新工科背景下理論力學(xué)教學(xué)實(shí)踐與探索

譚鄒卿　蔣學(xué)東　何云松　班書昊　席仁強(qiáng)　徐然　叢蕊

摘 ?要：理論力學(xué)是機(jī)械等工科專業(yè)一門重要的核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，具有理論體系完整、教學(xué)內(nèi)容豐富和課時(shí)少等特點(diǎn)。隨著智能手機(jī)的普及和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，嚴(yán)重沖擊著傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式。這就需要調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，活躍課堂氛圍，加強(qiáng)課堂管理。文章從知識(shí)結(jié)構(gòu)、道家哲學(xué)思想、ADAMS軟件以及雨課堂平臺(tái)四個(gè)方面進(jìn)行了探索，以提高理論力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)教學(xué);思維導(dǎo)圖;道家哲學(xué)思想;ADAMS;雨課堂

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）07-0103-05

Abstract： Theoretical mechanics is an important basic technical course of mechanical engineering majors， which has the characteristics of complete theoretical system， rich teaching content and less class time. With the popularity of smart phones and the development of internet， the traditional classroom teaching model has been seriously affected. This needs to mobilize students' interest and initiative in learning， and to activate the classroom atmosphere， and to strengthen the classroom management. This paper explores four aspects： knowledge structure， Taoist philosophy， ADAMS software and rain classroom platform， in order to improve the teaching quality of theoretical mechanics.

Keywords： theoretical mechanics teaching; mind map; Taoist philosophy; ADAMS; rain classroom

理論力學(xué)是科學(xué)研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律的學(xué)科，是機(jī)械、土建、航空等工科專業(yè)中一門系統(tǒng)性、理論性和邏輯性較強(qiáng)的的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是材料力學(xué)、機(jī)械原理、過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。但理論力學(xué)概念多、抽象性強(qiáng)以及內(nèi)容豐富，需學(xué)生在深刻理解物理概念的基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用理論公式、解題方法。由于理論力學(xué)的基本概念與高中物理、大學(xué)物理的力學(xué)存在一些重復(fù)的內(nèi)容，學(xué)生會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為理論力學(xué)似乎容易明白，也就容易因概念混淆而導(dǎo)致習(xí)題難以下手等問(wèn)題，進(jìn)而造成理論易懂、習(xí)題難做的困難局面。另外，理論力學(xué)利用高等數(shù)學(xué)中的矢量方法進(jìn)行嚴(yán)密的公式推理，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生對(duì)理論力學(xué)內(nèi)容理解就會(huì)變得更加困難。為了培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量、多樣化的人才，普通本科院?？傉n時(shí)發(fā)生了很大的變化，本校的理論力學(xué)課程時(shí)數(shù)已從原來(lái)的120學(xué)時(shí)削減為56或64學(xué)時(shí)，課時(shí)量被極大壓縮。但“基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖”！針對(duì)課時(shí)減少的現(xiàn)狀，如何保障在短時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)質(zhì)量十分重要。值得注意的是，隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電子設(shè)備等技術(shù)的快速發(fā)展，智能手機(jī)等電子產(chǎn)品得到了迅速的普及，“低頭族”正成為現(xiàn)代社會(huì)的一個(gè)流行詞。這種低頭族現(xiàn)象也沖擊著大學(xué)課堂的教學(xué)效果。教師應(yīng)積極思考如何將新技術(shù)恰到好處地應(yīng)用在理論力學(xué)課堂教學(xué)中，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。為此一些學(xué)者根據(jù)自身教學(xué)實(shí)踐探討了不同的教學(xué)方法，并取得了良好的效果[1-3]。針對(duì)理論力學(xué)教學(xué)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題，結(jié)合本教研團(tuán)隊(duì)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出了幾點(diǎn)思考，以提高教學(xué)質(zhì)量。

