新形势下改进理论力学课程教学的几点思考

2021-01-02

科教导刊·电子版 2021年9期

（河南科技大学物理工程学院河南·洛阳 471023）

0 引言

2017年的《国家教育事业发展“十三五”规划》中提出：将积极发展“互联网+教育”作为重要任务，鼓励教师创新教学模式，充分利用现代化信息技术手段，形成线上线下有机结合的网络化学习新模式；2019年习近平总书记在学校思想政治理论课教师座谈会上指出：挖掘课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人。在新形势下，通过创新教学模式和丰富教学内容改进课程教学效果、提升人才培养质量是各高校正在积极开展的首要工作。理论力学课程是高校理工类应用物理学专业学生必修的一门专业基础课，然而，其教学目前在应用型本科院校（以河南科技大学为例）的情况是课程内容多、课时少。任课教师为了赶教学进度压缩知识点的剖析讲解，教学内容公式推导和例题讲解相对单一、教学模式课堂纯粹讲授相对单调、线上教学使用率低；学生被动地接受教师传授新知识，越来越跟不上教学进度，逐渐失去学习本课程的热情和自信心，教学过程枯燥，教学效果堪忧。因此，创新教学模式、丰富教学内容是理论力学教师改进教学效果的第一要务。

1 “线上+线下”教学有机结合，助推教学模式创新

（1）基于十几年理论力学教学实践经验来看：学生刚接触理论力学课程普遍反映和大一的力学知识都一样，因此教师要首先做好理论力学与力学的衔接工作：

①教师要正确把理论力学教学内容的广度和深度，突出课程的逻辑性，使学生深入理解两者的根本不同：力学是归纳总结出物理学规律，而理论力学是使用这些规律借助高等数学工具来分析具体的实际问题；第二定律是由动量定理推导出来的；第三定律是牛顿本人在生活中观察总结出来的。力学可以帮助学生们理解这些自然科学的原理是如何归纳总结出来的，而理论力学则是这些原理定理守恒律的使用，侧重于数学方程的计算，我们可以使用牛顿运动微分方程（也就是牛顿第二定律的微分表示形式）来求解各种各样的实际问题，比如分析三维空间中自由质点的运动问题，受曲线或曲面约束的非自由质点的运动问题；根据物体受到的作用力的表达形式（位移、速度或时间三种自变量的单函数还是联合函数）来具体分析常系数微分方程的计算过程，并根据计算的结果理解运动规律。更为重要的是：理论力学中一个重要分支-分析力学，这是数学家们借助变分原理和方法来求解物理学问题，其求解过程比牛顿力学简单，并且越复杂的实际问题使用分析力学的知识来计算越便捷。②让学生认识到理论力学课程中的部分内容在力学中虽有所涉及，但是微积分思想和求解常系数微分方程的引入使理论力学分析问题更系统，更深入。③考虑到多数学生一直困惑于用微积分和求解常系数微分方程等问题，讲课时，需要一步步讲解计算过程以加强和巩固学生对它们的运用。只有做好这些，学生才能欣然地、循序渐进地学习接受新知识。

（2）对平时教学效果的考量和期末考试成绩的数理分析得到：河南科技大学应用物理学专业的学生在理论力学课程难度方面的认知是：仅有不到10% 的学生觉得课程简单，能够全部掌握教师所讲的内容并在最终的期末考试中取得优秀；30%左右的学生觉得难度一般，能够基本掌握所讲内容；40%的觉得课程学起来难，老师讲的内容只懂一些；20%左右的学生觉得课程非常难，对老师讲的内容完全理解不了。大部分学生能够做到在课堂上听，但是做不到课前充分预习和课后高效复习。这说明学生自主学习能力还有些薄弱、也缺少良好的学习方法。从教学活动角度看，学生不但希望听老师讲，还希望与老师、同学交流和亲身体验等多种活动。单一的教学模式不再满足学生需求，学生希望课堂教学，也希望有网上教学。

（3）对平时教学过程的深入沟通了解到：大部分学生（70%）认为理论力学课程重要，可以拓展思维、拓宽知识面、培养科学思维、为创新和探索提供理论支撑；30%的学生认为该课程不重要，只是为了拿学分。学生对理论力学与所学专业相关性的认识不多也不够具体，这也要求教师能及时把理论力学这门基础课程和后续的专业课程（比如材料力学，结构力学等）之间的衔接知识让学生切实理解，比如讲解刚体的平衡方程时，不考虑变形效应，运动方程的个数等于未知数的个数，我们称之为静定问题；在工程力学中物体的变形效应不能忽略，则此类未知数个数大于方程个数的问题称之为非静定问题，我们举桥梁问题简单的讲解一下就可以加深学生对该知识点的理解，并提高对理论力学课程学习的兴趣和积极性，并为后续课程的学习打下基础。

