机械类专业理论力学教学过程探讨

曹丽娜 李凌飞 张凤 刘凡

摘 要 理论力学作为一门技术基础课，是机械类专业学生的主干课程之一，其理论体系和思维方式严密，系统性强，学生学习难度相对较大。立足机械类专业发展需要和提高力学课程教学质量，针对教学中出现的问题，从教学内容、教学手段和联系工程实际方面对教学过程进行探索，以期培养学生的创新开拓能力，实现教学相长。

关键词 理论力学；机械类专业；研究型人才

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：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

理論力学是一门工科技术基础课，研究力学中最普遍、最基本的规律。它是材料力学、结构力学、机械原理、机械设计等后续课程的重要基础，也是学生构建工程概念、解决工程实际问题的根本所在。其理论体系和思维方式严密，系统性强，题目类型多样，解题方法较为灵活。

为了适应普通高等学校教学改革的需要以及提高大学生的全面素质，学校将机械类专业作为学科基础课的理论力学课时缩减到60学时。在这种形势下，教学过程中明显存在一些问题。如果单纯顾及理论力学知识体系的完整性而在知识讲授上面面俱到，全堂单方向注入，容易忽略学生创新思维和研究、开拓能力的培养；同时，由于学时的局限性，课上与学生的交流沟通与互动很少，不利于激发学生学习的积极性与主动性。所以，考虑到机械类专业发展的需要，调整教学内容、教学手段，并且注重理论联系实际，希望提高教学质量，培养出高素质的研究型人才。

2 理论力学教学过程中的主要问题

理论力学与大学物理中普通力学的区别 大学物理中的普通力学主要利用实验总结出物体机械运动的规律，偏重于物理概念和基本定律、定理的建立，培养学生初步运用科学思维的能力[1]。理论力学则在普通力学基础上，以高等数学为工具，全面系统地阐述机械运动的基本概念和基本规律，使学生对力学的基本内容有较完整认识，可以提高学生分析问题的能力、发展抽象思维、开发学生的智力。

虽然理论力学在内容上与大学物理中的普通力学甚至高中物理有部分重复，但是理论力学是研究物体运动及物体间相互作用的一般规律的科学，是对普通物理中力学部分的延续和加深。正是由于这部分的重复，学生在学习过程中很容易忽略基本概念和公式的数学逻辑推理和演绎。如高中物理中有过关于匀速圆周运动的物体的速度和加速度的公式，学生对这块知识烂熟于心；于是在运动学一篇

中，讲到绕定轴转动刚体上除转轴之外的任意一个质点都做圆周运动，而不一定是匀速圆周运动时，学生注意力容易不集中，对新的知识点思考深度不够，认为自己已经学过，达到了掌握的程度。而事实并非真的如此。

二维问题和三维问题的偏重 根据机械类专业学生培养目标、教学大纲的要求、内容安排和学校机械类专业学生的学习能力，同时结合理论力学的课时数，教材选用哈工大编的《理论力学》（第7版）[2]。此教材为“十一五”国家级规划教材，曾经获得国家级优秀教材奖，其体系和风格成熟、理论严谨、逻辑性强。但是，除了静力学篇空间力系和运动学篇少部分习题以三维空间问题形式出现，几乎都是对二维问题的讨论。

联系工程实际很少 理论力学作为一门基础课，在重视理论的系统性、科学性和严密性的同时，其技术基础课的特点没有凸显出来。在教学中，让学生接触的工程构件就是杆、轮和滑块的组合，缺乏相应工程背景的简明介绍，以致学生的学习没有明确目标，难以理解学习的目的和意义。

考核方式单一 期末考试一般采用一纸定成绩的传统考核方式。试题虽然关注所讲授知识的覆盖面，也兼顾试题的难易程度，并且注重试题的效度，但是题目设置基本上是习题和例题的类型，无法真正考核出学生在学习理论力学过程中综合素质的提高程度，反而使学生对该门课程充满畏惧，学习兴趣较低，考核效果不尽如人意。

3 理论力学教学的改进

合理安排教学内容 鉴于理论力学与大学物理中的普通力学的知识点有重复，立足专业发展，对简单和熟悉的问题简明扼要地一带而过。如在静力学篇中，以物体受力分析画受力图、平面任意力系的简化以及力系的平衡方程求解这两个重点内容为主线，对力偶及其性质、空间力对轴之矩等新的知识点进行细讲，在此基础上，将平面任意力系过渡到空间任意力系，得到空间任意力系简化和平衡。这样的安排既保证知识的系统性，又做到温故而知新。再如，机械原理中的四大机构即四连杆机构、齿轮机构、间歇机构和凸轮机构（反转法）的运动分析，对相对运动的概念和参考系的选取有较高要求。在运动学授课中，专门安排一次习题课来讲解动点、动系的选取（包括常规选取和反选）及相对运动或相对轨迹的确定；课下，给学有余力的学生留一道题，让其将分析结果详细撰写出来，从而深刻体会这部分知识，为后续课程的学习夯实基础。

