建立基础力学课程自学资源网的探索

文华斌，付 磊，张应迁，李 良，罗云蓉

建立基础力学课程自学资源网的探索

文华斌，付 磊，张应迁，李 良，罗云蓉

随着一些新学科课程被逐渐引入到大学课堂，基础力学等老学科课程的学时做出了压缩的调整。如此一来，力学课程课外学习环节就显得愈加重要了。在当前学生的学习条件和课外学习特点基础上，构建基础力学课程自学资源网，对学生的课外学习进行引导和辅助，以期提高力学教学的效果。

基础力学；课外学习；自学资源网；力学教学

文华斌，付磊，张应迁，李良，罗云蓉/四川理工学院机械工程学院讲师(四川自贡643000)。

基础力学（理论力学、材料力学及工程力学）课程是高等工程类专业的技术基础课程。我国基础力学课程体系是在20世纪50年代引用苏联模式的基础上建立起来的，注重系统性和理论性，为我国工业的发展奠定了夯实的力学理论基础。随着社会科学的发展，各高校将一些新学科课程逐渐引入到大学课堂，而对于基础力学等老学科课程，则进行了学时不断压缩的调整，但是讲授的内容并未减少，对学生的要求也并未降低。对于基础力学课程的学习，仅靠课堂时间学习就更加不够了。很多力学教育工作者都对学生提出了2倍于课堂时间以上的自学时间的要求，可以说，课外学习是学习力学课程非常重要的一个环节，课外投入精力的多少和学习效率的高低在很大程度上决定了学生的成绩。然而，教师对课外学习环节的掌控力度非常小，往往是通过课后作业布置及口头要求来督促学生进行课外学习，使得学生的课外学习方式就是“看书、做作业”，学习效果极不理想。目前课外学习呈“放任自流”的状态，效果则完全取决于学生的学习态度。

基于以上考虑，笔者所在教学团队拟借助当前发达的网络技术，建立基础力学课程自学资源网来引导、辅助学生进行力学课程的课外学习，提高学生的学习效率及力学成绩。根据目前的教学成果累积和学生课外学习特点，拟从以下几个方面来建设某一科基础力学课程的自学资源网。

一、引入力学史知识，厚重化力学知识点

力学是最早开始的一门学科，其发展有着悠久的历史。古希腊时期，力学附属于自然哲学，后来成为物理学的一个分支。17世纪后期，随着牛顿三大定律的提出，力学开始形成为一门独立的学科。经过数百年的发展，力学已经建立了比较完整的体系。在建国初期，我国更是将力学列为自然学科的7大基础学科之一。

力学数百年的发展历程凝聚了无数学者的研究成果，其中不乏成果卓越的力学巨星，如牛顿、伽利略、欧拉等。这些学者中，或数位学者牵连于一个成果，或一位学者联系于数个成果。他们的研究工作推动了力学学科的发展，成为力学史的主体。然而，力学发展不是一帆风顺的，时常伴随着一些惨痛的教训，如加拿大魁北克大桥坍塌、土耳其DC－10飞机失事、美国堪萨斯城饭店倒塌等。这些历史事件发生的原因多为当时对某些力学问题研究的不足。由于事件的发生而突出了这些问题的存在，吸引学者们积极参与研究，从而推动力学的发展。

这些历史人物及事迹和历史工程案例汇聚成了一部恢弘的力学史。将力学史知识融入到力学教学中，可使力学课程具有一定的吸引力，学生学习也更容易理解和掌握。目前，很多力学教育工作者都提出了将力学史融入到力学教学中的建议，并做了大量的教改研究工作。力学史知识量丰富，融入到有限的课堂时间内是非常困难的，而将其融入到课外学习中，则可打破时间的限制，可以让学生进行大量的力学史料阅读，细细品味力学的发展历程。

