趙德敏 鈕瑞艷 劉建林

摘要：本文介紹了一種理論力學(xué)的新型教學(xué)方法，主要包括：增加課堂演示實驗、深化計算軟件的應(yīng)用和增加設(shè)計報告性大作業(yè)等。通過這些舉措，可提高學(xué)生運用所學(xué)知識解決工程實際問題的能力（工程能力），激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)；演示實驗；計算軟件；工程能力；創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）36-0099-02 一、引言

理論力學(xué)，在石油工程、地質(zhì)勘探、機械工程、汽車工程、航海、航空、航天、水利和土木建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是上述專業(yè)本科二年級學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。目前的理論力學(xué)教材包含了靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)等內(nèi)容，涉及龐大的知識量。近年來，各個學(xué)科蓬勃發(fā)展，專業(yè)分工越來越細(xì)，學(xué)科內(nèi)容知識體系愈加寬廣，然而作為重要專業(yè)基礎(chǔ)課的理論力學(xué)，其教學(xué)篇幅和學(xué)時卻大幅縮減。

理論力學(xué)的一大特點是：數(shù)學(xué)公式較多，邏輯性較強，概念較抽象。因而，學(xué)生積極性不高，考試不及格率較高；學(xué)生也很難培養(yǎng)解決實際問題的能力[1-4]。其原因大致如下。

1.教師忽略了理論力學(xué)與現(xiàn)實中的工程問題相結(jié)合。理論力學(xué)教材中的力學(xué)模型都來源于工程實際中的典型設(shè)備的提煉，但對于大二且?guī)缀鯖]有工程實踐經(jīng)驗的學(xué)生而言，很難將工程實際問題和這些抽象的力學(xué)模型聯(lián)系起來[2，5]。如果教師不闡釋這些模型的來龍去脈以及如何從工程實物建立力學(xué)模型的思路，就很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.缺乏實驗尤其是學(xué)生能積極參與的小型的課堂演示性試驗。實驗是建立抽象概念和真實物理世界的橋梁。演示性實驗?zāi)軐⒊橄蟮奈锢砀拍詈土W(xué)定律可視化。缺乏實驗學(xué)生只面對公式和講解，理解知識不夠深刻。

3.缺乏利用計算軟件解決力學(xué)問題的訓(xùn)練。軟件是解決復(fù)雜工程問題的主要工具，但教材中很少涉及如何用軟件解決力學(xué)問題的內(nèi)容。學(xué)生如果一直依賴手工計算解決簡單的力學(xué)問題，在面對復(fù)雜的工程問題時往往會束手無策。

4.教師作業(yè)的布置不能充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。目前學(xué)生的作業(yè)以課本習(xí)題為主，這些習(xí)題往往是提前設(shè)計好的，學(xué)生過于被動性。而且這些課后習(xí)題的模型往往較簡單，離工程實際問題尚有一定距離[6]。

因此，探索理論力學(xué)的新型教學(xué)方式勢在必行。本文探討在保證教學(xué)大綱要求的前提下，在有限的學(xué)時內(nèi)為學(xué)生提供更多的力學(xué)知識的應(yīng)用背景。通過課堂演示實驗、增加軟件在力學(xué)中的應(yīng)用和布置自主設(shè)計大作業(yè)等教學(xué)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)式教學(xué)和主動探究式教學(xué)巧妙結(jié)合，既節(jié)省學(xué)時，又能培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。

二、教學(xué)新舉措

（一）增強課堂演示性實驗

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力和科研能力的重要手段。實驗?zāi)苡?xùn)練學(xué)生的觀察能力、動手操作能力和分析能力[1，7]；實驗?zāi)軓娀行哉J(rèn)識，使學(xué)生對力學(xué)知識的理解更深刻；更重要的是實驗為學(xué)生提供了良好的參與和思考的平臺。

目前的理論力學(xué)教學(xué)中沒有安排實驗，很難發(fā)揮實驗教學(xué)的以上優(yōu)勢，應(yīng)增強實驗室實驗教學(xué)，尤其是增加簡單且易于操作的課堂演示實驗。經(jīng)驗證明，每節(jié)課50分鐘的課堂教學(xué)，最后10分鐘只有20%的學(xué)生在聽。而利用每次課的最后10～15分鐘做實驗，邀請部分學(xué)生參與，這樣既保證完成了教學(xué)工作量，又發(fā)揮了主動探究式教學(xué)的優(yōu)點。例如：匯交力系的平衡、千斤頂?shù)哪Σ磷枣i原理、測量重心、驗證動量矩定理等。

