機械類專業(yè)理論力學教學過程探討

曹麗娜 李凌飛 張鳳 劉凡

摘 要 理論力學作為一門技術(shù)基礎課，是機械類專業(yè)學生的主干課程之一，其理論體系和思維方式嚴密，系統(tǒng)性強，學生學習難度相對較大。立足機械類專業(yè)發(fā)展需要和提高力學課程教學質(zhì)量，針對教學中出現(xiàn)的問題，從教學內(nèi)容、教學手段和聯(lián)系工程實際方面對教學過程進行探索，以期培養(yǎng)學生的創(chuàng)新開拓能力，實現(xiàn)教學相長。

關(guān)鍵詞 理論力學；機械類專業(yè)；研究型人才

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）04-0106-03

Abstract As is a technological basic course，theoretical mechanics is one of the main courses of mechanical speciality. It is difficult for students to study theoretical mechanics because of its tight theore-tical system and thinking mode. And there are some problems during teaching and learning. Keeping a foothold of development needs of mechanical speciality and improving teaching quality， teaching pro-cess has been exploring，such as teaching contents， teaching means and integrating with engineering practice. Thus this can benefit both learning and teaching.

Key words theoretical mechanics； machinery majors； research-based

talents

1 前言

理論力學是一門工科技術(shù)基礎課，研究力學中最普遍、最基本的規(guī)律。它是材料力學、結(jié)構(gòu)力學、機械原理、機械設計等后續(xù)課程的重要基礎，也是學生構(gòu)建工程概念、解決工程實際問題的根本所在。其理論體系和思維方式嚴密，系統(tǒng)性強，題目類型多樣，解題方法較為靈活。

為了適應普通高等學校教學改革的需要以及提高大學生的全面素質(zhì)，學校將機械類專業(yè)作為學科基礎課的理論力學課時縮減到60學時。在這種形勢下，教學過程中明顯存在一些問題。如果單純顧及理論力學知識體系的完整性而在知識講授上面面俱到，全堂單方向注入，容易忽略學生創(chuàng)新思維和研究、開拓能力的培養(yǎng)；同時，由于學時的局限性，課上與學生的交流溝通與互動很少，不利于激發(fā)學生學習的積極性與主動性。所以，考慮到機械類專業(yè)發(fā)展的需要，調(diào)整教學內(nèi)容、教學手段，并且注重理論聯(lián)系實際，希望提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)出高素質(zhì)的研究型人才。

2 理論力學教學過程中的主要問題

理論力學與大學物理中普通力學的區(qū)別 大學物理中的普通力學主要利用實驗總結(jié)出物體機械運動的規(guī)律，偏重于物理概念和基本定律、定理的建立，培養(yǎng)學生初步運用科學思維的能力[1]。理論力學則在普通力學基礎上，以高等數(shù)學為工具，全面系統(tǒng)地闡述機械運動的基本概念和基本規(guī)律，使學生對力學的基本內(nèi)容有較完整認識，可以提高學生分析問題的能力、發(fā)展抽象思維、開發(fā)學生的智力。

雖然理論力學在內(nèi)容上與大學物理中的普通力學甚至高中物理有部分重復，但是理論力學是研究物體運動及物體間相互作用的一般規(guī)律的科學，是對普通物理中力學部分的延續(xù)和加深。正是由于這部分的重復，學生在學習過程中很容易忽略基本概念和公式的數(shù)學邏輯推理和演繹。如高中物理中有過關(guān)于勻速圓周運動的物體的速度和加速度的公式，學生對這塊知識爛熟于心；于是在運動學一篇

中，講到繞定軸轉(zhuǎn)動剛體上除轉(zhuǎn)軸之外的任意一個質(zhì)點都做圓周運動，而不一定是勻速圓周運動時，學生注意力容易不集中，對新的知識點思考深度不夠，認為自己已經(jīng)學過，達到了掌握的程度。而事實并非真的如此。

二維問題和三維問題的偏重 根據(jù)機械類專業(yè)學生培養(yǎng)目標、教學大綱的要求、內(nèi)容安排和學校機械類專業(yè)學生的學習能力，同時結(jié)合理論力學的課時數(shù)，教材選用哈工大編的《理論力學》（第7版）[2]。此教材為“十一五”國家級規(guī)劃教材，曾經(jīng)獲得國家級優(yōu)秀教材獎，其體系和風格成熟、理論嚴謹、邏輯性強。但是，除了靜力學篇空間力系和運動學篇少部分習題以三維空間問題形式出現(xiàn)，幾乎都是對二維問題的討論。

