)題的選擇上還要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，因?yàn)椴煌膶I(yè)都有不同的側(cè)重面，還應(yīng)注意相關(guān)領(lǐng)域的問題，從而有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時(shí)給學(xué)生留出充分的想象和探索空間，利用學(xué)生的求知欲來引導(dǎo)他們積極思考。眾多的國(guó)外特別是美國(guó)理論力學(xué)教材非常的多，但很大的一個(gè)特點(diǎn)是著書人沒有刻意雕琢自己的著作，自由地將寫作重點(diǎn)放在作者對(duì)理論力學(xué)的理解和體會(huì)上，特別是還將學(xué)習(xí)心得等方面寫出來與大家分享，讀起來非常有特點(diǎn)。例如Marion的《Classical Dynamics of Particles&Systems》，這本書不僅有作者自己的眾多注解和體會(huì)，還有特別多的理論聯(lián)系實(shí)際的具體例子，這些例子也是吸引學(xué)生和其他讀者的法寶，在不斷提高閱讀興趣的同時(shí)加深了對(duì)力學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

3.教學(xué)中的現(xiàn)代化。1979年錢學(xué)森先生就指出“必須明確地把電子計(jì)算機(jī)和力學(xué)工作結(jié)合起來，不然就不是現(xiàn)代力學(xué)”。我們嘗試了將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入理論力學(xué)教學(xué)，進(jìn)行教學(xué)方法上的創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究理論力學(xué)問題的能力。如在講授雙擺運(yùn)動(dòng)中，傳統(tǒng)的分析方法都是瞬態(tài)分析，而無(wú)法直觀地得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。在教學(xué)中，我們采用了MATLAB軟件對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了計(jì)算，分析了其運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，形象化了運(yùn)動(dòng)過程，提高了同學(xué)們對(duì)這個(gè)力學(xué)問題的感性認(rèn)識(shí)。問題是這樣闡述的：兩個(gè)擺長(zhǎng)為l，擺錘質(zhì)量為m的單擺，用光滑鉸鏈連接成雙擺，兩個(gè)擺只能在一個(gè)豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，研究其運(yùn)動(dòng)過程。

圖1 雙擺運(yùn)動(dòng)示意圖

擺錘偏離平衡位置的擺角θ1和θ2為坐標(biāo)可得到系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)為：

通過計(jì)算可以得到如下簡(jiǎn)化方程：

可以得到利用MATLAB軟件寫出的功能函數(shù)為：

只要學(xué)生寫出功能函數(shù)subfun（t，y，l），就可以直觀地查看到擺角、角速度曲線形態(tài)，分析雙擺的運(yùn)動(dòng)了。

三、結(jié)論

理論力學(xué)作為理工科學(xué)生的首門專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)使學(xué)生受到理論思維和研究方法的初步訓(xùn)練，充分發(fā)揮理論力學(xué)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)養(yǎng)成的作用。進(jìn)行理論力學(xué)課程的教學(xué)改革，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中涉及教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、選擇與設(shè)計(jì)教學(xué)多媒體等多方面的因素，限于本文的重點(diǎn)，僅從幾點(diǎn)進(jìn)行了探討，還有大量的具體工作等待我們?nèi)プ?，不能一蹴而就，需要在?shí)踐中不斷探索和總結(jié)提高。

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G642.0

A

1674-9324（2014）43-0143-03

重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究基金項(xiàng)目（SYJ-201101）

張曉艷（1982-），女，力學(xué)博士，講師，主要從事理論力學(xué)和材料力學(xué)的教學(xué)工作，研究方向?yàn)闆_擊波仿真技術(shù)。