理論力學教學改革與學生能力的培養

李天樂

[摘要] 本文分析了理論力學課程的特點，對課程的內容系統以及教學方法進行改革，培養學生分析和解決現實問題的能力。

[關鍵詞] 理論力學內容體系教學改革能力提升

1.《理論力學》課程的特點

《理論力學》[1,2]是物理類專業的專業基礎課，是物理學專業為《熱力學與統計力學》、《量子力學》等后續課程提供必須的力學知識和相關的基本概念，同時也擔負這培養學生邏輯思維能力、分析實際問題，解決實際問題能力的任務。通過該課程的學習，使學生掌握經典力學的理論要點和精華，即它的完整理論體系和現代的處理方法；在理論、方法、符號系統等方面為學生實現從普通物理到高等物理，從經典力學到近代物理的過渡做準備；使學生掌握必要的數學方法和技巧，受到嚴格而充分的運動高等數學解決物理問題的訓練。該課程的學習效果直接關系到學生后續課程，特別是近代物理相關課程的學習，更重要的是有助于學生科學素質的培養和提升。但是由于理論力學涉及的內容多，范圍廣以及對數學工具的熟練應用，許多學生對理論力學的學習有畏難情緒，學習積極性不高，在學習過程中，不能主動接受新概念、新方法和新思路，特備是分析力學部分，學生的數學基礎薄弱，理解能力較差以及抽象思維能力弱，在學習過程中常常處于被動。為提高學生的分析問題和解決問題的能力，激發學生的學習的興趣，培養學習的積極性和主動性，教學改革，特別是教學內容的改革勢在必行。

2.理論力學內容體系的改革

理論力學的理論體系嚴謹，邏輯性強，課程的內容既經典又完整，不易全面更新。但隨著教學改革的進行和教學觀念的轉變，上課學時的不斷減少，學生用于該課程的學習時間也大為減少，簡單的消減教學內容，只會使該課程的學習陷于困頓，而且，在學習《理論力學》之前，學生已經學過《力學》，嚴格意義上來說，《力學》也屬于經典力學的一部分，內容上的重復造成學生開始學習《理論力學》時，認為只是《力學》的補充和深入，因而在上課過程中，注意力不集中，學習的積極性不高；在學習方法和處理問題的思路上，不能主動接受和應用分析力學中的新概念和新方法，而繼續使用牛頓力學知識來解決問題。考慮到這種情況，只有采取積極的辦法，從課程自身的特點出發，挖掘課程本身的潛力，做到基礎理論要精練、深化，加強分析力學課程的內容，進一步深化理論力學課程建設與改革。在理論力學的教學中，凡是與普通物理學中重復的地方，公式可以用高等數學簡單推導，說明其物理意義，省出的時間用于難點和重點的學習；如：從矢量的矩陣變換，運算及微商講起，過渡到質點力學、質點系力學到拉格朗日力學、中心力、微振動、剛體力學以及哈密頓力學；其中，質點力學、質點系力學可以用較少學時，復習下知識點即可，重點闡述拉格朗日力學之基礎，如約束、虛功原理、達朗貝爾原理以及拉格朗日方程及其在求解具體問題中的應用。在講解理論的過程中，輔之以學生能夠接受的工程中[3]的以及生活中的實例及例題，提升學生的抽象思維能力，加強分析力學的內容，重視兩個自由度系統的力學問題分析，重視系統運動微分方程的建立，以便和后續課程更好接軌，質點力學、和質點系力學只強調基礎理論的深化，突出一類的問題的解決，而不是停留在某個具體問題的解決上。在接下來的中心力以及微振動力學中，嘗試采用經典力學和拉格朗日的分析力學共同進行討論，對比經典力學與分析力學，讓學生有個直觀的體會，慢慢的過渡到分析力學作為解決問題的主要方法上來。這種內容體系優點有：其描述簡潔、精練，既縮短了篇幅又加深了內容，它可以使學生逐漸放棄用普通力學的知識，來理解理論力學的內容。在對比中學習理論力學的新概念和新知識，努力掌握解決問題的新方法和新思路。

