理論力學(xué)教學(xué)改革與學(xué)生能力的培養(yǎng)

李天樂(lè)

[摘要] 本文分析了理論力學(xué)課程的特點(diǎn)，對(duì)課程的內(nèi)容系統(tǒng)以及教學(xué)方法進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞] 理論力學(xué)內(nèi)容體系教學(xué)改革能力提升

1.《理論力學(xué)》課程的特點(diǎn)

《理論力學(xué)》[1,2]是物理類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是物理學(xué)專業(yè)為《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)》、《量子力學(xué)》等后續(xù)課程提供必須的力學(xué)知識(shí)和相關(guān)的基本概念，同時(shí)也擔(dān)負(fù)這培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、分析實(shí)際問(wèn)題，解決實(shí)際問(wèn)題能力的任務(wù)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握經(jīng)典力學(xué)的理論要點(diǎn)和精華，即它的完整理論體系和現(xiàn)代的處理方法；在理論、方法、符號(hào)系統(tǒng)等方面為學(xué)生實(shí)現(xiàn)從普通物理到高等物理，從經(jīng)典力學(xué)到近代物理的過(guò)渡做準(zhǔn)備；使學(xué)生掌握必要的數(shù)學(xué)方法和技巧，受到嚴(yán)格而充分的運(yùn)動(dòng)高等數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的訓(xùn)練。該課程的學(xué)習(xí)效果直接關(guān)系到學(xué)生后續(xù)課程，特別是近代物理相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，更重要的是有助于學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)和提升。但是由于理論力學(xué)涉及的內(nèi)容多，范圍廣以及對(duì)數(shù)學(xué)工具的熟練應(yīng)用，許多學(xué)生對(duì)理論力學(xué)的學(xué)習(xí)有畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性不高，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，不能主動(dòng)接受新概念、新方法和新思路，特備是分析力學(xué)部分，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，理解能力較差以及抽象思維能力弱，在學(xué)習(xí)過(guò)程中常常處于被動(dòng)。為提高學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，教學(xué)改革，特別是教學(xué)內(nèi)容的改革勢(shì)在必行。

