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理論力學(xué)教學(xué)探討
摘 要：對(duì)于少學(xué)時(shí)的理論力學(xué)教學(xué)，存在教學(xué)時(shí)間少而教學(xué)內(nèi)容多等問(wèn)題。筆者針對(duì)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，闡述了一些觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：理論力學(xué) 普通物理力學(xué) 習(xí)題課 現(xiàn)代教學(xué)手段
引言：《理論力學(xué)》課程作為理工科大學(xué)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)雙重性質(zhì)，它在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起承前啟后的作用。其主要以伽利略和牛頓總結(jié)的基本定律為基礎(chǔ)，系統(tǒng)介紹靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的基本概念、基本原理及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本方法。課程的基本狀況是概念多，定理多，公式多;前后聯(lián)系緊密，題目靈活多變，解題技巧性強(qiáng)。加之現(xiàn)時(shí)課程改革，理論力學(xué)課時(shí)較少，使很大一部分學(xué)生感到理論力學(xué)“理論難，解題難”，學(xué)習(xí)效果不甚理想。那么如何在有限的學(xué)時(shí)里培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量就成了力學(xué)教師的重要課題。
1.注意普通物理力學(xué)與理論力學(xué)課程的聯(lián)系
1.1教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系。
普通物理力學(xué)(以下簡(jiǎn)稱普物力學(xué))和理論力學(xué)同屬經(jīng)典力學(xué)。普物力學(xué)和理論力學(xué)都以機(jī)械運(yùn)動(dòng)所遵循的基本規(guī)律及其推論和應(yīng)用為研究對(duì)象，都包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)三個(gè)部分。普物力學(xué)一般在大學(xué)入學(xué)的第一學(xué)年開(kāi)設(shè)，而理論力學(xué)一般于第二學(xué)年開(kāi)設(shè)，如何在同一內(nèi)容的學(xué)習(xí)中注意二者的關(guān)系尤為重要。在理論力學(xué)的教學(xué)中對(duì)普物力學(xué)中的概念就不再詳細(xì)重復(fù)講解，而是強(qiáng)調(diào)理論力學(xué)課程中的新概念，這樣才能更有效地利用有限的課時(shí)，同時(shí)也能消除學(xué)生認(rèn)為理論力學(xué)就是普物力學(xué)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。
1.2教學(xué)方法的聯(lián)系。
普物力學(xué)主要是從物理現(xiàn)象出發(fā)，重視物理現(xiàn)象、物理過(guò)程，通過(guò)分析歸納的方法，由現(xiàn)象尋找規(guī)律，強(qiáng)調(diào)直觀的物理圖景，強(qiáng)調(diào)對(duì)基本物理概念和方法的理解和討論，強(qiáng)調(diào)從感性到理性的認(rèn)識(shí)過(guò)程。理論力學(xué)則從物理學(xué)的幾個(gè)邏輯框架出發(fā)，通過(guò)邏輯演繹的方法，推導(dǎo)出機(jī)械運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)、規(guī)律和圖景。研究的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)概念的確切性和數(shù)學(xué)證明的嚴(yán)謹(jǐn)性，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力。對(duì)于數(shù)學(xué)知識(shí)的要求，理論力學(xué)除了要用到矢量運(yùn)算和微分方程之外，還要求理解約束、自由度和廣義坐標(biāo)的概念，能根據(jù)實(shí)際情況正確選擇廣義坐標(biāo)，熟練掌握和運(yùn)用虛功原理，熟練掌握和運(yùn)用拉格朗日方程，等等。
1.3教學(xué)要求的提高。
普物力學(xué)教學(xué)教學(xué)過(guò)程中，特別關(guān)注從現(xiàn)象抽象出理論的方法。理論力學(xué)的教學(xué)則建立在更加嚴(yán)格的邏輯基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注如何建立新的模型、新的理論，應(yīng)用新的數(shù)學(xué)工具發(fā)展新的解決問(wèn)題的方法。學(xué)生普遍反映從普物力學(xué)到理論力學(xué)的難度跨度較大，教學(xué)要求一下子提高了很多。教學(xué)中應(yīng)使學(xué)生明確經(jīng)典力學(xué)的基本概念和基本規(guī)律，把培養(yǎng)學(xué)生提出力學(xué)問(wèn)題、分析和解決力學(xué)問(wèn)題的能力放在首位。
2.精講理論，強(qiáng)調(diào)概念，重視習(xí)題課的作用
