建立基礎力學課程自學資源網的探索

文華斌，付 磊，張應遷，李 良，羅云蓉

建立基礎力學課程自學資源網的探索

文華斌，付 磊，張應遷，李 良，羅云蓉

隨著一些新學科課程被逐漸引入到大學課堂，基礎力學等老學科課程的學時做出了壓縮的調整。如此一來，力學課程課外學習環節就顯得愈加重要了。在當前學生的學習條件和課外學習特點基礎上，構建基礎力學課程自學資源網，對學生的課外學習進行引導和輔助，以期提高力學教學的效果。

基礎力學；課外學習；自學資源網；力學教學

文華斌，付磊，張應遷，李良，羅云蓉/四川理工學院機械工程學院講師(四川自貢643000)。

基礎力學（理論力學、材料力學及工程力學）課程是高等工程類專業的技術基礎課程。我國基礎力學課程體系是在20世紀50年代引用蘇聯模式的基礎上建立起來的，注重系統性和理論性，為我國工業的發展奠定了夯實的力學理論基礎。隨著社會科學的發展，各高校將一些新學科課程逐漸引入到大學課堂，而對于基礎力學等老學科課程，則進行了學時不斷壓縮的調整，但是講授的內容并未減少，對學生的要求也并未降低。對于基礎力學課程的學習，僅靠課堂時間學習就更加不夠了。很多力學教育工作者都對學生提出了2倍于課堂時間以上的自學時間的要求，可以說，課外學習是學習力學課程非常重要的一個環節，課外投入精力的多少和學習效率的高低在很大程度上決定了學生的成績。然而，教師對課外學習環節的掌控力度非常小，往往是通過課后作業布置及口頭要求來督促學生進行課外學習，使得學生的課外學習方式就是“看書、做作業”，學習效果極不理想。目前課外學習呈“放任自流”的狀態，效果則完全取決于學生的學習態度。

基于以上考慮，筆者所在教學團隊擬借助當前發達的網絡技術，建立基礎力學課程自學資源網來引導、輔助學生進行力學課程的課外學習，提高學生的學習效率及力學成績。根據目前的教學成果累積和學生課外學習特點，擬從以下幾個方面來建設某一科基礎力學課程的自學資源網。

一、引入力學史知識，厚重化力學知識點

力學是最早開始的一門學科，其發展有著悠久的歷史。古希臘時期，力學附屬于自然哲學，后來成為物理學的一個分支。17世紀后期，隨著牛頓三大定律的提出，力學開始形成為一門獨立的學科。經過數百年的發展，力學已經建立了比較完整的體系。在建國初期，我國更是將力學列為自然學科的7大基礎學科之一。

力學數百年的發展歷程凝聚了無數學者的研究成果，其中不乏成果卓越的力學巨星，如牛頓、伽利略、歐拉等。這些學者中，或數位學者牽連于一個成果，或一位學者聯系于數個成果。他們的研究工作推動了力學學科的發展，成為力學史的主體。然而，力學發展不是一帆風順的，時常伴隨著一些慘痛的教訓，如加拿大魁北克大橋坍塌、土耳其DC－10飛機失事、美國堪薩斯城飯店倒塌等。這些歷史事件發生的原因多為當時對某些力學問題研究的不足。由于事件的發生而突出了這些問題的存在，吸引學者們積極參與研究，從而推動力學的發展。

這些歷史人物及事跡和歷史工程案例匯聚成了一部恢弘的力學史。將力學史知識融入到力學教學中，可使力學課程具有一定的吸引力，學生學習也更容易理解和掌握。目前，很多力學教育工作者都提出了將力學史融入到力學教學中的建議，并做了大量的教改研究工作。力學史知識量豐富，融入到有限的課堂時間內是非常困難的，而將其融入到課外學習中，則可打破時間的限制，可以讓學生進行大量的力學史料閱讀，細細品味力學的發展歷程。

