理论力学教学实践中的几点探讨
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）43-0143-03
我国高校改革逐步与国际化接轨，办学理念和方法有了较大的转变。从精英式教育过渡到大众式教育，教学目标日渐综合化，要求培养重基础宽专业，面向市场需求的人才。在这种形势下，选修课增多了，为了提高学生毕业后的就业竞争力，学生还需获得英语、计算机等级证书及一些其他的专业类上岗证书，理论力学课程不但课时由96学时减少到了72学时甚至更少，且学生课后自主用于该课程的学习时间更是大幅减少。针对《理论力学》的教学面临着的巨大的挑战，我们对其课程教学改革进行了一些有益的尝试。
一、理论力学教学的现状
《理论力学》课程教学学时被压缩，授课时间大幅缩短，不仅造成每一节课的讲授信息量增大的同时对课程内容讲解详细程度有所压缩，甚至部分内容取消留以学生课后自学。这种情况的出现，对教师“教”的能力和学生“学”的能力都提出了更高的要求。为了有效地完成教学任务和目标，多媒体教学的方式无论是形象直观性还是大信息量的输出上相比于板书教学有较大的优势。但是利用多媒体课件在进行公式定理推导、证明以及解题示范过程时，常常使学生感到生硬枯燥，无法跟上教学节奏，教学效果大打折扣。现在智能手机大量普及，学生在听课感到枯燥时不自觉地就会查看手机信息以及用手机较长时间上网。我们曾利用一节小班教学的理论力学课程进行了统计，上课开始的10分钟内，100%的学生能够将注意力集中在课堂上，上课至25分钟时，陆续就有同学开始一直看着桌下的手机，35名同学中已有8名后排的同学注意力已经转移到了手机上。距45分钟下课时间还有5分钟时，全班约有三成的同学已跟不上上课的节奏。在教学过程中发现，学生普遍感觉听课易懂，教师上课时无论是推导还是解题学生们都能明白思路和过程，但是一旦学生需要自己动手解答问题，就普遍反映习题难做。《理论力学》静力学部分的不少概念在中学和大学物理中就已经学过，听起课来不难接受，但等到自己独立做题时就感觉相当费时，有时无法下手，其原因就是这些学生从表面上去理解，缺乏自主的分析，并没有真正掌握和领会解题方法和技巧。
二、理论力学教学方法的改革
1.多媒体手段。适当利用现代的多媒体展现上课内容是目前教学改革的一个重要方面。多媒体是文字、声音和动画等多种承载媒体的表现形式，能够生动地展示丰富的多媒体信息。它有效地加大了课堂信息量，为教师的运用启发式教学和展示学科前沿内容创造了条件。例如对于一些复杂构件的运动，学生们反映机构的运动和机构中的各个组成部分如何传递运动较难想象。在给同学们通过多媒体进行演示之后，将机构运动过程、动点的绝对和相对运动轨迹动态地显示出来，抽象的问题直观化，同学们对于构件的运动基本了解之后再运用到运动学以及动力学中，加深了学生的分析和理解。然而并不是所有问题都适合采用多媒体手段，对于基本方程的推导、经典例题的讲解，利用黑板书写教学方法有着独特的优势。通过黑板推导方程或者讲解例题的时候，对学生来说也是个思考的过程，可以在老师书写的时候独立自主思考并跟上解题的思路。运用多媒体讲解例题少了黑板书写的过程，很多例题一晃而过学生不能很好地理解以及思考。从美国等国家大学公开课程中看到，他们有极其现代化的教学手段，除了文字、声音、动画等多媒体，也有计算机的模拟仿真等，但是教学上传统的粉笔书写黑板、模型教具仍在大量使用，他们不是相互排斥，而是相辅相成。传统的和现代化的教学手段的有机融合，有助于培养学生的思维能力，使教学的效果得到最大化。所以课时量的压缩以及现代教学的需要，多媒体教学方式是一种必然的趋势。每个教师根据自己的讲课风格，利用丰富的力学多媒体素材库，自主开发有自己教学特点的电子教案，它形象直观，信息量大，优化了理论力学课程教学过程。教师在课堂教学中应用多媒体教学辅助系统，生动演示与理论力学有关的工程问题的背景，包括现场照片、设计图纸、录像视频及相关的简化力学模型，图形、图像动静结合的表现了理论力学的概念、原理和方法。对于难懂的理论推导和计算，板书就能做到层次清楚，逻辑严密，推导过程节奏适中，在充分利用课堂时间的同时又能给学生留有思考的时间和空隙，使其能够掌握和理解晦涩难懂的理论基础。
