應(yīng)用型人才理論力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

商玉梅　何冬青　馬立安

摘 要 針對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，以理論力學(xué)教學(xué)為例，教學(xué)內(nèi)容上從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面入手，增加機(jī)構(gòu)認(rèn)知課程和以工程案例為載體的全過(guò)程習(xí)題課，注重理論與實(shí)踐結(jié)合；教學(xué)方法上從如何組織講課用語(yǔ)和如何導(dǎo)入抽象知識(shí)點(diǎn)兩方面探討教學(xué)方法的科學(xué)合理設(shè)計(jì)，體現(xiàn)教學(xué)的趣味性和學(xué)生的主體地位。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型 理論力學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.054

Abstract According to the training target of applied talents， the teaching of theoretical mechanics as an example， the teaching content from the aspects of cultivating students' practical innovation ability， increase cognitive courses and exercises the whole process with the engineering case as the carrier， pay attention to the combination of theory and practice； rational design of two teaching methods on how to organize lectures from the language and how to import abstract knowledge on teaching methods of science， reflecting the interest of teaching and students' subject status.

Keywords applied； Theoretical Mechanics； teaching reform

0 前言

“理論力學(xué)”是一門(mén)理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。教學(xué)中需要從經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)歸納出的基本公理或定律出發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)演繹得出物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律和具體問(wèn)題的解決辦法。應(yīng)用型人才培養(yǎng)，要求學(xué)生除了需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)外，還需具備分析和處理實(shí)際問(wèn)題的能力。理論力學(xué)的教學(xué)也應(yīng)該圍繞這一培養(yǎng)目標(biāo)展開(kāi)。筆者在多年的理論力學(xué)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用型人才在理論力學(xué)教學(xué)上過(guò)分依賴于研究型大學(xué)的教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上過(guò)分強(qiáng)調(diào)課程體系的完整性，理論推導(dǎo)多，實(shí)踐少；教學(xué)上缺少以學(xué)生為主體的靈活、多樣的教學(xué)方法。文章以理論力學(xué)教學(xué)為例，從教學(xué)內(nèi)容、方法上探討適合應(yīng)用型人才發(fā)展目標(biāo)的理論力學(xué)教學(xué)模式。

1教學(xué)內(nèi)容的改革

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)要求“理論力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該以培養(yǎng)技能型人才為主。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)更注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，注重對(duì)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)合理設(shè)計(jì)。①

1.1 合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

理論力學(xué)在內(nèi)容上分成：靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三部分。“受力分析”是物體系統(tǒng)平衡問(wèn)題和后續(xù)“材料力學(xué)”課程的基礎(chǔ)。學(xué)生作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)約束反力、受力分析這一部分內(nèi)容時(shí)問(wèn)題較多，有必要增加這一部分的作業(yè)講解。

從絕大多數(shù)應(yīng)用本科院校機(jī)械類學(xué)生教學(xué)計(jì)劃上看，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)理論力學(xué)之前，并沒(méi)有學(xué)過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)知識(shí)，而在運(yùn)動(dòng)學(xué)部分需要大量引用四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)作為實(shí)例，學(xué)生們一開(kāi)始接觸機(jī)構(gòu)難免有些摸不著頭腦，所以在運(yùn)動(dòng)學(xué)授課之前設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)認(rèn)知的內(nèi)容是很有必要的。

動(dòng)力學(xué)中的三大定理在“大學(xué)物理”已經(jīng)學(xué)習(xí)了，部分內(nèi)容存在重復(fù)，適當(dāng)減少動(dòng)力學(xué)部分的講解。課程結(jié)束后，增加以工程案例為主的全課程大習(xí)題課。巧妙選擇、設(shè)計(jì)習(xí)題，把整個(gè)課程的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，讓學(xué)生對(duì)課程有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)踐