一、運(yùn)用思維導(dǎo)圖相，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)化思維

美國(guó)心理學(xué)家、教育學(xué)家布魯納認(rèn)為：“掌握事物的結(jié)構(gòu)，就是以允許許多別的東西與它有意義地聯(lián)系起來(lái)的方式去理解它。簡(jiǎn)單地說(shuō)，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)事物是怎樣相互關(guān)聯(lián)的”。理論力學(xué)的內(nèi)容包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三大部分。這些知識(shí)點(diǎn)之間并不是簡(jiǎn)單的并列、漸進(jìn)的關(guān)系，是由各種關(guān)系有機(jī)地交織在一起的。因此，需從知識(shí)的整體性出發(fā)，構(gòu)建理論力學(xué)知識(shí)鏈和知識(shí)塊的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)。把握教材知識(shí)整體結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對(duì)理論力學(xué)課程有一個(gè)清楚的、整體的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而感受到：“會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”！作者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，可利用思維導(dǎo)圖建構(gòu)理論力學(xué)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 理論力學(xué)知識(shí)體系思維導(dǎo)圖

從內(nèi)容上看，靜力學(xué)的核心內(nèi)容求質(zhì)點(diǎn)（系）和剛體（系）上的廣義力（F、MO、MZ、M）;運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)的廣義軌跡（r、s、？漬）、廣義速度（v、？棕）以及廣義加速度（a、？琢）;動(dòng)力學(xué)研究物體的作用力與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系（如？撞Fi=ma、？撞MZ（Fi）=JZ？琢），其基礎(chǔ)是靜力學(xué)部分的廣義力和運(yùn)動(dòng)學(xué)部分的廣義軌跡、廣義速度以及廣義加速度。另一方面，從方法上看，由于牛頓構(gòu)建的力學(xué)世界，在很大程度上采用幾何作為工具進(jìn)行分析和求解，這就需要讓學(xué)生意識(shí)到力學(xué)與幾何有著密切的聯(lián)系，要培養(yǎng)學(xué)生利用矢量方法來(lái)求解理論力學(xué)的問(wèn)題。許多物理量如力、力偶、矢徑、速度、加速度、動(dòng)量、動(dòng)量矩、沖量等都是矢量。因此，在分析理論力學(xué)中的問(wèn)題一般都遵循如下三個(gè)步驟：（1）選取研究對(duì)象（畫無(wú)矢量的幾何圖形，如質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、剛體系）;（2）進(jìn)行矢量分析（畫直箭頭、彎箭頭，如集中力畫直箭頭，角速度畫彎箭頭）;（3）列方程（建立坐標(biāo)系將矢量圖轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)公式）。按照這樣的由幾何圖轉(zhuǎn)化為公式的解題步驟，思路清晰且便于掌握。上述理論力學(xué)思維導(dǎo)圖把零碎的課程知識(shí)系統(tǒng)化，清楚地讓學(xué)生從整體上把握所學(xué)內(nèi)容和方法。當(dāng)然，該方法也可運(yùn)用在各章節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，有利于學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)和掌握。

二、與道家哲學(xué)思想相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀

愛(ài)因斯坦曾說(shuō)：“哲學(xué)可以被認(rèn)為是全部科學(xué)之母”。因此哲學(xué)思想能夠貫穿于力學(xué)學(xué)科的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)理論力學(xué)教學(xué)有指導(dǎo)意義。在理論力學(xué)教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的角度思考知識(shí)點(diǎn)的發(fā)展脈絡(luò)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀[4]。中國(guó)古代思想家老子在《道德經(jīng)》云：“道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物”。該樸素的哲學(xué)思想表示了“道”生萬(wàn)物從少到多，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一個(gè)過(guò)程。這種發(fā)展的哲學(xué)原理也同樣適用于對(duì)理論力學(xué)各個(gè)概念、定理的梳理。此外，自然界在紛繁復(fù)雜的表象背后隱藏著簡(jiǎn)單的規(guī)律[5]。正如牛頓說(shuō)的那樣：“自然界喜歡簡(jiǎn)單，不愛(ài)用多余的原因夸耀自己?！睈?ài)因斯坦也把簡(jiǎn)約作為科學(xué)美的重要標(biāo)志。他曾說(shuō)過(guò)：“要通過(guò)最少個(gè)數(shù)的原始概念和原始關(guān)系的使用來(lái)達(dá)到科學(xué)的目的?！本C上所述，作者更趨向于將道家哲學(xué)思想改寫為：“道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物，萬(wàn)物歸宗?！被谠撜軐W(xué)思想，表1給出了一些理論力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的脈絡(luò)。從知識(shí)點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，學(xué)生在高中階段都已經(jīng)部分或全部學(xué)過(guò)，所以對(duì)于已經(jīng)學(xué)過(guò)的內(nèi)容可簡(jiǎn)要闡述即可。但理論力學(xué)重點(diǎn)研究剛體（系）的運(yùn)動(dòng)與相互作用之間的關(guān)系，這就需要研究對(duì)象從質(zhì)點(diǎn)（系）向剛體（系）轉(zhuǎn)變，進(jìn)而需要增加剛體（系）受力、運(yùn)動(dòng)及二者之間關(guān)系的物理量、定理和定律。學(xué)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)的難點(diǎn)恰好在這轉(zhuǎn)變上。例如，由于剛體運(yùn)動(dòng)形式有：平動(dòng)、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)，而剛體是由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的質(zhì)點(diǎn)系，在研究剛體的動(dòng)能時(shí)，學(xué)生需從高中階段的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能單一形式向多種簡(jiǎn)單形式（剛體平移：剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)：、剛體平面運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變。利用道家哲學(xué)思想就能較好地解決從高中物理到理論力學(xué)的跨度問(wèn)題，該“簡(jiǎn)單-復(fù)雜-再簡(jiǎn)單”方法讓學(xué)生體會(huì)到高中物理與理論力學(xué)的異同，并突出了理論力學(xué)的重難點(diǎn)，定會(huì)提高學(xué)生對(duì)理論力學(xué)的認(rèn)識(shí)。