综合考虑文献[1]对力学史料的分类，在力学自学资源网中，对搜集的力学史料分类整理为人物篇和工程案例篇两部分。（1）人物篇部分，按照时间顺序搜集整理对力学发展有所贡献的学者的研究成果及事迹。学生可以先易后难地接触到力学问题，按照力学发展历程来了解、熟悉力学学科。在阅读史料过程中，学生可以了解到力学各知识点的研究、发展、成熟过程，从而更加深刻的理解和掌握此知识点。例如对于悬臂梁横截面应力分布问题[2]，从伽利略（Galilei Galileo,1564～1642）在 1638 年出版的 《关于两门新科学对话》中开始探讨，到纳维（Navier,claude-Louis-Marie-Henri,1785～1836）1826 年在出版 《力学在机械与结构方面的应用》中确定梁的中性层，经历了近200年的时间。 期间凝聚了马略特 （E.Mariotte,1620～1684）、 胡克(Robert Hooke,1635～1703)、瓦利农（Pierre Varignon,1654～1722,法国）、伯努利（Jacob Bernoulli,1654～1705）、帕朗（Parent Antoine,1666～1716）等学者的贡献。看似简单的一个悬臂梁横截面应力分布问题，扩展到200年的时域上，并联系诸多学者的研究历程，增加了此知识点的厚重性，非常有助学生的学习。（2）工程案例篇，按照时间顺序搜集整理世界范围内的著名历史事件，通过事件发生的力学原因将课本理论与实践结合起来，突出知识点重要性，培养学生的学习兴趣及严谨态度。例如，1907年在加拿大发生的正在兴建中的魁北克大桥（Quebec Bridge）垮塌事件。魁北克大桥垮塌被Engineering news称为“有史以来的最大工程灾难”，也被认为是悬臂结构的最大灾难，还被评为20世纪10大工程技术悲剧之首。经调查，事故是由于南悬臂跨的一下弦杆受压失稳引起的，而弦杆受压失稳是由于自重估计过低所致 （事后计算实际自重超出估算自重20%，而不是原先以为的7%至10%）[3]。魁北克大桥垮塌事件作为压杆稳定理论的工程应用背景，可增强学生理论联系实际的意识。同时，此次事件的惨痛教训足可引起学生对压杆稳定理论的重视，进而培养学生严谨的学习态度。

二、教改成果辅助教学

数十年来，力学教育工作者就力学教育改革发表了大量教改论文。一部分教改论文是围绕某个知识点的讲解来写的，可以将这一部分教改论文收集起来，分门别类地归结到各知识点下，作为学生学习该知识点的辅导材料。“横看成岭侧成峰”，单从一个角度去学习某知识点，很难一窥全貌。如果从各个角度、不同深度去学习该知识点，则容易获得非常全面、深入的理解。例如，就如何作内力图，我国力学教育工作者发表了大量的教改论文，提出了大量的内力图画法。如文献[4]提出通过梁的受力图直接画内力图的直接画法；文献[5]介绍了一种较为简捷的方法求解指定截面的内力，进而根据内力图的某些特征快速画出内力图；文献[6]利用 q(x)、Q(x)、M(x)三者之间的积分关系，将控制截面内力的计算方法转换成简单的几何图形面积的计算，进而进行内力图的绘制，并称之为面积法。此类论文可以培养学生快速、准确作出内力图的能力。文献[7]介绍了一种适用于任意平面杆系结构（钢架、桁架、排架、组合结构等）的程序化作图法，并可扩展到任意空间杆系结构问题；文献[8]利用Excel软件完成了三铰拱繁琐的内力计算，并准确、快速的绘制其内力图；文献[9]利用三维图形的矩阵变换原理，将单元内力和位移绘图数据进行伸缩、旋转和平移变换，在Matlab中实现了空间刚架内力图和位移图的绘制。此类文献可以指引一些学有余力的学生更高层次的学习。通过这些文献的补充学习，将大大提高学生对内力图画法的掌握的程度。