對(duì)少學(xué)時(shí)的教學(xué)工作來(lái)說(shuō)，一般意味著教學(xué)要求相對(duì)較低，而對(duì)于一般工科專業(yè)來(lái)說(shuō)，理論力學(xué)起著承前啟后的作用，總體要求不能降低。為處理教學(xué)內(nèi)容多與時(shí)間少的矛盾，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，嘗試通過(guò)精講理論，強(qiáng)調(diào)概念，以練促講的方法，取得了較好的效果。
2.1突出重點(diǎn)，精講理論。
在課堂上堅(jiān)持以教師“精講”引路，而學(xué)生則以“多練”來(lái)充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)作用。教師在確保學(xué)生掌握基本概念、基本理論和解決問(wèn)題的前提下，合理精選教學(xué)內(nèi)容，簡(jiǎn)化煩瑣的理論推演過(guò)程，突出對(duì)理論的理解和掌握。如在講授理論公式時(shí)，在給學(xué)生講清楚推導(dǎo)所涉及的原理及數(shù)學(xué)知識(shí)后，直接給出最后結(jié)論，具體的推演過(guò)程留給學(xué)生在課后自學(xué)，既節(jié)約了教學(xué)時(shí)間，又減輕了學(xué)生的聽(tīng)課負(fù)擔(dān)。又如在講授剛體的平面運(yùn)動(dòng)的速度和加速度求解時(shí)，由于學(xué)生已經(jīng)對(duì)剛體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)非常熟悉，所以教師只需將剛體平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系給學(xué)生講清楚，學(xué)生就可以用復(fù)合運(yùn)動(dòng)的相關(guān)定理和定律運(yùn)用數(shù)學(xué)求和的方法得出剛體平面運(yùn)動(dòng)的相關(guān)定理和定律。
2.2強(qiáng)調(diào)概念，舉一反三。
精講的目的是要擠出時(shí)間讓學(xué)生在思考、練習(xí)中理解和掌握基本概念、基本理論，進(jìn)而應(yīng)用相關(guān)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題。
2.2.1利用課后思考題強(qiáng)調(diào)概念
由于學(xué)時(shí)的減少，課堂上許多概念只是突出理解和掌握，學(xué)生一般是知其然而不知其所以然，利用課后的思考題能指導(dǎo)學(xué)生對(duì)本章概念的理解。例如在點(diǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)章節(jié)中，有這樣一個(gè)問(wèn)題：點(diǎn)的速度合成定理==對(duì)牽連運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)都成立，將其兩端對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得 = + ，從而有=+，因而此式對(duì)牽連運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)都應(yīng)該成立。當(dāng)然我們知道上式是不一定成立的，若在動(dòng)系平動(dòng)情況下，上式是滿足的，但在動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下， =+×， =+×。這是由于動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的坐標(biāo)系基矢量方向發(fā)生了改變，在求導(dǎo)過(guò)程中也有了相應(yīng)的附加值，而平動(dòng)則沒(méi)有。通過(guò)這樣的分析就能很好地理解為什么牽連運(yùn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有科氏加速度。
2.2.2利用類比法學(xué)習(xí)概念和公式
理論力學(xué)也像學(xué)習(xí)其它知識(shí)一樣，既要一個(gè)概念一個(gè)概念地理解，一個(gè)規(guī)律一個(gè)規(guī)律地掌握，又要注意綜合對(duì)比，歸納整理。理論力學(xué)中的概念、公式絕大部分都不是孤立的。在理論力學(xué)教學(xué)中要注意綜合對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)他們之間的規(guī)律。例如：將剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)方程、角速度、角加速度和質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、速度、加速度的概念和公式進(jìn)行類比，分析其異同，不但可以加深公式的記憶，而且對(duì)這兩部分內(nèi)容可以有更深入地理解。對(duì)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程進(jìn)行類比，這三個(gè)公式所針對(duì)的研究對(duì)象雖然不同，但這三個(gè)公式是類似的，都建立了描述物體慣性的量，描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的量和描述作用力的量之間的關(guān)系。
2.3重視習(xí)題課的作用。