2.理論力學(xué)內(nèi)容體系的改革

理論力學(xué)的理論體系嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，課程的內(nèi)容既經(jīng)典又完整，不易全面更新。但隨著教學(xué)改革的進(jìn)行和教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變，上課學(xué)時(shí)的不斷減少，學(xué)生用于該課程的學(xué)習(xí)時(shí)間也大為減少，簡(jiǎn)單的消減教學(xué)內(nèi)容，只會(huì)使該課程的學(xué)習(xí)陷于困頓，而且，在學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)《力學(xué)》，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，《力學(xué)》也屬于經(jīng)典力學(xué)的一部分，內(nèi)容上的重復(fù)造成學(xué)生開(kāi)始學(xué)習(xí)《理論力學(xué)》時(shí)，認(rèn)為只是《力學(xué)》的補(bǔ)充和深入，因而在上課過(guò)程中，注意力不集中，學(xué)習(xí)的積極性不高；在學(xué)習(xí)方法和處理問(wèn)題的思路上，不能主動(dòng)接受和應(yīng)用分析力學(xué)中的新概念和新方法，而繼續(xù)使用牛頓力學(xué)知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題?？紤]到這種情況，只有采取積極的辦法，從課程自身的特點(diǎn)出發(fā)，挖掘課程本身的潛力，做到基礎(chǔ)理論要精練、深化，加強(qiáng)分析力學(xué)課程的內(nèi)容，進(jìn)一步深化理論力學(xué)課程建設(shè)與改革。在理論力學(xué)的教學(xué)中，凡是與普通物理學(xué)中重復(fù)的地方，公式可以用高等數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單推導(dǎo)，說(shuō)明其物理意義，省出的時(shí)間用于難點(diǎn)和重點(diǎn)的學(xué)習(xí)；如：從矢量的矩陣變換，運(yùn)算及微商講起，過(guò)渡到質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)系力學(xué)到拉格朗日力學(xué)、中心力、微振動(dòng)、剛體力學(xué)以及哈密頓力學(xué)；其中，質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)系力學(xué)可以用較少學(xué)時(shí)，復(fù)習(xí)下知識(shí)點(diǎn)即可，重點(diǎn)闡述拉格朗日力學(xué)之基礎(chǔ)，如約束、虛功原理、達(dá)朗貝爾原理以及拉格朗日方程及其在求解具體問(wèn)題中的應(yīng)用。在講解理論的過(guò)程中，輔之以學(xué)生能夠接受的工程中[3]的以及生活中的實(shí)例及例題，提升學(xué)生的抽象思維能力，加強(qiáng)分析力學(xué)的內(nèi)容，重視兩個(gè)自由度系統(tǒng)的力學(xué)問(wèn)題分析，重視系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的建立，以便和后續(xù)課程更好接軌，質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、和質(zhì)點(diǎn)系力學(xué)只強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論的深化，突出一類的問(wèn)題的解決，而不是停留在某個(gè)具體問(wèn)題的解決上。在接下來(lái)的中心力以及微振動(dòng)力學(xué)中，嘗試采用經(jīng)典力學(xué)和拉格朗日的分析力學(xué)共同進(jìn)行討論，對(duì)比經(jīng)典力學(xué)與分析力學(xué)，讓學(xué)生有個(gè)直觀的體會(huì)，慢慢的過(guò)渡到分析力學(xué)作為解決問(wèn)題的主要方法上來(lái)。這種內(nèi)容體系優(yōu)點(diǎn)有：其描述簡(jiǎn)潔、精練，既縮短了篇幅又加深了內(nèi)容，它可以使學(xué)生逐漸放棄用普通力學(xué)的知識(shí)，來(lái)理解理論力學(xué)的內(nèi)容。在對(duì)比中學(xué)習(xí)理論力學(xué)的新概念和新知識(shí)，努力掌握解決問(wèn)題的新方法和新思路。

3.教學(xué)方法的適當(dāng)改革

3.1開(kāi)展互動(dòng)式，啟發(fā)式教學(xué)

互動(dòng)式教學(xué)[4]，是在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)學(xué)生集體的組織形式由教師提出問(wèn)題，學(xué)生各抒己見(jiàn)，相互討論，相互學(xué)習(xí)的教學(xué)方法；啟發(fā)式教學(xué)指教師在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律，從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，采用多種方式，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，促使他們生動(dòng)活潑地學(xué)習(xí)的一種教學(xué)。它們由教師一人主講變?yōu)橛蓪W(xué)生、教師共同討論，整個(gè)討論過(guò)程是師生雙邊活動(dòng)?；?dòng)式、啟發(fā)式教學(xué)可以改變學(xué)生由被動(dòng)到主動(dòng)，最大程度地發(fā)揮其主觀能動(dòng)作用，促使學(xué)生在課外時(shí)間通過(guò)其他途徑查閱相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，帶著問(wèn)題聽(tīng)課，可有效地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。上好討論課的關(guān)鍵是首先選擇好要討論的內(nèi)容，一般應(yīng)考慮選題的科學(xué)性、趣味性和目的性。為了使課堂討論有的放矢，避免出現(xiàn)起哄、離題或冷場(chǎng)現(xiàn)象，在上討論課之前，先讓同學(xué)自學(xué)一些相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)要討論的內(nèi)容，擬出若干個(gè)題目，使學(xué)生的發(fā)言圍繞這些題目自由發(fā)揮。在互動(dòng)教學(xué)中，根據(jù)平常對(duì)學(xué)生的了解情況，因人而異在適當(dāng)時(shí)候給予提問(wèn)和引導(dǎo)。在討論過(guò)程中，教師的發(fā)言要富于啟發(fā)性、誘導(dǎo)性和綜合性。每次討論能否給學(xué)生留下印象，不在于討論的具體形式，而在于是否有幾個(gè)有分量的發(fā)言能抓住問(wèn)題的關(guān)鍵并深入到問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，有獨(dú)特見(jiàn)解給人以啟迪，引起學(xué)生較長(zhǎng)久的思考，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考。