綜合考慮文獻[1]對力學史料的分類，在力學自學資源網中，對搜集的力學史料分類整理為人物篇和工程案例篇兩部分。（1）人物篇部分，按照時間順序搜集整理對力學發展有所貢獻的學者的研究成果及事跡。學生可以先易后難地接觸到力學問題，按照力學發展歷程來了解、熟悉力學學科。在閱讀史料過程中，學生可以了解到力學各知識點的研究、發展、成熟過程，從而更加深刻的理解和掌握此知識點。例如對于懸臂梁橫截面應力分布問題[2]，從伽利略（Galilei Galileo,1564～1642）在 1638 年出版的 《關于兩門新科學對話》中開始探討，到納維（Navier,claude-Louis-Marie-Henri,1785～1836）1826 年在出版 《力學在機械與結構方面的應用》中確定梁的中性層，經歷了近200年的時間。 期間凝聚了馬略特 （E.Mariotte,1620～1684）、 胡克(Robert Hooke,1635～1703)、瓦利農（Pierre Varignon,1654～1722,法國）、伯努利（Jacob Bernoulli,1654～1705）、帕朗（Parent Antoine,1666～1716）等學者的貢獻。看似簡單的一個懸臂梁橫截面應力分布問題，擴展到200年的時域上，并聯系諸多學者的研究歷程，增加了此知識點的厚重性，非常有助學生的學習。（2）工程案例篇，按照時間順序搜集整理世界范圍內的著名歷史事件，通過事件發生的力學原因將課本理論與實踐結合起來，突出知識點重要性，培養學生的學習興趣及嚴謹態度。例如，1907年在加拿大發生的正在興建中的魁北克大橋（Quebec Bridge）垮塌事件。魁北克大橋垮塌被Engineering news稱為“有史以來的最大工程災難”，也被認為是懸臂結構的最大災難，還被評為20世紀10大工程技術悲劇之首。經調查，事故是由于南懸臂跨的一下弦桿受壓失穩引起的，而弦桿受壓失穩是由于自重估計過低所致 （事后計算實際自重超出估算自重20%，而不是原先以為的7%至10%）[3]。魁北克大橋垮塌事件作為壓桿穩定理論的工程應用背景，可增強學生理論聯系實際的意識。同時，此次事件的慘痛教訓足可引起學生對壓桿穩定理論的重視，進而培養學生嚴謹的學習態度。

二、教改成果輔助教學

數十年來，力學教育工作者就力學教育改革發表了大量教改論文。一部分教改論文是圍繞某個知識點的講解來寫的，可以將這一部分教改論文收集起來，分門別類地歸結到各知識點下，作為學生學習該知識點的輔導材料。“橫看成嶺側成峰”，單從一個角度去學習某知識點，很難一窺全貌。如果從各個角度、不同深度去學習該知識點，則容易獲得非常全面、深入的理解。例如，就如何作內力圖，我國力學教育工作者發表了大量的教改論文，提出了大量的內力圖畫法。如文獻[4]提出通過梁的受力圖直接畫內力圖的直接畫法；文獻[5]介紹了一種較為簡捷的方法求解指定截面的內力，進而根據內力圖的某些特征快速畫出內力圖；文獻[6]利用 q(x)、Q(x)、M(x)三者之間的積分關系，將控制截面內力的計算方法轉換成簡單的幾何圖形面積的計算，進而進行內力圖的繪制，并稱之為面積法。此類論文可以培養學生快速、準確作出內力圖的能力。文獻[7]介紹了一種適用于任意平面桿系結構（鋼架、桁架、排架、組合結構等）的程序化作圖法，并可擴展到任意空間桿系結構問題；文獻[8]利用Excel軟件完成了三鉸拱繁瑣的內力計算，并準確、快速的繪制其內力圖；文獻[9]利用三維圖形的矩陣變換原理，將單元內力和位移繪圖數據進行伸縮、旋轉和平移變換，在Matlab中實現了空間剛架內力圖和位移圖的繪制。此類文獻可以指引一些學有余力的學生更高層次的學習。通過這些文獻的補充學習，將大大提高學生對內力圖畫法的掌握的程度。