教改论文成果作为学习辅助材料，可提高学生学习的广度和深度，有效提高学生的学习效果。同时力学工作者的教改成果也在教学中真正发挥了作用，而不只是停留在期刊杂志上。

三、建立多层次、多样化在线试题库

基础力学课程具有听课容易,做题困难的特点，需要学生在课后花足够多的时间进行习题练习才能真正掌握。很多同学都没有通过作业训练这一关，使得力学成绩不尽人意。经调查，目前学生在完成作业过程中具有以下一些特点：（1）做题时精力不集中、懒散，一个题目耗费过多时间，反致其更加厌恶力学课程而逐渐放弃；（2）将作业作为获得平时成绩的手段，并非作为自我学习的过程，以致抄袭作业来获得好的平时成绩；（3）作业没有时间限定，可随意翻阅参考资料，以致学生根本无法了解自身的学习情况，常出现考试成绩与平时表现不一致的现象。基于学生作业时的这些情况，拟改变力学作业方式，即建立在线试题库来改善学生课后作业练习环节的效果。试题需要在设定的时间内完成，促使学生集中精力学习。试题库生成试卷时，同时给出试题标准答案，用分数来调动学生做题的兴趣和评判学生的学习情况，迫使分数低的同学主动增加学习时间。

根据不同程度学生的需求，不同学习目的的需求，在线试题库可分为课程基本要求试题、研究生升学试题、省力学竞赛试题和全国力学竞赛试题四个层次试题。通过试题难度系数来控制试题的不同层次，比如难度系数8为课程基本要求试题，难度系数7为研究生升学试题，难度系数4为省力学竞赛试题，难度系数2为全国力学竞赛试题。学生根据自己学习目标来选择不同层次的试题，根据分数来调整自己的学习计划，做到“知己知彼”。

根据学生学习进度及学习时间，试题库应多样化，适应不同的情况。在出卷范围上结合学生学习进度，比如理论力学就可以分为静力学、运动学、动力学及综合四个部分。学生可以根据需要选其中一部分出题，或选几个部分来出题。在出卷题量上可设定多个时间的题量标准，比如30分钟，60分钟和120分钟的标准，学生可以根据自己的时间安排来选择题量标准，有效提高题库使用频率。

课外学习环节是力学课程学习非常重要的一个环节，决定了学生的力学成绩。力学教学应该从课堂教学扩展到课外教学中去，在较多的课外时间内充分调动学生的学习主动性，提高课外学习效果。课外教学可通过网络来实现，内容上提出了引入力学史知识、力学教改成果辅助学习和建立在线试题库等建议，以期能解决力学内容多而课时少的问题，提高力学教学质量。

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[1]王振东.力学史杂谈（序）[J].力学与实践,2009,31:108,24

[2]武际可,说梁.力学史札记之十九[J].力学与实践,2008,30(6):106～109

[3]李著,王景,西奥多·库珀.魁北克大桥失事记[J].工程力学,1997,14(4):139～144

[4]王祖国,静定梁.内力图的直接画法[J].职教论坛,2002,(20):58～59

[5]沈忠.如何快速画出杆件轴向拉压和扭转时的内力图[J].高等工程教育研究,1999,(2):89～90

[6]邹珊.绘制受弯构件内力图的快捷方法——面积法[J].天津农学院学报,2009,16(3):32～35,55

[7]陶传迁,徐学燕,于琳琳.杆系结构内力图的程序化作图方法及应用[J].力学与实践,2011,33(4):70～72

[8]夏健明.用Excel绘制三铰拱的内力图[J].力学与实践,2010,32(4):104～106

[9]丁星.基于矩阵变换的空间刚架内力图和位移图绘制[J].力学与实践,2010,32(2):128～132

G642

A

1671-6531(2013)18-0105-01

四川理工学院校级教改项目（2012CL10）；四川理工学院校级教改项目（JG-1013）

责任编辑:姚 旺