（课程与教学论专业论文）理论力学教学现代化探索.pdf

理论力学教学现代化探索 课程与教学论专业 、s 3 g 研究生：胡志娟指导教师：张廷蓉副教授 理论力学作为物理系的首门理论物理课程，对初步培养学生的理论物理思 维和研究方法起着至关重要的作用。但目前一些师范院校的理论力学课程与教 学中存在许多弊端：教材内容与普通力学的内容重叠较多，缺乏时代气息、未 能反映近代科技成果的新内容和力学的毅发展，教学方法和手段也显得较为落 后，未能充分发挥其培养学生学习能力、创新能力和促使学生科学素质育成的 作用。因此，理论力学教学改革迫在眉捷。 本文首先分析了目前理论力学课程和教学中存在的问题，并对国内外物理 课程及理论力学教学改革的现状进行了分析。然后，阐述了理论力学教学改革 的理论依据一建构主义学习理论。 接着，以建构主义理论为指导，在国内高校理论力学教学改革的经验基础 之上，根据社会对大学生的要求及经典力学自身发展的特点，对理论力学教学 的现代化提出了几点设想：第一、在理论力学课程中引入非线性力学的基本概 念、基本内容和基本方法。第二、把计算机技术引入教学，进行教学方法的改 革。让学生以数学软件m a t l a b 为学习工具，通过自主探索式学习来掌握所 引入的非线性力学的基本概念和内容，培养学生利用计算机的数值计算和模拟 技术来研究理论力学问题的能力。 最后，本文选取了两个典型实例：以单摆的运动作为“接口”，在理论力 学教学中逐步引入非线性力学的些基本概念和基本内容；以刚体的定点转动 为例介绍利用计算机的数值计算和模拟技术来研究理论力学中的非线性问题。 关键词：教学现代化，理论力学，建构主义，非线性力学， m a t l a b 软件 t h ee x p l o r a t i o no ft h em o d e r n i z a t i o no f t h e o r e t i c a lm e c h a n i c s t e a c h i n g c u r r i c u l u ma n di n s t r u c t i o n a lt h e o r yi np h y s i c s a u t h o r ：h uz h i - j u a n s u p e r v i s o r ：v i c e p r o f z h a n gt i n g - r o n g a st h ef i r s tt h e o r e t i c a lp h y s i c sc o u r s e ，t h e o r e t i c a lm e c h a n i c ss h o u l dg i v es t u d e n t s p r e l i m i n a r yt r a i n i n g o f t h o u g h ta n ds t u d ym e t h o d s b u t ，t h e r ea r em a n yd r a w b a c k si n t o d a y st h e o r e t i c a lm e c h a n i c s c o u r s ea n dt e a c h i n g b o t hc o n t e n t so ft r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a lm e c h a n i c st e x t b o o ka n di t s t e a c h i n gm e a s u r e sa l eo b s o l e t ea n do u t d a t e d s o ，t h e o r e t i c a lm e c h a n i c sc o u l d n tp l a yi t sr o l ef u l l yi nc u l t i v a t i n gs t u d e n t s a b i l i t i e s o fl e a r n i n ga n dc r e a t i n g , a n dp r o m o t i n gs t u d e n t s s c i e n t i f i cq u a l i w a sar e s u l t ，t h e r e f o r mo ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c si si m m i n e n t f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e sd r a w b a c k si nt o d a y st h e o r