以我校機(jī)械類本科64學(xué)時(shí)的理論力學(xué)為例，課程內(nèi)容增加靜力學(xué)內(nèi)容，運(yùn)動(dòng)學(xué)部分學(xué)時(shí)不變，適當(dāng)減少動(dòng)力學(xué)部分的學(xué)時(shí)。把靜力學(xué)部分由原來(lái)的22學(xué)時(shí)增加為24學(xué)時(shí)，增加的2學(xué)時(shí)內(nèi)容主要放在靜力學(xué)工程實(shí)例上；運(yùn)動(dòng)學(xué)部分增加1學(xué)時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)例展示，減少1學(xué)時(shí)“牽連運(yùn)動(dòng)為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)”的內(nèi)容，課時(shí)安排上仍然是原來(lái)的18學(xué)時(shí)；動(dòng)力學(xué)部分由原來(lái)的24學(xué)時(shí)減少為20學(xué)時(shí)；課程講解完畢，設(shè)計(jì)2學(xué)時(shí)的與專業(yè)相關(guān)的工程案例作為全課程大習(xí)題課，如表1。

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，按照新設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展教學(xué)，教師普遍反映好教了，學(xué)生們普遍反映好學(xué)了。

2 教學(xué)方法的改革

“授人以魚(yú)不如授人以漁”，教給學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的方法，比教會(huì)他們定理、公式更為重要。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該巧妙設(shè)計(jì)，突出以學(xué)生為主體的靈活、多樣的教學(xué)方法。

2.1 巧妙組織講課用語(yǔ)，做到言簡(jiǎn)意賅

自古以來(lái)，課堂教學(xué)靠的是口耳相傳，傳道、授業(yè)、解惑都離不開(kāi)口語(yǔ)表達(dá)，教師語(yǔ)言修養(yǎng)的高低會(huì)對(duì)學(xué)生理解和消化知識(shí)點(diǎn)起到至關(guān)重要的作用，故教師語(yǔ)言藝術(shù)的重要性是毋庸置疑的。②

運(yùn)動(dòng)學(xué)部分大量利用幾何法表達(dá)點(diǎn)的速度、加速度，由于學(xué)生數(shù)理知識(shí)的缺乏，往往對(duì)矢量圖求解的辦法難以著手，不知先畫(huà)哪個(gè)量，后畫(huà)哪個(gè)量。圖1a，學(xué)生利用基點(diǎn)法求解B點(diǎn)速度的時(shí)候，對(duì)于的方向不好確定，講授時(shí)可以把矢量圖方法歸納為“一湊二確?！钡奈遄址ǎ^“湊”，是指假設(shè)的方向和已知的合成后能湊出水平方向的；所謂“確?！?，是指檢查矢量圖，確保兩個(gè)分矢量、在合矢量的兩側(cè)，圖1b，甚至可以跟學(xué)生打比喻，“分矢量如同合矢量的衛(wèi)兵，一邊一個(gè)把合矢量保護(hù)起來(lái)”。這樣講解既緩和了課堂氣氛，又能使學(xué)生輕松地接受新知識(shí)。

“一湊二確?！钡霓k法在點(diǎn)的加速度合成定理中也同樣適用，實(shí)踐證明，有了這個(gè)口訣，學(xué)生接受起來(lái)更加容易了，也更愿意花時(shí)間去畫(huà)矢量圖，對(duì)于整篇運(yùn)動(dòng)學(xué)的學(xué)習(xí)也會(huì)保持較高的興趣。