聯(lián)系工程實際很少 理論力學作為一門基礎課，在重視理論的系統(tǒng)性、科學性和嚴密性的同時，其技術(shù)基礎課的特點沒有凸顯出來。在教學中，讓學生接觸的工程構(gòu)件就是桿、輪和滑塊的組合，缺乏相應工程背景的簡明介紹，以致學生的學習沒有明確目標，難以理解學習的目的和意義。

考核方式單一 期末考試一般采用一紙定成績的傳統(tǒng)考核方式。試題雖然關(guān)注所講授知識的覆蓋面，也兼顧試題的難易程度，并且注重試題的效度，但是題目設置基本上是習題和例題的類型，無法真正考核出學生在學習理論力學過程中綜合素質(zhì)的提高程度，反而使學生對該門課程充滿畏懼，學習興趣較低，考核效果不盡如人意。

3 理論力學教學的改進

合理安排教學內(nèi)容 鑒于理論力學與大學物理中的普通力學的知識點有重復，立足專業(yè)發(fā)展，對簡單和熟悉的問題簡明扼要地一帶而過。如在靜力學篇中，以物體受力分析畫受力圖、平面任意力系的簡化以及力系的平衡方程求解這兩個重點內(nèi)容為主線，對力偶及其性質(zhì)、空間力對軸之矩等新的知識點進行細講，在此基礎上，將平面任意力系過渡到空間任意力系，得到空間任意力系簡化和平衡。這樣的安排既保證知識的系統(tǒng)性，又做到溫故而知新。再如，機械原理中的四大機構(gòu)即四連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、間歇機構(gòu)和凸輪機構(gòu)（反轉(zhuǎn)法）的運動分析，對相對運動的概念和參考系的選取有較高要求。在運動學授課中，專門安排一次習題課來講解動點、動系的選取（包括常規(guī)選取和反選）及相對運動或相對軌跡的確定；課下，給學有余力的學生留一道題，讓其將分析結(jié)果詳細撰寫出來，從而深刻體會這部分知識，為后續(xù)課程的學習夯實基礎。

此外，考慮到有的學生在修完本科課程后計劃報考研究生，而考研題體現(xiàn)綜合性與趣味性，題目難度適中；同時，基于例題力求用較少的題量、較低的難度覆蓋較多的知識點的初衷，于是將某些高校考研題目中的選擇題和填空題轉(zhuǎn)化為小型計算題，讓學生在課堂上思考并計算，在規(guī)定的10分鐘左右交回。這些題作為教材例題的補充，經(jīng)筆者觀察，學生興趣較高，雖然并不能盡善盡美地完成，卻真實地反映了他們對基礎知識和基本理論的掌握程度。經(jīng)過這樣的練習，也可以提高學生綜合運用知識的基本技能。

同時，鼓勵學生參加全國周培源力學競賽，競賽題目讓一部分學生感到耳目一新。試題均與簡單的故事或生活現(xiàn)象相聯(lián)系，篇幅較長，學生需要較快且準確地從題目的描述中提煉并轉(zhuǎn)化為力學問題（實際的力學問題也都是來自各種工程或生活實際中），進而利用力學原理來進行求解。這樣的題目設置綜合性強，也不失趣味性。

這樣安排教學內(nèi)容，基于機械類專業(yè)發(fā)展，立足基本知識和基本技能，有利于提高學生的學習熱情及分析和解決問題的能力。

有效改進教學手段 一部教科書、一支粉筆和一塊黑板的傳統(tǒng)教學手段非常適合重點、難點內(nèi)容的精講和細講。一次好課，通過啟發(fā)與講授，循序漸進，將重點和難點講透，講到點子上，講到要害處，不僅能夠使學生抓住問題的本質(zhì)、得到要領(lǐng)，而且能夠引發(fā)學生進一步思考和聯(lián)想，從而提高學生的創(chuàng)新思維能力[3]。但是，教師必須在黑板上畫出數(shù)量不少的示意圖，這樣容易浪費寶貴的課堂時間，同時示意圖的精確性也受到教師制圖水平的制約。