e t i c a lm e c h a n i c s c o u r s e a n dt e a c h i n g ，a n ds t u d ye x p e r i e n c e so ft e a c h i n gr e f o n no ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c s m e a n w h i l e ，t h ee s s e n t i a lc o n t e n t so fc o n s t r u c t v i s m ，a st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f o u rr e f o r mo ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c s c o u r s ea n dt e a c h i n g ，a r ed i s c u s s e d t h e n ，o ut h eb a s i so fr e f o r me x p e r i e n c e so fc h i n a sc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s , a n da c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fo u rs o c i e t ya n df e a t u m so fc l a s s i c a lm e c h a n i c s s e l f d e v e l o p m e n t ，s o m es u g g e s t i o n sa r ea d v a n c e d ： 1 、m o d e m i z a t i o no fc o n t e n t so ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c ss h o u l db ef o c u s e d a n d t h eb a s i cc o n c e p t i o n sa n ds t u d y i l 培m e $ s u r e so fn o n l i n e a rm e c h a n i c ss h o u db e i n t r o d u c e di n t ot h et h e o r e t i c a lm e c h a n i c s c o u i s ea n dt e a c h i n g 2 、m o d o l d i z a t i o no fm e a s u r e so ft h e o r e t i c a m e c h a n i c st e a c h i n gs h o u l db e f o c u s e d ，a n dt e c h n i q u e so fc o m p u t e rs h o u l db ei n t r o d u c e di n t ot h et h e o r e t i c a l m e c h a n i c s c o u l s ea n dt e a c h i n g u s i n gm a t l a bs o f t w a r ea sa s t u d yt o o l ，s t u d e n t s c a r lm a s t e rt h eb a s i cc o n c e p t i o n sa n dc o n t e n t so fn o n l i n e a rm e c h a n i c sb yt h e i ro w n e x p l o r a t i o na n ds t u d y ，a n dt h e ya s oc a ni m p r o v et h e i ra b i l i t i e si ns t u d y i n gt h e o r e t i c a l m e c h a n i c s f i n a l l y ，t h ep a p e rg v e s t w oe x a l l l p l e sa b o u tt h em o v e m e n t so fn o n l i n e a r p e n d u l u mm a dt h em o v e m e n t so fr i g i db o d ya b o u ti n s t a n tc e n t e rt