習(xí)題課是完成理論力學(xué)課程教學(xué)任務(wù)的重要環(huán)節(jié)。該課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生開(kāi)始接觸這些新概念、新公式時(shí)，缺乏具體的指導(dǎo)。再加上沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的大量的習(xí)題訓(xùn)練，學(xué)生很難熟練掌握。上好一堂習(xí)題課有助于在有限的學(xué)時(shí)里最大程度地提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解能力和應(yīng)用能力，將枯燥的知識(shí)和實(shí)際的操作應(yīng)用聯(lián)系在一起。
首先要分析學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)習(xí)狀況，對(duì)癥下藥才能事半功倍，并適度引入案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將生活中一些工程實(shí)例轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型，分析常見(jiàn)橋梁的結(jié)構(gòu)形式，某些機(jī)械設(shè)備中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式等。同時(shí)在習(xí)題課教學(xué)中一定要認(rèn)真研究平時(shí)教學(xué)和學(xué)生作業(yè)中的問(wèn)題，有針對(duì)性地選擇典型例題，引導(dǎo)學(xué)生一題多解，對(duì)照比較。例如很多動(dòng)力學(xué)綜合問(wèn)題的求解就有多種選擇，可用相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基本定律求解，也可用工程中常用的動(dòng)靜法解決，通過(guò)分析對(duì)照，選擇最佳的解題方法。
3.現(xiàn)代教學(xué)手段的合理應(yīng)用
3.1多媒體教學(xué)的合理利用。
多媒體輔助教學(xué)是近年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)教學(xué)模式。它能集影像、圖形、文字、動(dòng)畫、聲效于一體，給學(xué)生營(yíng)造一種全新的、動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)情境，使一些抽象的概念、理論變得直觀，使一些無(wú)法言傳的知識(shí)具體化形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。同時(shí)可節(jié)約大量板書的時(shí)間，讓大量的工程實(shí)例輕松走進(jìn)課堂，增加課堂的信息量，從而加快教學(xué)節(jié)奏，增強(qiáng)教學(xué)效果。但是采用多媒體教學(xué)的過(guò)程中也要注意一些問(wèn)題。教師上課的時(shí)候應(yīng)盡量減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，在保證學(xué)生聽(tīng)清楚、弄明白的基礎(chǔ)上，留出一定的時(shí)間讓學(xué)生記筆記;在教學(xué)過(guò)程要將更多的精力放在教學(xué)的組織和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)反映狀況的監(jiān)控上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生有聽(tīng)不懂的跡象時(shí)，要注意重復(fù)講解;在理論推導(dǎo)及例題和習(xí)題的講解中，盡可能采用黑板教學(xué)，這樣每小步的推導(dǎo)及解答都很詳盡，學(xué)生也有足夠的思考和理解時(shí)間，所以采用多媒體教學(xué)與板書教學(xué)相結(jié)合的手段會(huì)使教學(xué)效果更好。
3.2Maple軟件在教學(xué)中的應(yīng)用。
大學(xué)教學(xué)改革中很多基礎(chǔ)課的課時(shí)都相應(yīng)減少，留給學(xué)生自己的時(shí)間相應(yīng)多起來(lái)，一是該書之特色，二是現(xiàn)今大學(xué)生的計(jì)算機(jī)水平較高，因而在理論力學(xué)的教學(xué)中可以介紹一些相應(yīng)的軟件，例如Maple軟件，在了解力學(xué)基本概念之后，學(xué)生可以利用課余時(shí)間對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件Maple進(jìn)行自學(xué)，使用該軟件建模編程，解決力學(xué)問(wèn)題。這樣可培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)工具，提高學(xué)生包括理論力學(xué)在內(nèi)的科學(xué)思維與動(dòng)手能力，品嘗自己勞動(dòng)成果，從而激起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。昔日，在大量繁雜的理論力學(xué)解題中，只能對(duì)某些特定條件、特定時(shí)間或點(diǎn)作解，而今在Maple協(xié)助下，卻不受那些特定限制，大大地?cái)U(kuò)展了解題范圍。這對(duì)于教師和學(xué)生而言，都是一個(gè)具有刺激性和興奮點(diǎn)的教學(xué)動(dòng)力。
總之，由于理論力學(xué)這門課程對(duì)理工科專業(yè)承前啟后的特殊性，教師應(yīng)該通過(guò)自身的努力，在教學(xué)中充分展示理論力學(xué)自身的特性，盡可能地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在有限的學(xué)時(shí)里更好地提高教學(xué)質(zhì)量。
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