课时减缩条件下提高“理论力学”教学效果的实践

[摘 要] 为适应课时缩减教学要求不减的大环境调整，针对提高“理论力学”课程教学效果进行了若干尝试。教学实践过程中所采用的措施围绕两个方面提出，一是提高课堂效果，使学生扎实掌握课程知识、提升力学素养，增加课堂获得感;二是培养自主学习能力以及分析问题和解决问题的能力。连续多年的教学实践表明，这样的教改举措收获颇丰。

[关键词] “理论力学”;教学效果;力学素养;自主学习;创新能力

[作者简介] 彭凡（1963—），男，湖南湘乡人，博士，湖南大学教授，主要研究方向：复合材料力学、结构动力学。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0192-02    [收稿日期] 2020-02-10

“理论力学”是工科院校许多专业的第一门技术基础课，是理论联系工程实践的承前启后课程，其对高素质人才培养的作用不言而喻。因为概念多、公式多、定理多，理论性、逻辑性和系统性强，使得“理论力学”成为较难学的技术基础课之一，学生的不及格率一直较高。围绕“理论力学”课程已进行了形式多样的探索与实践[1-8]。实际上，各种形式的课堂教学改革和创新实践都是围绕学生掌握知识、培养力学素养和提高能力为目标展开的。由于专业培养计划的总体调整，“理论力学”课程学时数已受到较大幅度的压缩，但教学要求没有降低，以作者承担的机械类专业课“理论力学”教学为例，课堂学时56个，另加小班讨论课4学时，而教学内容则包括了空间力系、哥氏加速度与运动学综合、虚位移原理等过去多学时所对应的部分。因此，在学時缩减、教学要求不变这样一个大环境下，针对提高“理论力学”教学效果的探索与实践是十分有意义的。

“理论力学”教学效果应考虑多个因素进行综合评价，一方面是学生对课程知识的掌握和力学素质的养成;另一方面是学生解决问题的能力和创新能力的提高，这种能力达成的特征就是将相对复杂的实际问题进行合理抽象，基于力学理论得到数学模型并求解。基于以上考虑，针对机械类专业开展以下教学实践。

一、掌握课程专业知识，培养力学素养，增加课堂获得感

“理论力学”内容经典，基础性强，需要使学生通过课堂学习，扎实地掌握重要概念、基本理论和方法，并能用力学的视点观察工程实际问题。

1.按照课程教学要求组织好教学内容。有效衔接大学物理相重复的内容，如点的运动学、刚体的两种简单运动、质点的运动微分方程。一方面在内容上做补充，如自然法研究点的运动、定轴轮系的传动;另一方面则通过设计综合性例题回顾已学知识点，譬如，以纯滚动车轮轮缘上黏附的小泥块为例，分析小泥块受到的黏附力和脱粘后的运动，以此回顾质点动力学内容，达到既节省课时又巩固和深化基础之目标。静力学、运动学和动力学是理论力学的三大部分，其间存在内在的逻辑关系。在教学上，应反复启发和引导学生把握各知识点之间的逻辑关系，有利于加深理解课程整体的知识体系。例如，取曲柄滑块机构为研究对象，分别以平衡问题、运动学问题、动力学问题举例，帮助学生梳理知识点之间的逻辑关联和串联主线。

2.优化学时分配，强化重要知识点的学习和概念的建立。由于课时减缩，需要优化各章节的学时分配，突出关键知识点，侧重概念教学和难点讲解。譬如，强化受力分析训练，使学生牢固掌握分析方法，即将研究对象去掉约束变成自由体，再给出全部主动力和相应的约束反力;同时使学生形成概念，即约束反力的作用效果要与约束的效应一致。又如在讲解点的合成运动时，配合动画与工程实例，着重阐述绝对运动、相对运动、牵连运动与牵连点的概念以及三种速度和三种加速度的分析，反复引导和启发学生合理选取动点和动系。再如在三个动力学普遍定理的教学中，注重阐明质点系的动量、动量矩、动能和力的功等物理量的含义及其计算，淡化数学推演过程，强调基本思想，细化解题时定理应用的思考过程。为节省学时，尽量采用一般到特殊的顺序展开教学内容，例如，从一般力系到特殊力系的平衡问题;牵连运动为任意刚体运动到牵连运动为平动的加速度合成;相对任意动点到相对质心的质点系动量矩定理等。

3.强化工程实际抽象出力学模型的思维训练。作为一门技术基础课，“理论力学”本身蕴含了从工程实际抽象出力学模型，形成理论，再回到工程实践的科学方法。教学中着重力学模型的工程溯源，譬如简化细直杆组成的结构体系得到桁架计算模型，能使学生较深入地理解上述科学方法，有益于培养学生的科学思维能力。由于“理论力学”课程是在一年级第二学期或二年级第一学期开设，此阶段的学生对工程实际的认知还较为缺乏，因此，我们根据知识点引入典型的工程实例，首先使学生对实例获得一定的了解，再引导他们从实际出发提出问题，作一定的假定，抽象出力学分析模型。这些实例可以源于身边能观察到的实际问题，也可以借鉴国外教材中的优秀例题。实际上，“理论力学”教材中的绝大多数例题和习题都是从实际简化而来，只要善于利用，指明题目的工程背景，学生就会从中获益良多。