oi n t m d u c es o m e b a s i cc o n c e p t i o n so fn o n l i n e a rm e c h a n i c s , a n dt oc u l t i v a t es t u d e n t s a b i l i t yo f s t u d y i n gn o n l i n e a rq u e s t i o n so ft i l e o r e t i c a lm e c h a n i c sb yc o m p u t i n ga n da n a l o g u e f u n c t i o n so fc o m p u t e r k e yw o r d s ：m o d e r n i z a t i o no ft e a c h i n g ；t h e o r e t i c a lm e c h a n i c s ；c o n s t m c t i v i s m ； n o n l i n e a rm e c h a n i c s ；m a t l a bs o f t w a r e 刖旨 随着我国基础教育改革步伐的加快，素质教育进入了关键阶段。目前，物 理学科和其他各门学科都相继推出了素质教育的新课程方案。与当前基础教育 的活跃和深入的程度相比，相对来讲，高等院校的物理课程和教学改革，特别 是与基础教育休戚相关的高等师范院校的物理课程和教学改革在应对这一变化 时显得滞后，在有些方面还表现为与中小学物理教学脱节。很多物理教师在工 作了多年以后，深感自己需要有“三个更新”：一是教育理念上需要更新，特别 是需要学习先进的教育思想和教育教学理论；二是在物理知识上需要更新，特 别是需要学习和了解最新的物理科学前沿及它们在高新技术领域中的应用：三 是在教学手段和方法上需要更新，特别是需要掌握现代化的教育信息技术和网 络技术。因此，在当前和今后段时间内，重新审视师范教育的培养目标， 为基础教育培养推行素质教育的教师是摆在高等师范院校面前的紧迫任务。高 等师范院校要主动适应基础教育的改革，要致力于人的创新精神和创新能力的 开发和培养。未来的教师应该是带领学生创新的引路人和创新的榜样，因此， 在各级师范院校中全面推行教学改革迫在眉睫，从师范教育的宏观层面上看， 师范教育必须树立新的教育观念，探索和建立多样化的人才培养模式；从课程 设置的中观层面上看，必须对现有的课程结构进行重新调整，创立具有时代特 色的新师范教育课程体系；从课程教学的微观层面上看，必须改革学科课程的 教学内容、教学方法、学生的学习方法以及考试评价方法。 不论是从国际还是从国内的情况看，当前各级各类学校深化教学改革的关 键都是在于：能否打破长期以来的传统教学模式。就此问题，国内外的许多教 育工作者、教育学家、教育技术专家多年来从理论与实践两个方面对教学改革 作了大量的研究与探索，建构主义理论正是这种努力所取得的主要理论研究成 果。建构主义理论的内容很丰富，其核心可以概括为：以学生为中心，强调学 生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。以学生为中心， 强调的是“学”，以教师为中心，强调的是“教”。这正是两种教育思想、教学 理念最根本的分歧点，由此而发展出两种对立的学习理论、教学理论和教学设 计理论。而建构主义教学观本质上是对人的主体价值给予充分尊重的教学观， 体现了教学研究的发展方向，成为革新传统教学的理论基础。 2 1 魁纪人类进入信息时代，麓重要标志是计簿机的使用。信息技术的迅猫 发展正引起教学领域的深刻变革，i p 算机在教学领域的运用有誊深远的意义， 这种意义不仅表现在引入了一秘新酌教学媒体，受根本的是引起了教学交往方 式豹深罄变革，教学价值观的深瑟改革。计算机的最大的教育徐毽在于使学生 成为课程与教学的主体，让学生获得学习自由，为学生提供可眺自由探索、尝 试和创造的条件。为了培养出符合新世纪要求的大学生，就必须使我们的教学 现代纯，教学褒我能凝是壤建一韬患送兹教学手段，馋授绘掌雯与当代科教发 展相威的基础知识。计算机及计辫方法的高速笈鼹使得计算机数值计算与模拟 技术成为物理研究巾除实验、理论分析之外的第三种研究手段，这种变化势必 会反映在大学物理课程的教学中米。如侮将计算搬技术与物理学漯程的教学钵 系、痰容帮方法有飘遗结合莛来，楚教学现代像盼顼重要内褰。 就优化科技人才的知识结构和培养科技人才的科学素质及能力而言，物理 学所发挥的重要作用，其影响之深之广是其它学科所无法替代的。那么如何调 整帮突玻铸统熬秘理教弯摸式浚继续保持移发撵好耪理教套焱褥技天才培器 中的伉势和作用，开龟q 物理教育的新局面，已是撰在我国物理教育界面前一个 十分突出的问题。