3.教學方法的適當改革

3.1開展互動式，啟發式教學

互動式教學[4]，是在教師的引導下，通過學生集體的組織形式由教師提出問題，學生各抒己見，相互討論，相互學習的教學方法；啟發式教學指教師在教學過程中根據教學任務和學習的客觀規律，從學生的實際出發，采用多種方式，以啟發學生的思維為核心，促使他們生動活潑地學習的一種教學。它們由教師一人主講變為由學生、教師共同討論，整個討論過程是師生雙邊活動。互動式、啟發式教學可以改變學生由被動到主動，最大程度地發揮其主觀能動作用，促使學生在課外時間通過其他途徑查閱相關的學習資料，帶著問題聽課，可有效地培養學生獨立思考能力和分析問題解決問題的能力。上好討論課的關鍵是首先選擇好要討論的內容，一般應考慮選題的科學性、趣味性和目的性。為了使課堂討論有的放矢，避免出現起哄、離題或冷場現象，在上討論課之前，先讓同學自學一些相關內容，根據要討論的內容，擬出若干個題目，使學生的發言圍繞這些題目自由發揮。在互動教學中，根據平常對學生的了解情況，因人而異在適當時候給予提問和引導。在討論過程中，教師的發言要富于啟發性、誘導性和綜合性。每次討論能否給學生留下印象，不在于討論的具體形式，而在于是否有幾個有分量的發言能抓住問題的關鍵并深入到問題的實質，有獨特見解給人以啟迪，引起學生較長久的思考，引導學生進行深度思考。

3.2使用多媒體教學手段教學

利用多媒體等現代化手段教學是目前教學改革的一個重要方面，在理論力學中開展多媒體教學有很多優點，生動形象，增加了視覺效果，使學生對一個抽象的理論有了感性的認知，節省了板書時間，加大了課堂信息量，為教師的啟發式教學創造了條件。現代化教學手段和傳統的黑板、粉筆及模型教具并不相互排斥，而是相輔相成，針對不同的章節內容可采用不同的教學手段，有些章節采用板書授課適合，有些章節采用多媒體授課適合。應靈活運用各種傳統的和現代化的教學手段。另外，在多媒體教學手段教學的過程中也應該精練出某些經典視頻素材，必要時可以自己動手做相關演示實驗以及計算機仿真實驗，比如利用Mathematica 、Matlab、Ansys等計算軟件強大的數值計算以及圖形處理技術制作動畫，把枯燥的理論用動畫的形式展現出來，提高學生對理論力學問題的感性認識，激發學生的興趣。

此外，教師還要注意學習和借鑒國內外的精品課程以及開放課程的優點和長處。通過觀摩名校名師的開放課程的授課錄像，了解各個學校在該課程教學過程中的側重點。學習、體會

揣摩課堂教學中相關技巧，并把這些技巧應用到自己日常的教學中去。

3.3提高學生學習的主動性和積極性在反映在教學過程中[4,5]，應該貫徹少而精的原則，精心選擇教學內容，改變過去多而不細的方法，將一些最重要和最基本的概念、理論和分析方法教給學生，并通過必要的基本訓練幫助學生理解和掌握，為發揮其創造性留足時間和空間。教學的重點內容是關鍵所在，教師講解的應是各章節的主干內容，而對一般內容或者比較簡單的章節則可稍加指點，或讓學生帶著問題去自學并將其聯系到主干內容上。當課程講完一章時，應讓學生自己進行小結，將前面所學的內容用一兩條主線串聯起來。理論力學的應用性主要體現在例題和習題的選用上，隨著科技的發展，除了保留一些基本題型外，應該不斷更新，如加一些天文學方面的例題等內容，以顯示經典力學的滲透力。因此在例題和習題的選擇上既要結合專業特點和學生興趣又要體現時代特色，還應注意相關領域的問題。這樣就能使學生將理論力學和自己的專業以及現代科技結合起來，激發學生的學習興趣和熱情。