此外，考虑到有的学生在修完本科课程后计划报考研究生，而考研题体现综合性与趣味性，题目难度适中；同时，基于例题力求用较少的题量、较低的难度覆盖较多的知识点的初衷，于是将某些高校考研题目中的选择题和填空题转化为小型计算题，让学生在课堂上思考并计算，在规定的10分钟左右交回。这些题作为教材例题的补充，经笔者观察，学生兴趣较高，虽然并不能尽善尽美地完成，却真实地反映了他们对基础知识和基本理论的掌握程度。经过这样的练习，也可以提高学生综合运用知识的基本技能。

同时，鼓励学生参加全国周培源力学竞赛，竞赛题目让一部分学生感到耳目一新。试题均与简单的故事或生活现象相联系，篇幅较长，学生需要较快且准确地从题目的描述中提炼并转化为力学问题（实际的力学问题也都是来自各种工程或生活实际中），进而利用力学原理来进行求解。这样的题目设置综合性强，也不失趣味性。

这样安排教学内容，基于机械类专业发展，立足基本知识和基本技能，有利于提高学生的学习热情及分析和解决问题的能力。

有效改进教学手段 一部教科书、一支粉笔和一块黑板的传统教学手段非常适合重点、难点内容的精讲和细讲。一次好课，通过启发与讲授，循序渐进，将重点和难点讲透，讲到点子上，讲到要害处，不仅能够使学生抓住问题的本质、得到要领，而且能够引发学生进一步思考和联想，从而提高学生的创新思维能力[3]。但是，教师必须在黑板上画出数量不少的示意图，这样容易浪费宝贵的课堂时间，同时示意图的精确性也受到教师制图水平的制约。

在计算机技术飞速发展的今天，现代化教学手段应运而生。教师可以将一些板书难以表达、学生难以理解和接受的复杂和抽象的内容通过可视化结果或视频演示。这样，教师不仅在有限的时间内传达了较多的信息，提高了课堂的教学效率，而且激发了学生学习的热情。如点的合成运动是理论力学的难点和重点内容，相对轨迹的确认、动点和动系的选择是困扰学生的问题，通过动画演示，图文并茂、简洁生动、提纲挈领。然而，现代化教学手段的使用对于学生具体的技能、技巧以及思维能力的培养有一定的局限性。

传统教学手段与现代化教学手段各有优点和不足，将二者协调应用，对应当使用现代化教学手段的课程内容使用现代化教学手段，使其直观生动，便于学生感知理解；而在需要运用传统教学手段的课程内容讲解上，则尽可能使用传统教学手段精讲、细讲、讲透，便于学生掌握领悟。传统板书与现代多媒体有效结合，交相辉映，突出教学的重点。

注重联系工程实际 教科书从例题到习题都非常具有代表性，“久经沙场”，堪称经典。正是由于这样的题目充分考虑了难度、知识的覆盖率、简洁等因素，疏于对工程实际的必要介绍。换句话说，在教材中接触的题目都是将实际问题抽象出来的力学模型，做题过程是对力学模型进行分析和计算的过程。在提出一个问题时，可以首先介绍其工程背景，将其应用场所、工作特点和研究对象的抽象简化过程逐一说明。在此说明与讲授中引入现代教学手段，在多媒体上展示更多图片、播放影音文件，让学生在认知新知识点的初期，对其在现代技术及生产实践中的应用有初步了解；在掌握相关知识之后，最好明确某些工作原理。

如在讲解固定端约束时，可以就地取材，用手握住一支较长的笔的一端，使其保持水平平衡状态，那么，手对笔的约束就是固定端约束。还有金工实习中车床上刀架对车刀的约束，教学楼廊道的墙壁对悬挑结构的约束，等等。通过对这些生活中实例的感性认识，意识到这样的约束既限制了物体的平动位移，也限制了物体的转动位移。为了说明这一点，讲解时用另一只手不断变换位置，对笔施加力或力偶，结果笔依旧处于平衡状态。

在这样的潜移默化中，机械类的学生能够较早地在脑中形成工程概念和科学的思维方式，能够独立思考，并且学习目的也更加明确，理论确实应用到实际工程中。

4 结语

综上，理论力学教学过程中涉及的方面非常多，而具体到每个方面，都需要进行深入研究[4]。目标是提高教学质量，使学生积极主动地掌握本专业所需的理论力学方法，获取工程师应当具有的基本力学功底和思维方式，以及独立获取知识的能力。当然，以上在教学过程中的尝试与探索是一个长期的过程，需要不断反复地設想、实践，以期形成符合学校人才培养模式的教学目标和教学计划，最终实现教学相长。

参考文献

[1]张代全，李朗.理论力学教学的几点建议[M]//力学课程报告论坛2009论文集.北京：高等教育出版社，2010：87-89.

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].7版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]孙红旗，陈振，刘新柱，等.基于素质教育的《理论力学》教学改革与研究[J].中国科技信息，2011（3）：195-196.

[4]龚相超，胡百鸣.关于理论力学教学和学习的几点探讨[J].绵阳师范学院学报，2011，30（2）：148-151.

[5]孙海滨，刘婷婷.理论力学课堂教学质量调查与分析[J].当代教育论坛：教学研究，2011（4）：110-111.