3.2使用多媒體教學(xué)手段教學(xué)

利用多媒體等現(xiàn)代化手段教學(xué)是目前教學(xué)改革的一個(gè)重要方面，在理論力學(xué)中開(kāi)展多媒體教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，生動(dòng)形象，增加了視覺(jué)效果，使學(xué)生對(duì)一個(gè)抽象的理論有了感性的認(rèn)知，節(jié)省了板書(shū)時(shí)間，加大了課堂信息量，為教師的啟發(fā)式教學(xué)創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)代化教學(xué)手段和傳統(tǒng)的黑板、粉筆及模型教具并不相互排斥，而是相輔相成，針對(duì)不同的章節(jié)內(nèi)容可采用不同的教學(xué)手段，有些章節(jié)采用板書(shū)授課適合，有些章節(jié)采用多媒體授課適合。應(yīng)靈活運(yùn)用各種傳統(tǒng)的和現(xiàn)代化的教學(xué)手段。另外，在多媒體教學(xué)手段教學(xué)的過(guò)程中也應(yīng)該精練出某些經(jīng)典視頻素材，必要時(shí)可以自己動(dòng)手做相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，比如利用Mathematica 、Matlab、Ansys等計(jì)算軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算以及圖形處理技術(shù)制作動(dòng)畫(huà)，把枯燥的理論用動(dòng)畫(huà)的形式展現(xiàn)出來(lái)，提高學(xué)生對(duì)理論力學(xué)問(wèn)題的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的興趣。

此外，教師還要注意學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)內(nèi)外的精品課程以及開(kāi)放課程的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處。通過(guò)觀摩名校名師的開(kāi)放課程的授課錄像，了解各個(gè)學(xué)校在該課程教學(xué)過(guò)程中的側(cè)重點(diǎn)。學(xué)習(xí)、體會(huì)

揣摩課堂教學(xué)中相關(guān)技巧，并把這些技巧應(yīng)用到自己日常的教學(xué)中去。

3.3提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性在反映在教學(xué)過(guò)程中[4,5]，應(yīng)該貫徹少而精的原則，精心選擇教學(xué)內(nèi)容，改變過(guò)去多而不細(xì)的方法，將一些最重要和最基本的概念、理論和分析方法教給學(xué)生，并通過(guò)必要的基本訓(xùn)練幫助學(xué)生理解和掌握，為發(fā)揮其創(chuàng)造性留足時(shí)間和空間。教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容是關(guān)鍵所在，教師講解的應(yīng)是各章節(jié)的主干內(nèi)容，而對(duì)一般內(nèi)容或者比較簡(jiǎn)單的章節(jié)則可稍加指點(diǎn)，或讓學(xué)生帶著問(wèn)題去自學(xué)并將其聯(lián)系到主干內(nèi)容上。當(dāng)課程講完一章時(shí)，應(yīng)讓學(xué)生自己進(jìn)行小結(jié)，將前面所學(xué)的內(nèi)容用一兩條主線串聯(lián)起來(lái)。理論力學(xué)的應(yīng)用性主要體現(xiàn)在例題和習(xí)題的選用上，隨著科技的發(fā)展，除了保留一些基本題型外，應(yīng)該不斷更新，如加一些天文學(xué)方面的例題等內(nèi)容，以顯示經(jīng)典力學(xué)的滲透力。因此在例題和習(xí)題的選擇上既要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生興趣又要體現(xiàn)時(shí)代特色，還應(yīng)注意相關(guān)領(lǐng)域的問(wèn)題。這樣就能使學(xué)生將理論力學(xué)和自己的專業(yè)以及現(xiàn)代科技結(jié)合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。