模型教學在高校工科力學教學中的應用研究

曹小平

【摘要】國家教育改革如火如荼，高校教學改革自然也不例外。力學在高校所有工科中占據較大比重，學生不僅需要掌握必要的基礎知識，更要掌握必要的實際應用能力。傳統高校教學中，學生被迫接受教師傳授的知識，久而久之容易產生厭學情緒，不利于高校教學質量的全面提高。為提高高校工科力學教學效率，必須引入先進的教學方法。在高校工科力學教學過程中，采用模型教學方式，可以激發學生的學習興趣，培養學生的發散性思維，為大學生未來的發展奠定堅實的基礎。本文主要針對高校力學教學中的模型教學方法以及相關的應用內容進行了闡述和分析。

【關鍵詞】力學 高校 模型教學 方法應用

【中圖分類號】G642.4；O3-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）05-0041-03

1.概述

力學課程均具有很強的理論性，但是這些理論終歸要應用在實踐中去。因此，在教學環節中往往會出現“難教好”與“難學好”的一些矛盾。比如，部分涉及較為復雜的力學問題的教學往往事倍功半，學生學習的經常湮沒于大量的符號及公式推演之中。復雜的力學計算和數學推演過程，常常讓學生難以理解，對于在前期專業基礎課學習中投入不夠的學生而言，困難則更大。另外，在講授比較新穎的結構形式的原理時，往往需要實踐性環節的輔助來加深學生的認知。為此， 在三大力學課程教學中引入模型教學法，可有效解決這些矛盾。

所謂模型，是將設計實體按照一定比例經過合理縮小形成的。模型教學是根據認識科學理論及其研究成果，運用系統科學的方法，以模型為主要的教學手段，圍繞模型的演示、認識直到設計的一種教學活動。因此模型能夠比較直觀地表達結構（機構）的組成特點、輪廓形狀、空間序列等等。這種直觀的體驗式的教和學的方式，符合初學者對復雜結構（機構）的認知特點，有利于初學者對相關理論知識的理解和把握。通過真實展示甚至親自動手制作，逐步培養起三維空間感，并且能幫助廣大學生完善在二維空間中所難以發現的不足，實現教學相長。

1.1 力學模型的界定

力學所研究的物體的運動都存在于各種繁雜的運動形態之中，在繁雜的自然運動中包含有很多矛盾，它的運動規律大都非常繁雜，但它必然有主要矛盾或主要的特性。力學研究大都只保留主要矛盾或特性，不考慮次要矛盾或特性來研究實際問題，提煉出實際生活情景所代表事物本質特性的理想過程或物質，這種理想過程或物質就稱為理想化力學模型。

我們不能僅僅把力學模型理解成一種理想化的實體，比如大炮模型、星體模型和人船模型等。理想力學模型也有可能是概念和過程，它們都是從實際生活情景中來又和實際情景有區別，模型主要體現了實際情景中實體、過程、狀態、現象的最重要的特點。

1.2 模型的基本特征

1.2.1 抽象性與形象性的統一

理想力學模型的建立過程具有抽象性，理想力學模型建立的目的在于它的形象性，過程是為目的的，從這一點上看，抽象性是為了形象性的，進而模型的抽象性和形象性是統一的。人們借助力學模型的抽象性很好地理解客觀對象本質，并對客觀對象的本質作出解釋。因此，應從兩方面來看模型的抽象性和形象性，它是辯證統一的。例如，點光源模型的建立過程中，就是忽略了次要、無關的因素，只抓住發光點這一主要因素，在點光源的建立過程中，忽略點光源的體積和形狀，僅僅考慮發光的特點，這一過程就是抽象和形象思維方法的結合運用，體現了抽象性與形象性的辯證統一。

1.2.2 科學性與假定性的統一

力學模型的科學性。一方面體現在力學模型的建立過程必須科學合理。力學模型反映出來的是力學對象的本質特征，其構建過程需要研究者投入大量的抽象思維工作，然后進行科學分析，最后要對研究結果進行高度的概括總結，因此力學模型具有高度的科學性。另一方面，力學模型的科學性體現在它能在一定范圍內對力學現象做出科學合理的解釋，盡管這種解釋可能會被后來的研究者推翻，但是就某一階段來講，它是科學的、正確的。