在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代化教學手段應運而生。教師可以將一些板書難以表達、學生難以理解和接受的復雜和抽象的內(nèi)容通過可視化結(jié)果或視頻演示。這樣，教師不僅在有限的時間內(nèi)傳達了較多的信息，提高了課堂的教學效率，而且激發(fā)了學生學習的熱情。如點的合成運動是理論力學的難點和重點內(nèi)容，相對軌跡的確認、動點和動系的選擇是困擾學生的問題，通過動畫演示，圖文并茂、簡潔生動、提綱挈領(lǐng)。然而，現(xiàn)代化教學手段的使用對于學生具體的技能、技巧以及思維能力的培養(yǎng)有一定的局限性。

傳統(tǒng)教學手段與現(xiàn)代化教學手段各有優(yōu)點和不足，將二者協(xié)調(diào)應用，對應當使用現(xiàn)代化教學手段的課程內(nèi)容使用現(xiàn)代化教學手段，使其直觀生動，便于學生感知理解；而在需要運用傳統(tǒng)教學手段的課程內(nèi)容講解上，則盡可能使用傳統(tǒng)教學手段精講、細講、講透，便于學生掌握領(lǐng)悟。傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代多媒體有效結(jié)合，交相輝映，突出教學的重點。

注重聯(lián)系工程實際 教科書從例題到習題都非常具有代表性，“久經(jīng)沙場”，堪稱經(jīng)典。正是由于這樣的題目充分考慮了難度、知識的覆蓋率、簡潔等因素，疏于對工程實際的必要介紹。換句話說，在教材中接觸的題目都是將實際問題抽象出來的力學模型，做題過程是對力學模型進行分析和計算的過程。在提出一個問題時，可以首先介紹其工程背景，將其應用場所、工作特點和研究對象的抽象簡化過程逐一說明。在此說明與講授中引入現(xiàn)代教學手段，在多媒體上展示更多圖片、播放影音文件，讓學生在認知新知識點的初期，對其在現(xiàn)代技術(shù)及生產(chǎn)實踐中的應用有初步了解；在掌握相關(guān)知識之后，最好明確某些工作原理。

如在講解固定端約束時，可以就地取材，用手握住一支較長的筆的一端，使其保持水平平衡狀態(tài)，那么，手對筆的約束就是固定端約束。還有金工實習中車床上刀架對車刀的約束，教學樓廊道的墻壁對懸挑結(jié)構(gòu)的約束，等等。通過對這些生活中實例的感性認識，意識到這樣的約束既限制了物體的平動位移，也限制了物體的轉(zhuǎn)動位移。為了說明這一點，講解時用另一只手不斷變換位置，對筆施加力或力偶，結(jié)果筆依舊處于平衡狀態(tài)。

在這樣的潛移默化中，機械類的學生能夠較早地在腦中形成工程概念和科學的思維方式，能夠獨立思考，并且學習目的也更加明確，理論確實應用到實際工程中。

4 結(jié)語

綜上，理論力學教學過程中涉及的方面非常多，而具體到每個方面，都需要進行深入研究[4]。目標是提高教學質(zhì)量，使學生積極主動地掌握本專業(yè)所需的理論力學方法，獲取工程師應當具有的基本力學功底和思維方式，以及獨立獲取知識的能力。當然，以上在教學過程中的嘗試與探索是一個長期的過程，需要不斷反復地設想、實踐，以期形成符合學校人才培養(yǎng)模式的教學目標和教學計劃，最終實現(xiàn)教學相長。

參考文獻

[1]張代全，李朗.理論力學教學的幾點建議[M]//力學課程報告論壇2009論文集.北京：高等教育出版社，2010：87-89.

[2]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].7版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]孫紅旗，陳振，劉新柱，等.基于素質(zhì)教育的《理論力學》教學改革與研究[J].中國科技信息，2011（3）：195-196.

[4]龔相超，胡百鳴.關(guān)于理論力學教學和學習的幾點探討[J].綿陽師范學院學報，2011，30（2）：148-151.

[5]孫海濱，劉婷婷.理論力學課堂教學質(zhì)量調(diào)查與分析[J].當代教育論壇：教學研究，2011（4）：110-111.