2.2 抽象知識(shí)點(diǎn)的引入要自然

理論力學(xué)教材中有些定義概念是比較生硬、抽象的，講課時(shí)直接給出的話，學(xué)生們難免搞不清其真正的物理意義。比如講動(dòng)量矩時(shí)，大部分的教材都是直接給出動(dòng)量矩的概念，學(xué)生學(xué)起來(lái)普遍感覺(jué)比較抽象、難以理解。講授這一部分時(shí)要做到自然引入，筆者在講述這部分內(nèi)容的時(shí)候采用設(shè)問(wèn)的方法。講解前，先給學(xué)生播放一段均質(zhì)輪繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的視頻，如圖2a。緊接著提問(wèn)，眾所周知，物體平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可以用動(dòng)量來(lái)描述，那么均質(zhì)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度用什么來(lái)描述呢？學(xué)生剛剛學(xué)過(guò)動(dòng)量定理，很自然地會(huì)用動(dòng)量來(lái)表達(dá)均質(zhì)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度。均質(zhì)圓盤(pán)在力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，圓盤(pán)的動(dòng)量，可實(shí)際上，即圓盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)。可見(jiàn)，用動(dòng)量來(lái)描述圓盤(pán)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是行不通的，必須引入一個(gè)新的物理量來(lái)度量圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。這個(gè)時(shí)候教師可以使用“類比法”。眾所周知，力可以使剛體產(chǎn)生移動(dòng)效果也可以使剛體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果，一般力矢量用來(lái)描述剛體的移動(dòng)狀態(tài)，用力矩用來(lái)描述剛體繞矩心的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)動(dòng)量定理，力矢量作用在剛體上，剛體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度用動(dòng)量來(lái)描述；既然力的轉(zhuǎn)動(dòng)效果用力矩來(lái)描述力，不難聯(lián)系到描述力作用在剛體上的轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)可以動(dòng)量來(lái)取矩，于是把這個(gè)描述剛體轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度的物理量叫做動(dòng)量矩，如圖2b，用表示。用設(shè)問(wèn)和類比的辦法引入動(dòng)量矩的物理意義學(xué)生接受起來(lái)比較自然，也比較好區(qū)別動(dòng)量和動(dòng)量矩的物理意義。

再比方說(shuō)，講到剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程時(shí)，先給學(xué)生播放一段圈操表演視頻，然后提出問(wèn)題：“體操運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行圈操表演時(shí)，使圈高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并在地面上向前拋出，不久圈可自動(dòng)返回到運(yùn)動(dòng)員跟前，用什么力學(xué)原因解釋？”配合引入的問(wèn)題，精心設(shè)計(jì)例題，假設(shè)圈是均質(zhì)的，給出質(zhì)量、半徑、圈心的初速度、初角速度、圈和地面間的摩擦系數(shù)。通過(guò)對(duì)圈的受力分析和運(yùn)動(dòng)分析，引出剛體平面運(yùn)動(dòng)微分方程這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

2.3 充分發(fā)揮案例化教學(xué)在培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新能力上的作用

為了更有效地實(shí)施案例教學(xué)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生專業(yè)選編教學(xué)案例，案例選擇首先要充分考慮其工程性，所選擇的案例應(yīng)該具有一定的工程背景。針對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用一些小型的工程案例來(lái)說(shuō)明知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解和掌握。另外慮案例的典型性，即所選案例應(yīng)具有代表性并能充分體現(xiàn)力學(xué)課程的理論知識(shí)，圍繞案例的核心理念，由淺入深地設(shè)計(jì)一系列的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生去思考。

應(yīng)用型人才要具備將專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是培養(yǎng)具備整合、集成多學(xué)科的知識(shí)資源并創(chuàng)造性地提出解決問(wèn)題方案的能力。勞倫斯認(rèn)為：一個(gè)好的案例是一個(gè)把部分真實(shí)生活引入課堂，從而可使教師和全班學(xué)生對(duì)之進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)的工具。它是學(xué)術(shù)思緒馳騁的依據(jù)。③

3 小結(jié)

在應(yīng)用型人才的理論力學(xué)課堂教學(xué)中，針對(duì)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面進(jìn)行了改革，科學(xué)合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，增加了受力分析的講授內(nèi)容，重點(diǎn)增加機(jī)構(gòu)認(rèn)知方面的內(nèi)容，增加以工程案例為載體的全課程習(xí)題課，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)本專業(yè)的求知欲。教學(xué)方法方面，以學(xué)生為主體，從講課用語(yǔ)和知識(shí)點(diǎn)引入兩方面出發(fā)，注重教學(xué)方法的合理性，體現(xiàn)了教學(xué)的趣味性。

注釋

① 唐靜靜，范欽珊.基礎(chǔ)力學(xué)課程研究型教學(xué)方法的探索[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008.30（4）：89-90.

② 于月民.大學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)課實(shí)施案例教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].價(jià)值工程，2013（23）：225-226.

③ 郭濤.案例教學(xué)是促進(jìn)教師成長(zhǎng)的重要途徑[J].西安教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（12）：68.