三、引入ADAMS軟件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

目前，由于課堂上缺少實(shí)物模型展示，導(dǎo)致教學(xué)缺乏直觀性，使得學(xué)生感到理論過(guò)于抽象、習(xí)題無(wú)從下手。因此，可視化教學(xué)模式是基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐的一個(gè)方向[6-7]。為了豐富理論力學(xué)教學(xué)素材，哈工大在第八版教材中增加了數(shù)字資源的二維碼鏈接，學(xué)生可以通過(guò)掃描書上的二維碼即可鏈接相關(guān)數(shù)字資料[8]。然而，這些視頻僅僅起動(dòng)態(tài)演示的作用，對(duì)機(jī)械等專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)等比賽幫助有限，難以鍛煉學(xué)生產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)能力。ADAMS以其公認(rèn)的優(yōu)越性被越來(lái)越多的工程技術(shù)人員和科研人員所使用，廣泛地應(yīng)用在工程機(jī)械、汽車制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，并取得了顯著的成績(jī)[9]。將ADAMS仿真技術(shù)引入到理論力學(xué)教學(xué)中，從哈工大版理論力學(xué)教材中挑選典型的力學(xué)問(wèn)題，對(duì)相關(guān)實(shí)例進(jìn)行仿真分析，建立了ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（部分內(nèi)容如圖2所示），加深了教學(xué)的直觀性和應(yīng)用性，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)甚至就業(yè)工作等提供仿真方法。例如，圖3為利用ADAMS建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型后在后處理模塊進(jìn)行仿真和曲線繪制結(jié)果，該仿真結(jié)果與理論解[8]完全一致。ADAMS/PostProcessor模塊提供了仿真結(jié)果回放和分析曲線繪制功能，學(xué)生可以觀察模型的運(yùn)動(dòng)以及曲線的變化，就像做實(shí)際的力學(xué)試驗(yàn)一樣。利用生動(dòng)的動(dòng)畫、曲線等展示給學(xué)生，從而將抽象的理論具體化，這對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果起到了很好的作用。