假定性。為了使得所建立的力學模型直觀、形象、易懂，在建立力學模型的過程中，我們往往只抓住主要矛盾，忽略次要因素的影響，以達到降低模型建立難度的目的。但是那些被我們忽略不管的次要因素，不過是假定的次要因素，只是在某種情境下才成立的次要因素，隨著研究的深入，次要因素有可能會成為主要因素。在不同的情境下，我們需要假定的次要因素也是不同的。因此，我們認為力學模型具有假定性。值得強調的是，力學模型的科學性和假定性是辯證統一的，假定的力學模型必須是科學合理的，科學的力學模型也具有假定性，二者并不相矛盾。

1.2.3 簡潔性與美學性的統一

理想力學模型能把復雜的力學現象簡化，能非常清楚直觀地揭示力學現象的本質，它具有簡潔性與形式美。例如，理想化模型中的理想氣體、不考慮摩擦的斜面模型、不考慮空氣阻力的自由落體運動、不考慮振子大小的彈簧振子等等，都具有簡潔美與形式美。由于力學模型是建立在對現實事物的抽象思維基礎之上的，所有它有豐富的內涵，而人的美學觀點是以抽象的思維為基礎的，因而力學模型的建立過程也融入了內在美的元素。

2.模型教學在高校工科力學教學中的現狀

許多高校在力學教學中曾經使用過部分力學模型，在教學中起到了不錯的效果。但是隨著實驗室的搬遷以及人員的更替，以前的模型已經損毀嚴重或者丟失。眾所周知，力學是具有很強理論性的課程，其中的理論和公式復雜而枯燥，使學生不太容易掌握，教學過程如果不和實際相聯系，教師很難對所有結構（機構）講授得十分清楚。因此，學生也不能快速而清楚地掌握相關的理論知識，久而久之，造成學生失去對力學課程的學習興趣，極大地挫傷學生對力學課程的學習興趣。

針對高校目前力學教學中的現狀，主要是三大力學（理論力學、材料力學和結構力學）（下同）的課堂教學中，由于種種原因，缺乏理論和實踐的有效結合，教師的講授一般僅限于理論知識，對所講授的結構（機構）也僅限于對照課本中的圖形教學講解或者在PPT中的簡單演示，雖然使學生能在一定程度上對結構（機構）進行理解，但難以產生面對面的、很感性的直觀認識。所以學生在學習的過程中處于對理論的抽象理解而缺乏對機構（機構）的清晰地感知和認識，由于對理論和復雜結構（機構）的朦朧的感知和認識，逐漸地會造成學生對力學課程學習興趣的淡化，嚴重地影響了學生對力學課程的系統學習。

現今高校力學教學中，“重知識，輕能力”的現象依然千分嚴重。長期對學生建模能力培養的不重視，是學生構建力學能力低下的主要原因。教師在教學實踐中，很大程度上是進行課本知識的灌輸，如傳授力學定律、力學知識，訓練學生運用這些知識、定律解題的能力，缺乏培養學生構建力學模型的能力的意識。送種教育模式下的學生應試能力固然比較強，但是創新能力、探究能力低下，也缺乏必要的科學人文素養。為了改變這種狀況，需要加深教師對力學模型的理解，充分認識力學模型的重要作用。雖然大部分力學老師都知道“力學模型”這個術語，但是對力學模型的理解仍然停留在實物層面，認為只有質點、單擺、點電荷這樣的研究對象才是力學模型。力學教師應該增加自己的專業知識，建立正確的模型觀。當今力學教師必須認識到，力學模型是力學規律和力學知識建立的根基，利用力學模型也可以解釋力學現象和實驗定律，甚至是對力學前沿問題做出預測。而且，力學模型能夠提高學生學習力學的興趣，培養學生學習的能力，解答力學習題的能力。

3.模型進行在高校工科力學教學中的應用

與傳統的教學方法相比較，在課堂上引入模型教學的方法可以起到更加直觀的教學效果，增強學生學習的興趣。

模型教學法在一些專業，如醫學、機械工程的教學中經常用到，其方法是在課堂講授中利用讓學生看得見、摸得著的實體模型，通過對實體模型的講解分析，來增強學生對于學習對象的認知。有研究者還利用統計學工具，分析了模型教學法的教學效果，并證實了其有效性。在工科力學課程教學環節中引入模型教學法，其優點在于可以通過模型的展示、甚至用比較的方法和學生親手制作完成模型的過程來達到一般教學手段難以顯現的效果。具體體現在以下方面：