2.注重理论联系实际。在教学中讲授一些基本定理的论述，并不是开门见山地将其描述出来，而是先列出一些生产生活中的实例，比如在讲授动量和动量守恒定理时，先以光滑面上偏心转子、跳水运动员空中转体以及猫落下时的翻身等动画，让同学们自己思考分析，给出力学解释。对于例题习题，除保留一些经典的例题外，还应不断地根据时代发展的特点和科技的进步，更新题型以赋予经典的理论力学以时代的色彩，显示与当代工程实际相结合的魅力。在例题和习题的选择上还要结合专业特点，因为不同的专业都有不同的侧重面，还应注意相关领域的问题，从而有效激发学生的学习兴趣和热情，同时给学生留出充分的想象和探索空间，利用学生的求知欲来引导他们积极思考。众多的国外特别是美国理论力学教材非常的多，但很大的一个特点是著书人没有刻意雕琢自己的著作，自由地将写作重点放在作者对理论力学的理解和体会上，特别是还将学习心得等方面写出来与大家分享，读起来非常有特点。例如Marion的《Classical Dynamics of Particles & Systems》，这本书不仅有作者自己的众多注解和体会，还有特别多的理论联系实际的具体例子，这些例子也是吸引学生和其他读者的法宝，在不断提高阅读兴趣的同时加深了对力学知识的理解和应用。
3.教学中的现代化。1979年钱学森先生就指出“必须明确地把电子计算机和力学工作结合起来，不然就不是现代力学”。我们尝试了将计算机技术引入理论力学教学，进行教学方法上的创新，培养学生利用计算机进行学习和研究理论力学问题的能力。如在讲授双摆运动中，传统的分析方法都是瞬态分析，而无法直观地得到整个运动过程。在教学中，我们采用了MATLAB软件对整个运动过程进行了计算，分析了其运动轨迹和速度，形象化了运动过程，提高了同学们对这个力学问题的感性认识。问题是这样阐述的：两个摆长为l，摆锤质量为m的单摆，用光滑铰链连接成双摆，两个摆只能在一个竖直平面内运动，研究其运动过程。 摆锤偏离平衡位置的摆角θ1和θ2为坐标可得到系统的拉格朗日函数为：
L=ml■■■+■ml■■■+ml■■■cos（θ■-θ■）+mgl（2cosθ■+cosθ■） （1）
通过计算可以得到如下简化方程：
可以得到利用MATLAB软件写出的功能函数为：
Function dy = subfun（t，y，l）
g = 9.8
dy =[ y（2）；
（1 * y（2）^2 * sin（y（3） - y（1））* cos（y（3） - y（1）） + g * sin（y（3）） * cos（y（3） - y（1）） +…
l* y（4）^2 * sin（y（3） -y（1）） - 2* g* sin（y（1）） / （2*l - l*（cos（y（3） - y（1）））^2）；
y（4）；
（-l* y（4）^2* sin（y（3） - y（1））* cos（y（3） - y（1）） +2* g* sin（y（1））*cos（y（3） -y（1）） -…
2* l* y（2）^2* sin（y（3） - y（1）） - 2*g* sin（y（3））） / （2* l - l* （cos（y（3） - y（1）））^2）]；
只要学生写出功能函数subfun（t，y，l），就可以直观地查看到摆角、角速度曲线形态，分析双摆的运动了。
三、结论
理论力学作为理工科学生的首门专业基础课程，应使学生受到理论思维和研究方法的初步训练，充分发挥理论力学培养学生学习能力、创新能力和科学素质养成的作用。进行理论力学课程的教学改革，是一个复杂的系统工程，其中涉及教学目标、教学内容、选择与设计教学多媒体等多方面的因素，限于本文的重点，仅从几点进行了探讨，还有大量的具体工作等待我们去做，不能一蹴而就，需要在实践中不断探索和总结提高。
