大学《理论力学》课程教学与中学物理衔接问题的思考及对策

丁文波 董莉 密更 刘玉会

基金课题：渤海大学2019年度中小学联合教学改革项目

项目号：2019ZXXJG22

摘要：《理论力学》课程是高校物理专业的重要基础课，学好这门课对大学生的意义重大。然而，目前该课程与中学物理的衔接存在一些问题，这阻碍了理论力学的教学效率和效果。本文将探讨《理论力学》中角速度矢量与高中物理圆周运动之间所存在的知识衔接问题，并通过实践给出具体的解决方案，从高中的物理教学和大学理论力学的讲授两方面着手来解决问题，使高中生和大学生同时受益。

关键词：理论力学;高中物理;角速度;圆周运动

引言

在大学的物理课程中，理论力学具有一定的特殊性，它与高中物理有联系、以大学普通物理为基础，是物理专业学生四门理论物理课程中的第一门先导课[1-3]。学好理论力学对物理专业的大学生尤为重要，因为理论力学为其他较难的理论物理课程（量子力学、电动力学等）打下必要的理论基础、使学生得到理论物理思维和研究方法的初步训练、对于学生能力的培养和科学素养的提高具有重要意义[4-6]。然而，目前理论力学课程与中学物理的衔接存在一些问题，这阻碍了理论力学的教学效率和效果，对此，我们进行了实践和反思，找到了一些解决方案。

一、理论力学中角速度矢量与高中物理圆周运动的衔接问题

周先生编写的理论力学教材中，第三章第二节的内容为角速度矢量，主要为后文描述刚体的转动提供必要的准备。在这一节中，首先要讲解有限转动和无限小转动的区别，要明确如何确定一个量是否为矢量;然后引出角位移这个物理量，通过矢量的两个要素证明角位移是矢量;最后从角速度的定义出发，通过角位移的矢量性证明角速度为矢量。

人教版的高中物理教材第六章讲述了圆周运动。在这一章中，首先讲解什么是圆周运动，对圆周运动的现象、角速度、线速度、周期等进行直观、简单的描述;然后通过实验给出向心力，以及向心加速度的定义及特点，也进一步点明向心力是物体作圆周运动的原因;最后列举生活中圆周运动的几个例子，把理论知识应用到现实生活当中。

从上面的大学理论力学的课程内容和高中物理圆周运动教学内容的对比中，我们发现了一些衔接方面的问题：

1.理论力学强调角速度的矢量性，整个教学内容都是围绕证明角速度是矢量这个核心问题而展开的，证明过程中引入了另外一个学生没有接触过的物理量—角位移，所以多数大学生学完了这节内容，对于角速度的矢量特性仍然一知半解，理解的不够深入。而高中物理从圆周运动的现象引出转动这种运动形式，在此之前高中生对转动没有明确系统的学习，所以与转动息息相关的物理量—角速度的介绍也是十分的浅显的，直接类比线速度的定义方式，给出角速度的公式，即（其中和指角度和时间的变化量），最后得出线速度与角速度的关系，（为圆周运动的半径）。但是这些关系其实都只局限于量值（大小）上的关系，对角速度的方向没有进行任何说明，这与大学理论力学的内容存在矛盾。

2.理论力学在角速度矢量这一节结束之后，紧接着就是与转动相关的内容，包括欧拉角、刚体运动微分方程、刚体转动惯量等，但是却唯独没有单纯的圆周运动。这使得大学生们在思维上出现了一个断层，因为他们在中学中已经固化了角速度就是与圆周运动直接相关的物理量这一思维模式，但是到了大学，角速度变复杂了，这些学生们可以理解，但是理解之后卻又感觉无用武之地，没应用在圆周运动上，让他们很难把角速度这一矢量理解到一定的深度。而实际上，理论力学在第三章的第六节“刚体的平动与绕固定轴的转动”才开始“不经意”地提到圆周运动，这显然使得学生对角速度和转动的认知都处于一个事倍功半的状态。

二、应对策略

如何让大学的理论力学中角速度矢量与中学物理的圆周运动知识实现无缝链接，让学生们可以事半功倍地学习，让教师的教学效果更好呢？我们通过与高中师生的交流、实践与摸索，得到以下较为实用的应对方案：

1.在高中阶段，教师讲解角速度时，应采用启发式的教学模式，引导学生去思考角速度到底有没有方向，或者说在高中阶段留下一个伏笔，让有余力的高中生可以自己去查一些资料来得到答案。这样将来在大学的理论力学学习中，学生才能更好地理解角速度是矢量这一事实，才能够批判性地看待高中阶段给出的公式，理解它们的局限性。而同样，在大学的课堂上，教师也应注重高中和大学知识的对照比较，使得学生把角速度矢量理解到更深的程度，更容易记忆角速度与线速度关系的公式：，更能理解角速度的方向是沿转轴的这一事实。

2.在大学阶段，教师应照顾学生的思维习惯，在“角速度矢量”这一节内容完成之后，马上给出生活中圆周运动的一些例子，引导学生应用所学的知识去分析角速度矢量的大小和方向，以达到巩固知识，加深理解的目的，这样学生在后续的较难内容的学习中才能更加轻松和高效。具体的例子可以选择高中物理教材第六章第4节“生活中的圆周运动”中的一些典型实例，包括火车转弯、离心运动等。但是高校教师也需注意，在教学手段上，应多引入图片、动画等多媒体教学方式，以方便学生的理解和节省时间。

一、总结

本文阐述了大学的理论力学课程中角速度矢量与高中物理圆周运动的衔接所出现的问题以及解决方案。经过本校理论力学教师和高中物理教师的共同努力，该教学改革方案已经取得了一些成效，高中生对于物理的学习兴趣增加、大学生对刚体的角速度以及转动的认识更加深刻扎实、课堂效率和效果均得到了提升。我们将继续深入这方面的实践和探讨，期待为高中生和大学生带来更大的益处。