其一，通過模型展示和對模型的分析講解，可以在很大程度上活躍課堂氣氛，教師講授各種實際結構形式特征及其優缺點時，方法和方式可以變得更為靈活。

其二，與傳統授課中被動接受的模式相比較，可以讓學生主動親手參與制作各種外觀漂亮、內容豐富的結構模型，能夠增強其掌握知識的信心，大大提高他們的學習熱情。

其三，通過適當的命題，加上學生自己的創意，可以使學生在自行探索中提高結構設計創新能力，更好地理解復雜結構中的力學設計概念。

3.1模型引入及展示

教師提出本節課的學習目標，展示生活中的過程情景，學生討論其力學過程。教師演示隱含相同過程模型的類比實驗，這個實驗是學生以前接觸過的運動，以便激發學生的認知沖突和學習興趣，讓學生知識前后聯系。建構過程模型教學的引入，一般由直觀而典型的運動過程直接切入課題。

實驗演示或動畫模擬物體的運動過程，讓學生口頭描述（尤其是請學生結合動態過程的演示配解說詞）或者讓學生親身體驗運動過程。教師講解運動過程，按照先感性后理性、先定性后定量的規律的講解。有很多物體參與的過程模型，如點的合成運動等等，使學生獲得正確的感性認識是教學的難點，而建構過程模型的產生式規則又是教學的重點，在教學過程中要感性認識和理性認識并重。對于單個物體參與的過程模型，如物體的勻變速直線運動等等，由于物體可視為質點，教與學則簡單得很多。

3.2 引導學生制作模型

力學研究對象較多，同類研究對象中也包含諸多定理和規律，因而學生如何在種類繁多的模型中考慮正確的模型，就顯得尤為重要。在教學中，教師可以講解力學模型建立的常用方法。首先，分析與綜合法是最常用的。由于力學學研究對象都是實際的、復雜的，建模之前需要充分考慮到各種因素、各個環節對于問題的影響，也就是分析，然后把各種要素進行有機結合，幫助學生能夠從整體上對事物本質進行把握，分析是綜合的前提，綜合是分析的結果。其次是比較法。 對力學對象各方面的特征作對比，得出這些特征的異同點，把握主次，然后抽象和概括，再將研究對象的個別的、非本質因素排除，對本質因素進行抽離和考查，最終建立出輪廓清晰、易于研究的新模型。

力學模型中各種模型都有其構建的需要、意義和價值，充分依靠學生，通過建構力學模型引導學生對力學問題進行比較深入的思考，這才算得上是比較理想的力學模型的應用。必須遵循大學生身心發展的規律，從學生的興趣入手，先解決他們對力學建模的意識問題，使其對力學知識產生濃厚的興趣，盡快進入力學模型建立的角色是相當重要的；其次，在和學生一起構建力學模型時，要善于去尋求一定的力學內容方面的資源，達到促進學生對力學建模的全面或整體認識的目的；再次，通過力學建模驅使學生體會力學與生活密切的聯系，達到真正意義上的理解。模型制作能激發學生學習的興趣和熱情，使學生對力學知識的理解變得更加容易且真正提高了學生的動手實踐能力，實現教學相長。

在力學教學中只有強化學生的模型意識，才能幫助學生領會力學問題的研究方法，為建立和運用模型解決實際力學問題打下基礎。首先，教師幫助學生弄清楚模型的內涵，在學習一個新模型時，教師要清楚地知道它所針對的現象，研究的問題，突出的主要因素以及忽略的次要因素，以期將這些全部發掘出來，為學生建模打下基礎。