圖1為平面匯交力系的演示實驗裝置示意圖。通過該實驗，學(xué)生不但學(xué)習(xí)了匯交力系的平衡原理，還能驗證繩索約束的約束反力和靜力學(xué)公理的剛化原理。圖2為關(guān)于摩擦系數(shù)的測量實驗裝置。盡管在書本上測量摩擦的理論和公式很簡單，但是摩擦自鎖原理較為抽象，學(xué)生理解起來較為困難。如果在課堂上演示測量摩擦系數(shù)以及摩擦自鎖原理的實驗，使他們對摩擦系數(shù)和摩擦自鎖的理解更為透徹，在生活和生產(chǎn)中熟練地應(yīng)用摩擦和摩擦自鎖的原理解決實際問題。

（二）充分發(fā)揮多媒體教學(xué)闡述力學(xué)模型的優(yōu)勢

多媒體教學(xué)通過大量圖片、多媒體動畫、仿真程序和視頻資料，可以將許多力學(xué)的工程應(yīng)用背景形象地呈現(xiàn)給學(xué)生，開闊視野[5]。運動學(xué)常見的例子之一為曲柄連桿機構(gòu)。教材上的曲柄連桿機構(gòu)力學(xué)模型雖簡單，卻是多種工程機械如發(fā)動機、空氣壓縮機、往復(fù)式水泵、蒸汽機和內(nèi)燃機等的簡化力學(xué)模型。如果由多媒體圖片和動畫演示此力學(xué)模型的應(yīng)用背景和工作原理，學(xué)生可輕易建立起真實的物理世界和抽象力學(xué)世界的聯(lián)系，輕松掌握上述機械的工作原理。

（三）增強力學(xué)應(yīng)用軟件在理論力學(xué)教學(xué)中的作用

力學(xué)和工程科學(xué)計算結(jié)合，為解決復(fù)雜的工程問題提供了有力工具。如MATLAB和MAPLE都是功能強大的計算軟件，命令簡單易學(xué)，可相互兼容。傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)只注重理論和基本概念，主要采用手工計算，注重解題技巧，忽略科學(xué)計算能力的培養(yǎng)。應(yīng)修正教材內(nèi)容，在理論力學(xué)教材每一章的內(nèi)容中增加應(yīng)用計算軟件解決工程實際問題的典型實例，使教學(xué)中的抽象問題可視化。

如圖3（a）所示的曲柄搖桿機構(gòu)是刨床“急回”機構(gòu)（進刀慢、退刀快）的重要組成部分，此特性較為抽象。如果由MAPLE軟件對此機構(gòu)的運動學(xué)模擬仿真，其動畫仿真結(jié)果的截圖如圖3（b-f）所示，通過動態(tài)仿真可以使學(xué)生觀察到曲柄搖桿機構(gòu)的運動過程，更容易觀察到此類機構(gòu)運動的“急回”特性，深化學(xué)生的認(rèn)識。如果不進行運動仿真，即使優(yōu)秀的學(xué)生也很難想象其“急回”特性。

（四）增加設(shè)計報告性的大作業(yè)

工程教育者的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決實際問題的能力[3]。增加自主設(shè)計性大作業(yè)，教師要精心設(shè)計選擇較寬泛的題目，但是，要給學(xué)生充分自主發(fā)揮所學(xué)知識的空間，讓學(xué)生自主設(shè)計作品。可以讓2～3個學(xué)生自由組合成一組，這樣既激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，又培養(yǎng)了他們的團隊協(xié)作能力。例如，動力學(xué)設(shè)計報告題目可以如此設(shè)計：設(shè)計吸粉筆灰板擦、宿舍用手動升降機、小型機械手、小型脫水機等，但作品中必須包括平面運動部件或體現(xiàn)點牽連運動的部件等。

三、結(jié)語

總之，理論力學(xué)課程既具有理論性和邏輯性強的特點，也具有與工程實際問題和日常生活聯(lián)系緊密的“技術(shù)科學(xué)”的特色，因而在講課過程中需要加強對學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)。本文探討了靈活多變的新型教學(xué)模式，包括增加課堂演示實驗，增加計算軟件在解決力學(xué)問題的應(yīng)用以及增加設(shè)計報告大作業(yè)等一系列教學(xué)改革措施。此方法豐富了此課程的工程應(yīng)用背景，增強了學(xué)生的主動性，提高了學(xué)生解決工程實際問題的能力。這樣，工程力學(xué)課程的理論性、實踐性和應(yīng)用性在有限時間內(nèi)實現(xiàn)了有機結(jié)合，就能取得良好的教學(xué)效果。

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