新工科背景下“理论力学”教学改革探索
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作者:李宝辉 王正中 李会军
摘 要：“理论力学”是工科院校一门重要的技术基础课，是后续力学课程与其他专业课程的根基。文章聚焦新工科人才培养目标，针对传统教学过程中的一些典型问题，结合自身教学实践提出了教学改革措施，以期激发学生的专业兴趣、拓展课程深度、提升学生的创新精神与实践能力以及强化学生解决复杂问题的综合能力。
关键词：新工科;理论力学;教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2020）11-0015-02
面对新一轮的科技和产业革命，需要对传统工科教育进行升级改造形成新的工科教育形态——新工科，以培养多样化、创新型人才[1]。新工科不仅更加注重对学生创新能力的培养，而且更加注重学生社会责任感的养成，更加强调学生综合能力培养，最终要达到全方位育人的目的。
作为工科基础的力学课程面临最大的困难就在于如何与工程实践紧密结合，培养学生解决实际问题的综合能力，这一点在先导课程“理论力学”的教学中尤为突出。因为“理论力学”课程是工科院校学生从理论迈向工程的第一步，其核心是对力学基本原理的阐述，是理论之源、工程之基。相较于其他力学课程，“理论力学”的工程问题针对性“较弱”，它聚焦的是最基本的问题、最根本的理论和最一般的方法;再者，“理论力学”课程具有逻辑推理的严密性和对工程问题的高度抽象性，所以，它重在对学生力学思维能力和建模能力的培养;并且，作为其他力学课程的前期入门课，“理论力学”的纽带过渡作用更加显著，他是从基础理论迈向专业问题的关键一环，这一环节的牢靠程度直接影响着学生后续专业素质的高低。
因此，只有将起纽带、支柱作用的“理论力学”中的原理方法和思维方式渗入骨髓、融进血液，学生其他综合能力的培养才会有后劲。然而，这一最高理想的实现在实际教学中面临诸多困难，这也成为培养新型创新人才的障碍。
由于“理论力学”与数学联系紧密，其中定理多、推导多[2]，学生学习起来稍显吃力，应用起来更是倍感困难，那自然也就提不起兴趣，缺少钻研的劲头，导致卷面不及格率偏高，这是“理论力学”教学中普遍存在的一个问题。另外，作者在教学实践中还发现了另外一些有代表性的问题。第一，现有的“理论力学”教材内容大都按“静力学—运动学—动力学”的篇章顺序进行编排，这是出于教材体系的完整性考虑的，其中静力学部分首先讲平面力系[3]，这部分内容与大学物理有重叠，一些学生便延续惯性思维，用旧方法处理“理论力学”中的新问题，不重视“理论力学”分析方法，导致在复杂问题分析中思路混乱、不得要领。第二，要熟练掌握“理论力学”中的原理方法，必须通过一定量的习题演算来加深理解，然而，现在学生课业负担重、课后可支配的练习时间较少或者学生由于惰性不愿意主动练习，这就导致了学生课堂上似乎听得明白，等到自己独立完成题目时又感到无从下手。第三，以往“理论力学”课程的考查方式主要是期末考试，用一次成绩来评定学生对这门课程的掌握程度，为了应付考试，学生中有临时抱佛脚的现象，对相关定理只求记住结论而不求甚解，这样的学习效果甚微，更谈不上活学活用。
直面这些问题，探索解决之途径是新工科背景下在“理论力学”教学方面亟待开展的工作。作者从以下几个方面进行了一些尝试，以期能激发学生的学习兴趣、夯实学生的力学功底，最终提高学生解决实际问题的综合能力。
一、紧密结合实际，让理论“有血有肉”
为了避免理论讲解的枯燥，就必须从实际问题出发，激起学生的求知欲望，然后再趁热打铁引出相关理论，这样才更有针对性不会让理论悬空，才会讲出生气，对学生才更有吸引力，他们固然更乐于接受。教学案例的列举也不能一味地宽泛、复杂，更多地应该具体、针对性强，最好是能应用所学理论诠释其中的力学原理。比如，在速度合成定理中，先通过日常见到的水管在高流速下出现乱甩现象激发学生兴趣，再通过飞机空中加油管道的流速控制引出绝对速度的计算，最后再结合简单的中学物理问题——小船渡河，让学生对速度合成定理的结论进行猜测，此时学生求知欲望已达到极点，然后再具体推导，这样比直接讲授效果好很多;再比如，刚体平面运动中速度基点法的讲解结合自行车轮辐条现象;动量定理中结合鸟撞的碰撞力和火炮后坐力问题;动量矩定理中结合赛车比赛中的空翻事故、蛤蟆夯的工作原理和竞技体育中运动员身体姿态的变化原因等等;这些实例既具有普遍性又可以通过新理论直接进行计算分析，有助于增强学生的成就感和自信心，自然也就提高了学习兴趣。另外，相关定理讲解时可以结合相关科学家的生平事迹，如科氏加速度的发现，达朗贝尔原理的提出等等。这样有助于学生志存高远，心向卓越。
二、精简内容，充分利用好课堂时间
“理论力学”教材为了自身体系的完整，其中静力学中有部分知识与大学物理重合，特别是平面力系问题学生已较熟练，故可直接从空间力系部分讲起，阐述一般力系的分析方法，将平面问题作为特例顺带指出，着重建立“理论力学”处理问题的方法思路，避免学生沿用物理中的方法解决“理论力学”问题。这样不受限于原有的课程体系，让“理论力学”轻装上阵才能适应时代要求[4]。