3.3 在幽默問題情境下進行力學課程教學

力學知識若過于枯燥，學生常常出現不自覺開小差的現象。這時，很多教師會采取強制性手段抑制高校生的這種行為，久而久之高校生會逐漸對學習形成排斥心理。因此，教師應該通過有效的教學方法吸引學生的注意力，培養學生對力學的學習興趣。大學生具有強烈的好奇心，對新鮮事物都很感興趣。沉悶單調的課堂教學會讓學生產生倦意，而在模型教學中加入一些書本中沒有的有趣的內容，會讓學生覺得很有新鮮感。比如，老師可以利用幽默有趣的問題，降低學生在課堂上的疲勞度，構建歡快愉悅的教學環境。這樣，不僅有利于教師與學生的溝通交流，還能尊重學生的主體地位，加強學生在課堂上的存在感。

4.模型教學的重要意義

4.1 模型教學為課程改革的發展提供了借鑒意義

教育改革面向的對象不僅僅是力學這一學科，在其他專業或是學科中也同樣在進行改革，教育改革的全面發展是推動教學質量的有效手段。只有進行不斷的改革創新，才能夠迎來新的發展。教育工作者只有不斷地致力于教學方式的探索，進行有效的改革才能夠達到最終的教學目的。改革首先要考慮的就是學生的發展需求，要根據學生的實際情況，在課程設置上進行改革和創新，結合大量的教學實踐和經驗，在教學的理念和方式上不斷地進行創新。模型教學的應用對課程改革的發展有了全新的啟示，提高學生課堂參與程度的教學方式對于整體的教學效果有著重要的影響，所以說在今后的課程改革中將改革的重點內容放在提高學生積極性的方面，模型教學對力學教學的新課程改革有著借鑒意義。一方面，模型教學的應用，可以取得良好的教學效果，能夠促進教育改革的發展，提高人們的重視程度；另一方面，模型教學的方式還可以引入到其他學科的教學中去，促進教育改革的全面發展。

4.2 模型教學能夠有效地提升力學教學的教學質量

教學效果的好壞在一定程度上是取決于教學方法的，教育工作者之所以在不斷地進行教學方式的探索和研究，就是為了能夠以全新的形式來吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，進而有效地提升教學的質量。力學作為高校工科的重要課程之一，采用具有創新性的模型教學形式，能夠在一定程度上吸引學生的注意力。在傳統教學中，課堂教學的主體一般都是教師，學生處于一種被動的聽講狀態，學生的課堂參與積極程度不高，整個課堂教學的氣氛顯得沉悶枯燥。學生只是在進行機械地學習，教師也只是通過講課的方式來灌輸知識，這樣的教學方式很難讓學生參與到教學的各個環節當中去，學生逐漸會對力學學習失去興趣，甚至產生厭倦的心理，這嚴重地阻礙了學生創造性思維的發展以及力學學習能力的提升。采用模型教學的方式，教師可以保留課堂講解的形式，只是要留出一定的時間來進行模型的展示，通過構建力學模型的方式，教師能夠為學生進行更加直觀的展示，通過力學模型的構建，學生能夠體會到力學學習的樂趣，能夠有效地提升學生的參與程度，提高學習的積極性，再加上教師的適當鼓勵，學生能夠積極地發表自己的意見和想法。

4.3 模型教學貫徹落實了新課程改革的需要

新課程改革的推進，對高校力學教學有了更嚴格的要求，在教學的內容以及形式上要進行全面的改革。教育工作者也在不斷地進行創新和改革，爭取讓學生成為教學的主體，提高學生的課堂參與程度，在課堂教學中，提升學生的學習積極性，讓學生能夠在力學學習中獲得樂趣。模型教學的形式能夠使抽象的力學知識更加形象化，在教學的過程中以全新的形式帶給學生不一樣的學習體驗，讓學生能夠充分地發揮自身的主觀能動性，在力學教學中有效地培養學生思維能力的發展。這樣的教學效果正是教育改革的要求，模型教學的方式能夠達到這樣的教學效果，所以說，模型教學有效地貫徹和落實了新課程改革的需要。

5.結論

綜上所述，力學對于學生來說，通常是比較難以掌握的。學生對純理論性知識的學習不僅理解起來捉襟見肘，而且對力學習興趣低迷。如果在教學中有目的地引入模型教學，那么對培養學生的力學習興趣以及科學思維能力，自主創新能力，必然大有裨益。模型教學這一創新式的教學方式對高校力學教學有著重要的意義，將這一教學方式運用到教學過程中，能夠有效地提升學生的課堂參與程度，提高學習的積極性，提升學習的效率，同時有效地促進教育改革的發展。

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