二、自主学习和创新能力培养

增加学生的课堂获得感与提升学生的自主学习能力是有相互促进作用的，自主学习能力增强不仅将有力提升课堂和课程的获得感，还使得学生终身受益。同样，课堂获得感的增加也将为创新能力的培养起引导作用。

1.完成读书报告和自编题。分别在学完静力学、运动学和动力学内容后，学生需提交一份具有一定综合性的读书报告，概括所学内容，总结知识点以及知识点之间的逻辑关联，并指出自己对哪些内容或知识点在学习上存在不足，提出解决措施。由教师指定若干知识点，要求学生以覆盖所列知识点为目标，自编一道综合性较强的题并求解。

2.基于探究性学习的小班讨论。在小班讨论课环节，根据教学安排提前布置任务，将小班学生分成由4～5人组成的若干个小组，每小组探究不同的项目。所论问题具有探究和开放的特点，或者学生自找，或者由老师提出。学生通过查阅文献资料认知项目，明确力学分析的任务，抽象出力学模型，求解自己拟定的若干问题。下面以两个示例加以说明。一是源于锻炼膝关节的靠墙静蹲，如图1所示，此问题涉及力学模型的建立，摩擦平衡、物体重心计算和膝关节所受弯矩分析等内容;再如图2所示的集装箱起重机械，涉及整车稳定性，对应各种作业工况下的构件受力分析以及最不利工况的确定、两自由度系统的运动学分析和机构的优化设计等。学生依小组开展团队协作，独立思考，在小班讨论课上以小组为单位报告探究过程和结果。

三、效果分析

采用文中给出的措施，我们连续四学年进行了提高理论力学教学效果的尝试，收到了较好的效果。一是学生的学习积极性普遍提高了，学生除完成较多的课后作业外，还得在课后花较多时间完成读书报告、自编题训练以及小班讨论的问题探究活动。我们在每学年做匿名调查，90%以上的学生都认同这些尝试，愿意投入更多的课外时间;二是课程成绩有所提升，不及格率降低，由开始的28%左右降到15%左右;三是许多同学积极参加校、省和国家级的力学竞赛，累计获得多个省一等奖，有学生还在国际工程力学竞赛中获奖。

四、结语

本文总结了如何提高“理论力学”课程教学效果的若干尝试。主要体现在两个方面：一是在节省学时，在教学要求不变的前提下，以使学生扎实掌握专业知识、提升力学素养为目标，提高课堂效果;二是自主学习能力培养和解决问题与创新能力的培养。采用多个措施展开教学活动，效果良好。

参考文献

[1]李俊峰.理论力学课程体系改革探索与实践[J].中国大学教学，2008（4）：10-13.

[2]彭献，唐驾时，刘又文，彭凡，等.理论力学课程的教学创新与创新训练[J].高等理科教育，2007（4）：116-117，128.

[3]建明，范武.理论力学课堂教学深度和广度拓展的思考[J].力学与实践，2019，41（3）：333-336.

[4]艾薇，侯作富，周思柱.理论力学课程教学的现状与教学改革的思考[J].力学与实践，2009，31（5）：75-77.

[5]叶红玲，李晓阳，刘赵淼.关于理论力学概念教学模式的一些思考[J].力学与实践，2010，32（5）：93-95.

[6]盛国刚，邓军，李学罡.理论力学课程素质教育的探讨与实践[J].大学教育，2014（6）：113-114.

[7]叶红玲，刘赵淼，李晓阳.理论力学课程研究型教学模式的探索与实践[J].力学与实践，2015，37（3）：440-443.

[8]汤可可，王华宁.以创新能力培養为导向的理论力学教学体系探索[J].力学与实践，2019，39（1）：67-70.

Practice of Improving the Teaching Effectiveness of "Theoretical Mechanics"under the Condition of Class Hours Reduction

PENG Fan

（College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract：Some attempts have been made to improve the teaching effectiveness of Theoretical Mechanics in order to adapt to the adjustment of the general environment in which the class hours are cut down but the teaching requirements are not reduced. The measures adopted in the teaching practice are put forward in accordance with two aspects： one is to improve the classroom effectiveness， to make the students grasp the course knowledge in a down-to-earth manner， to improve their mechanical attainment and increase their sense of classroom acquisition; the other is to cultivate students' ability of self-learning and the ability to analyze and solve problems. The results of teaching practice spanning four consecutive years show that the measures adopted in the paper are effective.

Key words："Theoretical Mechanics"; teaching effectiveness; mechanical attainment; self-learning; innovation ability