力學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革

摘要：我校的理論力學(xué)為國(guó)家級(jí)精品課程，經(jīng)過(guò)十幾年的建設(shè)，已經(jīng)形成了較為完整的課程體系和現(xiàn)代化教學(xué)體系。本文主要介紹我校理論力學(xué)課程的教學(xué)改革，為國(guó)內(nèi)從事相關(guān)課程教學(xué)的教師提供參考。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)；教學(xué)改革；課程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）22-0031-02

一、引言

理論力學(xué)是工科專業(yè)大學(xué)生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，它的基本任務(wù)是在學(xué)生已有的中學(xué)力學(xué)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生具有對(duì)工程對(duì)象正確建立力學(xué)模型的能力，具備對(duì)這些力學(xué)模型進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的能力，具備利用理論力學(xué)的基本概念判斷分析結(jié)果正確與否的能力。我校的理論力學(xué)是一門面向全校開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)課程，授課采用兩本教材，一本是洪嘉振教授等編著的《理論力學(xué)》，該教材從矢量力學(xué)出發(fā)對(duì)概念進(jìn)行闡述，授課對(duì)象為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生；另一門教材為劉延柱教授編著的《理論力學(xué)》，該教材從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)出發(fā)進(jìn)行描述，授課對(duì)象為船舶工程、環(huán)境、土木等專業(yè)學(xué)生。我校的理論力學(xué)于2003年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程，經(jīng)過(guò)十余年的建設(shè)，已經(jīng)形成較為完整的課程和教學(xué)體系。以下以機(jī)械類專業(yè)的理論力學(xué)為對(duì)象，介紹課程的教學(xué)體系與改革內(nèi)容。

二、教學(xué)體系與改革

1.教學(xué)內(nèi)容安排。本科生理論力學(xué)研究的對(duì)象為剛體，主要講述平面問(wèn)題，授課內(nèi)容包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)三部分。我校機(jī)械類專業(yè)的理論力學(xué)授課學(xué)時(shí)為81學(xué)時(shí)，課程于大二上開(kāi)設(shè)，學(xué)生人數(shù)500多人，由4～5名教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。課程內(nèi)容安排為：緒論2學(xué)時(shí)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)5學(xué)時(shí)，靜力學(xué)12學(xué)時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)14學(xué)時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算機(jī)輔助分析8學(xué)時(shí)，矢量動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)10學(xué)時(shí)，剛體動(dòng)力學(xué)8學(xué)時(shí)，分析力學(xué)14學(xué)時(shí)，動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)輔助分析8學(xué)時(shí)。教學(xué)所用教材是從矢量力學(xué)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述的，因此在正式進(jìn)行理論力學(xué)教學(xué)內(nèi)容前，安排了5學(xué)時(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)授課，介紹教材中所需用到的數(shù)學(xué)知識(shí)，并且統(tǒng)一符號(hào)表達(dá)。目前大型工程軟件在實(shí)際工程中得到了大量使用，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的主要手段之一。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)輔助分析內(nèi)容的教學(xué)目的就是為了與大型工程軟件應(yīng)用相接軌，讓學(xué)生了解和掌握工程應(yīng)用軟件的理論構(gòu)架和計(jì)算方法。理論力學(xué)中，靜力學(xué)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，難點(diǎn)在于摩擦平衡問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)學(xué)主要包含定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)的速度和加速度分析，其中動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題是難點(diǎn)。動(dòng)力學(xué)中，碰撞問(wèn)題需要用到動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理的積分形式，拉格朗日第二類方程涉及到動(dòng)能定理的內(nèi)容，因此動(dòng)力學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)是碰撞問(wèn)題、達(dá)朗貝爾原理、虛位移原理、拉格朗日第一類方程和第二類方程。課程安排有期中和期末考試，不占教學(xué)學(xué)時(shí)。期中考試內(nèi)容為靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)，期末只考試動(dòng)力學(xué)。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)內(nèi)容中需要用到靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，例如采用達(dá)朗貝爾原理解題時(shí)需要用到靜力平衡和運(yùn)動(dòng)學(xué)中的加速度分析等，因此期末考試事實(shí)上是對(duì)理論力學(xué)所有知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試。