教改論文成果作為學習輔助材料，可提高學生學習的廣度和深度，有效提高學生的學習效果。同時力學工作者的教改成果也在教學中真正發揮了作用，而不只是停留在期刊雜志上。

三、建立多層次、多樣化在線試題庫

基礎力學課程具有聽課容易,做題困難的特點，需要學生在課后花足夠多的時間進行習題練習才能真正掌握。很多同學都沒有通過作業訓練這一關，使得力學成績不盡人意。經調查，目前學生在完成作業過程中具有以下一些特點：（1）做題時精力不集中、懶散，一個題目耗費過多時間，反致其更加厭惡力學課程而逐漸放棄；（2）將作業作為獲得平時成績的手段，并非作為自我學習的過程，以致抄襲作業來獲得好的平時成績；（3）作業沒有時間限定，可隨意翻閱參考資料，以致學生根本無法了解自身的學習情況，常出現考試成績與平時表現不一致的現象。基于學生作業時的這些情況，擬改變力學作業方式，即建立在線試題庫來改善學生課后作業練習環節的效果。試題需要在設定的時間內完成，促使學生集中精力學習。試題庫生成試卷時，同時給出試題標準答案，用分數來調動學生做題的興趣和評判學生的學習情況，迫使分數低的同學主動增加學習時間。

根據不同程度學生的需求，不同學習目的的需求，在線試題庫可分為課程基本要求試題、研究生升學試題、省力學競賽試題和全國力學競賽試題四個層次試題。通過試題難度系數來控制試題的不同層次，比如難度系數8為課程基本要求試題，難度系數7為研究生升學試題，難度系數4為省力學競賽試題，難度系數2為全國力學競賽試題。學生根據自己學習目標來選擇不同層次的試題，根據分數來調整自己的學習計劃，做到“知己知彼”。

根據學生學習進度及學習時間，試題庫應多樣化，適應不同的情況。在出卷范圍上結合學生學習進度，比如理論力學就可以分為靜力學、運動學、動力學及綜合四個部分。學生可以根據需要選其中一部分出題，或選幾個部分來出題。在出卷題量上可設定多個時間的題量標準，比如30分鐘，60分鐘和120分鐘的標準，學生可以根據自己的時間安排來選擇題量標準，有效提高題庫使用頻率。

課外學習環節是力學課程學習非常重要的一個環節，決定了學生的力學成績。力學教學應該從課堂教學擴展到課外教學中去，在較多的課外時間內充分調動學生的學習主動性，提高課外學習效果。課外教學可通過網絡來實現，內容上提出了引入力學史知識、力學教改成果輔助學習和建立在線試題庫等建議，以期能解決力學內容多而課時少的問題，提高力學教學質量。

：

[1]王振東.力學史雜談（序）[J].力學與實踐,2009,31:108,24

[2]武際可,說梁.力學史札記之十九[J].力學與實踐,2008,30(6):106～109

[3]李著,王景,西奧多·庫珀.魁北克大橋失事記[J].工程力學,1997,14(4):139～144

[4]王祖國,靜定梁.內力圖的直接畫法[J].職教論壇,2002,(20):58～59

[5]沈忠.如何快速畫出桿件軸向拉壓和扭轉時的內力圖[J].高等工程教育研究,1999,(2):89～90

[6]鄒珊.繪制受彎構件內力圖的快捷方法——面積法[J].天津農學院學報,2009,16(3):32～35,55

[7]陶傳遷,徐學燕,于琳琳.桿系結構內力圖的程序化作圖方法及應用[J].力學與實踐,2011,33(4):70～72

[8]夏健明.用Excel繪制三鉸拱的內力圖[J].力學與實踐,2010,32(4):104～106

[9]丁星.基于矩陣變換的空間剛架內力圖和位移圖繪制[J].力學與實踐,2010,32(2):128～132

G642

A

1671-6531(2013)18-0105-01

四川理工學院校級教改項目（2012CL10）；四川理工學院校級教改項目（JG-1013）

責任編輯:姚 旺