（4）随着信息技术与教育教学的逐渐融合，“混合式教学”（即“线上+线下”教学）模式优点逐渐突出。教师可以在四个方面发挥混合教学模式的优势互补作用。①扩展教学活动的时间和空间。教师可以把录好的讲课视频和习题讲解视频上传网络学习平台，方便学生随时随地观看，讲授的内容上要做到既要突出重点，也要精讲典型的例题和习题，讲解过程多用现实生活举例，比如在讲刚体的各种特殊运动时多和实际物体联系：刚体平动时，讲解公路上行驶的汽车，分析其前后轮胎受力是否相同，解释“漂移”是如何实现的，学生们对该知识点的理解一定是深刻的；刚体定轴转动时，实地讲解学生们头顶上风扇的运行规律；刚体平面平行运动时，讲解自行车的运动规律，学生们会心领神会两种轨迹的区别和联系；刚体定点转动时，播放陀螺的运动视频，让学生回忆自己小时候玩陀螺的场景，能很好地理解欧勒角的定义。课堂多点实验，比如在讲解角动量守恒定律时，可以播放花样滑冰运动员的视频，伸开双臂，角速度减小，抱紧双臂，角速度增大，引导学生尝试思考能不能用一些因陋就简的小实验来同样验证这个守恒定律，以启迪学生的思路，活跃课堂教学的气氛，提高教学效果。多点小组讨论，主要探讨原理定律如何应用，同一道例题或习题尝试用不同的方法来求解。比如椭圆轨尺可以分别使用运动学方程和刚体的平面平行运动方程都能得到其上任意一点运动的速度和加速度；两个固定球支撑一自由球的三体平衡问题，既可以使用牛顿力学中平衡力系原理，又能使用分析力学中虚功原理进行求解；再比如，运动质点和直角劈的两体运动问题，既能使用牛顿力学中的运动方程和守恒定律求解，也能使用分析力学的拉格朗日方程求解......这类一题多解问题的分析过程，一方面调动了学生的学习积极性，另一方面也能通过不同角度分析问题来提高学生的逻辑思维能力。除了精进各个讲授环节之外，还可将仿真实验嵌入多媒体教学中，演示使用物理数学软件进行数值分析计算，演示使用图形或动画形象地模拟分析物体的受力情况及运动过程，提高学生对课程内容掌握的牢固度。②提供多元的教学互动形式。除了课堂上面对面的及时交流，还可以通过QQ、微信、钉钉等交互平台及时进行知识点的答疑解惑和对日常学习生活中实际问题的理解，随时随地进行便捷的交流沟通，不仅能提交教学质量还能增进师生情谊。③开展多元化的教学活动。课堂上开展对学习过程进行引导和启发的活动；网络平台上多开展作业讨论、问卷调查、章节测验等有监督效果的活动；两者结合形成“预习—听课—复习”的学习环节。帮助教师及时了解学生的学习情况，并适时给予监督和全面的综合评价；学生可以通过随时查看自己各个项目得分情况了解最近学习状态，做出反思，及时调整学习态度和方法。开展这些多元化的教学活动，不仅能够帮助学生提高自主学习能力、培养良好的学习习惯；还自然而然地加强了学生之间、师生之间的交流沟通和学生在教学中的参与度。④用好网上优秀教学资源拓宽课程内容范围、拓展课程内容深度，使得学生能多角度、全方面的理解所学知识。

2 多种思政元素融合提高育人效果

加入多种多样的思政元素，既能使得教学内容丰富多彩，又能更好的实现教书育人的目的。（1）加入现代科技前沿技术。比如，讲动量守恒定律应用时，引导学生运用该知识推导火箭飞行原理公式，并借机介绍我国航天技术发展创新的奋斗历程，以此激发学生强烈的民族自豪感；讲多普勒效应的原理和实际应用时，可以介绍我国自主研制的“蛟龙号”潜水器及其目前的下潜深度，不光使得课本上知识的应用直观呈现，同时也让“科技强国、创新兴邦”的理念渗透入学生心中。（2）加入科学家的故事。比如，国内科学家钱学森、邓稼先和于敏等，介绍他们国为重，家为轻；科学最重，名利最轻的精神境界，让学生深刻认识真正的大爱、大义和奉献，增强内心深处的责任和担当。（3）加入与课程内容有关的娱乐节目。比如，讲角动动量守恒定律应用时，播放一段我国滑冰运动员比赛的视频或相关娱乐节目视频，再插入一段有关该知识的讨论，活跃课堂气氛的同时，又加深了同学们的记忆。（4）加入中国优秀传统文化，能让学生陶冶人文情操，增强学生的爱国情怀。比如，讲解动量定律时得到以下结论：要使给定物体的动量发生一定的改变，需要作用多大的力，该力作用多长时间。当作用力较小时，需要的作用时间就长些；而当作用力较大时，需要的作用时间就短些。通过对动量定理的学习和讨论，教育学生找准目标后就一定要坚持努力，每天进步一点点，量变引起质变。（5）加入辩证唯物主义世界观。比如，讲光的波粒二象性时，简单扼要介绍“波动说”和“微粒说”经历三百多年的争论，最终经过大量的科学实验确定光既有波动性又有微粒性，让学生深刻体会到实践是检验真理的唯一标准，顺势鼓励学生在生活和学习中要勤于用实际行动验证自己的想法。思政教育与课程教育的有机融合，丰富教学内容的同时，也在践行着立德树人的教育理念。