四、基于雨課堂的教學(xué)，提高教學(xué)管理的效率

以上從教師傳授知識(shí)和技能等方法來(lái)提高理論力學(xué)教學(xué)效果，但忽略對(duì)課堂教學(xué)的管理將給教學(xué)工作帶來(lái)巨大的困難?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)了學(xué)生的“現(xiàn)代化”，許多課堂都面臨著“低頭族”的難題，學(xué)生不聽(tīng)講玩手機(jī)的現(xiàn)象讓不少老師感到困惑，特別是高度概括和比較抽象的基礎(chǔ)課程尤為如此?？梢?jiàn)，課堂教學(xué)管理是教學(xué)工作的一個(gè)重要內(nèi)容，還是組織教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在教育信息化、現(xiàn)代化的背景下，如何用信息技術(shù)推動(dòng)課堂教學(xué)改革？雨課堂由學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育辦公室共同研發(fā)的一款新型智慧教學(xué)工具，為師生搭建了線上線下課堂教學(xué)互動(dòng)溝通的平臺(tái)[10]。它將信息技術(shù)手段融入PowerPoint和微信，將“課前-課中-課后”的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都賦予全新的體驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)了教師對(duì)教學(xué)全周期的數(shù)據(jù)采集、整理、分析等，幫助教師實(shí)時(shí)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。使用雨課堂可開展掃碼簽到、與PPT同步的課件傳遞、隨機(jī)點(diǎn)名、隨堂測(cè)驗(yàn)、私信問(wèn)答、記錄教學(xué)設(shè)計(jì)和心得等教學(xué)活動(dòng)，如圖4（a）和（b）所示。此外，為了節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力，針對(duì)常州大學(xué)機(jī)制17級(jí)采用了基于雨課堂的無(wú)紙化期中測(cè)試，如圖4（c）所示。由于不需要打印試卷，不需要組織閱卷，收卷后自動(dòng)打分并顯示考試成績(jī)，試卷成績(jī)可下載成Excel表格，方便成績(jī)統(tǒng)計(jì)和保存等，與傳統(tǒng)的紙質(zhì)考試方式相比，雨課堂考試方式具有成本低、速度快、便于統(tǒng)計(jì)整理等優(yōu)勢(shì)。此次把雨課堂運(yùn)用于理論力學(xué)考試當(dāng)中，真正實(shí)現(xiàn)了雨課堂“課前-課中-課后”全程式教學(xué)模式，是教學(xué)改革的一種新嘗試。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在理論力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中獲得了以下四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

1. 運(yùn)用思維導(dǎo)圖的方式很好地鍛煉了學(xué)生的綜合分析能力與邏輯思維能力，使得學(xué)生對(duì)理論力學(xué)教學(xué)體系和內(nèi)容有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。

2. 將道家哲學(xué)思想融入理論力學(xué)的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生從哲學(xué)的高度進(jìn)行思考學(xué)習(xí)。

3. 引入ADAMS軟件，充分發(fā)揮了CAE軟件的優(yōu)勢(shì)，增加了學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4. 基于雨課堂平臺(tái)，為師生構(gòu)建了良好的課堂互動(dòng)環(huán)境，能夠引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋娟，馮維明，王少偉，等.試論“課堂實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)”在力學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2018，40（3）：89-91.

[2]郭鐵丁，康厚軍，程露敏.基于平板電腦的理論力學(xué)課堂教學(xué)模式[J].力學(xué)與實(shí)踐，2018，40（3）：85-88.

[3]湯可可，王華寧.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系探索[J].力學(xué)與實(shí)踐，2017，39（1）：68-70.

[4]薛銅龍，楊現(xiàn)卿，張曉輝.高等教育中大學(xué)生的哲學(xué)思維培養(yǎng)[J].大學(xué)教育，2017（8）：98-100.

[5]徐志君.物理學(xué)美與物理教學(xué)中的美育[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30（6）：626-631.

[6]李凌云.理論力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)與課程管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：127-130.

[7]尚玫，梅鳳翔.理論力學(xué)可視化教學(xué)與Matlab/Simulink[J].力學(xué)與實(shí)踐，2010，32（1）：72-76.

[8]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)（I）（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[9]宋少云，尹芳.ADAMS在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[10]王帥國(guó).雨課堂：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)背景下的智慧教學(xué)工具[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，27（5）：26-32.

基金項(xiàng)目：江蘇高校“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目“優(yōu)秀青年骨干教師”（蘇教師[2020]10號(hào)）;常州大學(xué)教育研究重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目“ADAMS虛擬實(shí)驗(yàn)在理論力學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐與研究”（編號(hào)：JXJY2017003）

作者簡(jiǎn)介：譚鄒卿（1983-），男，漢族，四川廣安人，博士，副教授，研究方向：微納米力學(xué)、生物傳感器;蔣學(xué)東（1966-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：彈塑性力學(xué);何云松（1974-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：有限元分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);班書昊（1978-），男，漢族，江蘇常州人，碩士，講師，研究方向：振動(dòng)力學(xué);席仁強(qiáng)（1984-），男，漢族，河南三門峽人，碩士，講師，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震;徐然（1982-），女，漢族，山西太原人，博士，講師，研究方向：非線性斷裂力學(xué);叢蕊（1972-），女，漢族，江蘇常州人，博士，副教授，研究方向：非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和故障診斷。