充分发挥多媒体的作用，将难以用言语描述的信息通过视觉直观地展示给学生。借助动画、图片等，让学生感受到“理论力学”要处理的问题是美妙且充满乐趣的。这种形象化的教学，不仅能增强课堂教学效果，提高課堂效率，而且可以提高学生观察、分析、解决问题的能力[5]。
三、增加课堂讨论，多角度审视问题
要掌握“理论力学”知识，必须保证一定量的练习，这是学好“理论力学”的不二法门，不会因时代而变化。鉴于学生课业负担重、课后可支配时间少的情况，需要适当增加课堂练习和课堂讨论，打破“老师讲—学生听”的传统模式，使学生充分参与到课堂教学中来，尽可能利用课堂时间加深学生对知识的印象。例题演示中侧重引导学生理清解决问题的思路，结合板书列出关键步骤;习题讨论时将学生分成若干讨论组，以小组为单位完成课堂练习，然后选代表阐述求解思路，最后教师再点评讲解。这种讨论性的课堂让学生从被动接受者变为主动学习者，教师则由主导者变为引导者和指导者，这样的课堂效率自然更高，同时也培养了学生清晰准确的表达能力和力学思维能力。为了让每一位学生都积极参与课堂讨论，避免个别学生始终游离于讨论之外，我们采取两种措施，第一，课堂讨论成绩二次分配，成绩是以小组为单位的总成绩，各组长按照成员的参与程度进行再次分配;第二，课堂时间有限，学生不能充分完成练习，所以回答问题只是阐述解决思路，并不要求提供准确的计算结果，这样更容易提高学生参与的积极性。 “理论力学”中定理较多，学生看到题目时就条件反射式地寻思着该应用哪一个定理求解，长此以往，学生只会做题而不会从实际的工程问题中提炼力学问题，不利于学生综合应用能力的提升。笔者认为导致这种结果的原因是学生对问题缺乏宏观的认识，始终深入其中，却难以看清其貌。教学过程中应当对定理的产生背景、处理问题的特征交代清楚，先让学生对定理有个感性认识，然后再介绍定理内容，通过引导学生不断地转换角度审视问题，不断地跳出红尘看红尘来强化其对定理的宏观认识。比如动力学部分中会出现多个定理，其溯源都可追寻到牛顿第二定律，这些定理的作用在于建立物体系受力与其整体运动特征间的关系，所处理的问题特征鲜明。这些定理实际上是将牛顿定律的活水引入到生活的方方面面，使其在不同的情境下呈现不同的却是最简洁的形式，这也是应用力学家的工作意义所在。提供这样的角度，学生便可对动力学部分有一整体认识。再比如，有些学生会将达朗贝尔原理理解成牛顿第二定律的简单移项，这是偏颇的，如果从自由质点和受约束系统角度来看问题便会豁然开朗。
四、开展多样化考核，作业精细化
丰富考核方式，注重平时考查，减小期末成绩权重。“理论力学”课程的最终成绩由期末考试成绩（50%）、作业成绩（30%）和平时课堂讨论成绩（20%）三部分组成。平时讨论成绩中一部分（70%）是课堂讲解过程中进行的随堂小组讨论成绩;另一部分（30%）来自于每节课后的趣味性思考题的个人成绩，这部分成绩的设置主要是培养学生解决实际问题的能力，同时也是提高课程挑战度的一个手段。至于作业，并不局限于传统的各自独立完成的纸质作业，还可以是小组作业，由一个小组中的各个成员协作分工完成。这样每一个成员必须完成对应的分工，否则就会拖累整个小组，从而提高了作业的参与度，避免了抄袭现象，更重要的是锻炼了学生的合作能力。要通过作业不仅让学生掌握所学知识而且要养成“理论力学”的思维方式，这需要一个过程，教师对作业批改的细致程度影响着这一过程的长短。因此，对于学生作业应逐个批改、逐处批注，切不可为节省时间分批批改！学生作业应该成为教师向学生传递严谨认真态度的媒介。这样将考察分散在平时教学的过程中，有助于学生将精力集中在课堂，有利于学生及时消化所学内容，可以有效地避免考前临时抱佛脚的现象发生。
五、結论
“理论力学”课程的教学是一个不断探索、创新的过程。让原本严谨、枯燥的理论变得趣味横生又不失其缜密的一面是所有教学方法追求的目标，也是学生最乐于接受的方式，只有这样教学效果才会更好、学生学习效率才会更高，才有利于拓展“理论力学”课程的深度，强化学生解决实际问题的综合能力。
参考文献：
[1]李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等 工程教育研究，2017，（4）.
[2]余为.提高理论力学课程兴趣的几点思考[J].教育教学 论坛，2015，（2）.
[3]张亚红，刘睫，赵玉成.非力学专业理论力学教学改革的 思考[J].力学与实践，2002，（3）.
[4]郑泉水.论创新型工科的力学课程体系[J].力学与实践， 2018，（2）.
[5]张克猛，周纪卿，任宝生.理论力学课程的教学改革与 实践[J].中国大学教学，2000，（2）.
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