2.多媒體技術(shù)應(yīng)用。目前多媒體技術(shù)已經(jīng)在高校的授課中得到了大量使用。使用電子教案后，教師可以有更多的時(shí)間開(kāi)展課堂討論，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，從而提高教學(xué)效率。要達(dá)到此目的，教師應(yīng)在電子教案的制作上和內(nèi)容安排上做足功夫。以往板書教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以有充分的時(shí)間理解和消化教學(xué)內(nèi)容，有充足的時(shí)間做筆記，課后復(fù)習(xí)時(shí)對(duì)課堂內(nèi)容的印象也較深。電子教案很容易使得教師講課內(nèi)容快和產(chǎn)生“走馬觀花”現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生來(lái)不及消化課堂內(nèi)容。因此，電子教案的使用應(yīng)當(dāng)注意如下問(wèn)題：一是電子教案的內(nèi)容安排上應(yīng)當(dāng)盡可能地接近板書形式，前后內(nèi)容進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，便于學(xué)生理解；二是進(jìn)行電子教案和板書相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)，關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)應(yīng)該利用板書進(jìn)行輔助；三是教師應(yīng)當(dāng)掌握好講課速度和授課技巧，不斷進(jìn)行課堂師生互動(dòng)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握程度。要取得好的講課效果，任課教師應(yīng)當(dāng)不斷磨煉和提高個(gè)人授課技巧，提高電子教案的實(shí)用性，注重課堂教學(xué)中學(xué)生的參與度，只有這樣才能真正達(dá)到理論教學(xué)與現(xiàn)代化教學(xué)手段相結(jié)合的目的。我校的理論力學(xué)電子教案多年來(lái)根據(jù)使用情況和學(xué)生的反饋不斷得到完善。為了給學(xué)生一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)，電子教案中針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)開(kāi)發(fā)有大量的動(dòng)畫顯示，這在豐富教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，也大大提高了教學(xué)效果。另外在教學(xué)中，針對(duì)航空航天和機(jī)械等系統(tǒng)，穿插了一些科研介紹，以提高學(xué)生的科研興趣。多年的教學(xué)實(shí)踐顯示出，該電子教案在精簡(jiǎn)授課學(xué)時(shí)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果等方面取得了良好實(shí)效，能夠取得很好的教學(xué)效果。開(kāi)發(fā)電子教案的另一個(gè)目的，是可以為兄弟院校提供教學(xué)參考。

3.計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算基礎(chǔ)與應(yīng)用。以往的理論力學(xué)課程較少涉及計(jì)算機(jī)輔助分析的內(nèi)容。對(duì)于實(shí)際工程系統(tǒng)，目前計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的主要手段之一，而且已經(jīng)開(kāi)發(fā)有成熟的大型工程應(yīng)用軟件，這些軟件是基于力學(xué)的基本原理進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。為了提高學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和面向21世紀(jì)的高素質(zhì)人才培養(yǎng)，我校的理論力學(xué)在課程教學(xué)中引入了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助分析內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了《理論力學(xué)求解器》軟件（在紙質(zhì)教材中附有光盤），并且分別在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助分析理論教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，安排學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，進(jìn)一步理會(huì)理論力學(xué)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，這樣一方面可以讓學(xué)生對(duì)大型工程軟件的構(gòu)造和計(jì)算方法等有一定的認(rèn)識(shí)，領(lǐng)悟掌握好理論力學(xué)知識(shí)的重要性，另一方面可以為學(xué)生今后的工程服務(wù)打下基礎(chǔ)。采用以上教學(xué)改革措施，可以達(dá)到理論教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用軟件相結(jié)合的目的。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我校的理論力學(xué)課程安排有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、振動(dòng)、、綜合演示等實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以按學(xué)號(hào)登陸“工程力學(xué)教學(xué)基地”網(wǎng)站（http：//em.sjtu.edu.cn），網(wǎng)上察看選課辦法和實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)利用業(yè)余時(shí)間獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，并且提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)由工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心教師承擔(dān)，不占理論力學(xué)的教學(xué)學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)作為理論力學(xué)教學(xué)的輔助功能可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，以達(dá)到理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的目的。近年來(lái)，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心對(duì)大量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更新和改造，充分應(yīng)用新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和結(jié)合工程實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出了一批綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，為提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力提供了條件，詳見(jiàn)以上的教學(xué)基地網(wǎng)站。

5.課程網(wǎng)站。我校的理論力學(xué)建設(shè)有課程網(wǎng)站（http：//tm.sjtu.edu.cn），該網(wǎng)站充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)和多媒體先進(jìn)的表現(xiàn)手段，營(yíng)造一種在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下自主、完整、系統(tǒng)學(xué)習(xí)理論力學(xué)的環(huán)境。課程網(wǎng)站是一個(gè)教師、助教、學(xué)生共同參與的助學(xué)平臺(tái)。通過(guò)課程網(wǎng)站的討論區(qū)和留言區(qū)，教師還可以收集校內(nèi)外的反饋信息，作為進(jìn)一步完善課程建設(shè)的參考。

三、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期和艱巨的任務(wù)，一門課程的體系與教學(xué)內(nèi)容的完善需要在教學(xué)實(shí)踐中反復(fù)錘煉，應(yīng)根據(jù)科技的發(fā)展去除陳舊內(nèi)容、補(bǔ)充新知識(shí)。理論力學(xué)是一門工科專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課程，它是工程技術(shù)的主要基礎(chǔ)之一，對(duì)于機(jī)械和航空航天等專業(yè)尤為重要。在面對(duì)新世紀(jì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求下，理論力學(xué)課程應(yīng)當(dāng)順應(yīng)科技的發(fā)展，不斷在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的整合，為培養(yǎng)合格的創(chuàng)新性工程技術(shù)人才做出貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：蔡國(guó)平，男，上海交通大學(xué)工程力學(xué)系，博士，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制。