理论力学作为物理系的首门理论物理课程，对学生的理论物 理思缎和研究方法的规步培养起饕至关重要的作瘸，但耳前许多髓范院校的联 论办学谍程与教擎中存在缀多舅赣，瓣兹瑾论力学教材中部分瘫容陈| 酲、重复， 缺乏时代气息，教学方法和手段较为落后，未能充分发挥其培养学生学习能力、 创新能力和促使学坐莓珥学素质育成的作用。因此，理论力学教学改革追在眉捷。 零文痒考羲瑾论力学教学豹瑗健豫逡牙了搽索j 静骚究。羲燹分辑了理 亍纛 论力学课程和教学巾存在的问题，耐时对国内外物理课程及理论力学教学改滚 的现状进行了研究。按着，阐述了理论力学教学改蕈的理论基础一建构主义理 论。在围惠毫校的理论力学教学改肇经验基餮g 之上，以建拇主义理论为指导， 根据被会瓣大学生酌簧求及经葵力举蠹隽发震麴梅点，鼹理论力学豹教学改孳 提出几点设想：第一，在理论力学数学内容的现代化方面提出：在理论力学教 材中引入非线性力学的基本概念、基本内容和基本方法。第二，在教学方法的 褒代鼗方嚣提凄：挺诗篝援菝寒雩 入教学，逶 亍教学方法懿改蘩。诖擎皇趺鼗 学软件m a t l a b 为学习工具，通过自主探索式学习来掌握所引入的非线性力 2 学的基本概念和内容，培养学生使用计算机技术研究理论力学问题的能力。 最后，本文选取了两个典型实例。以单摆的运动作为“接i s ”，研究单摆 在有阻尼有策动力条件下的大摆幅运动，逐步在理论力学教学中引入非线性力 学的一些基本概念和基本内容；以刚体的定点转动为例介绍利用计算机的数值 计算和模拟技术来研究理论力学中的非线性问题。 第1 章理论力学课程与教学中存在的问题与改革现状 1 1 理论力学课程与教学中存在的问题 物理教学的现代化是当前物理教学改革的一个重要方向，人们对此进行了 大鞋的实践和探索，展开了热烈的讨论，这些研究主要集中在以普通物理为主 干的基础物理课程改革中，国内大学物理杂志还专门开辟了“基础物理教 学现代化问题”专栏进行这一课题的讨论。基础物理教学现代化涉及的方面很 多，从框架、教学方法到习题的现代化都进行过探讨，并编写出了一些较有影响 的教材i 硐。然而，相对而言，理论物理课程和教学的改革则稍显滞后。 理论物理是物理学中的一个很重要的组成部分，在国家理科基础科学研究 和教学人才培养中起着奠基的作厝。随着社会盼发展，在高等教育的思想观念、 教育体质、课程体系、教学内容、方法和手段以及人才培养规格和目标都进行 相应改革的前提下。为培养跨世纪高素质人才，贯彻“教育要面向来来，面向 世界，面向现代化”的教学改革精神，加强学生物理素质和科学素质的培养和 提高，理论物理课程必须进行改革。作为首门理论物理课程的理论力学的教学 改革则更显紧迫，物理专业课程中的理论力学是一门极其重要的基础学科，它 是理论物理学的一个重要组成部分，它为后续的理论物理课程提供了许多重要 的基本概念、规律及研究方法，学习和掌握理论力学是进步学习和掌握理论 科学与应用科学的基础。因此，在理论力学教学过程中应让学生受到理论物理 思维和研究方法的初步训练。然而，分析目前许多师范院校使用的理论力学教 材与理论力学教学过程，会发现其中存在一定的弊端，如所使用的理论力学教 学大纲基本上是8 0 年代初制定的，教材是使用综合性大学编写的教材，不仅 大纲与教材脱节，而且内容较为陈旧。具体可以概括为以下几点： 1 、理论力学中的很大一部分基本概念与学生在大学物理课程中已学过的 力学的基本内容相重复，且没有用2 0 世纪的新观点新思想表述理论力学的基 本概念和规律。这让学生认为理论力学不过是采用不同的数学方法描述与高中 或大学普通力学的内容，因而不能调动学生的学习积极性，更不用说培养学生 的创新能力。 2 、教材中缺乏反映近代科技成果的新内容和理论力学的新发展，未能很 好地将力学与2 0 世纪现代物理和科学技术的发展相联系，因而没有很好的体 现理论力学的现代价值。如理论力学课程中原来广泛存在的非线性问题，以及 目前的力学发展的前沿忙线性力学，都医【数学困难而采取回避态度。 3 、在教学过程中大多采用传统的教学模式，教师不重视学习情境的刨设， 忽视了学生的学习能动性，未能充分培养学生的刨造性思维能力、知识在实际 中的应用能力。在教学过程中激发学生科学研究兴趣的内容太少，致使学生学 得不活，学习积极性很难调动起来。 4 、教学手段和教学方法也显得落后。当今飞速发展的计算机通讯技术能 使学生成为课程与教学的主体，让学生获得学习自由，为学生提供可以自由探 索、尝试和创造的条件。然而，我国一些高等院校的理论力学课程教学中未能 充分发挥“计算机”这一重要学习工具的作用。 针对以上问题，力学、理论力学教学研究会于1 9 9 8 年召开了第八届高等 院校理科力学、理论力学教学与教材研讨会，并就许多问题达成共识，提出了 进一步开展工作的建议，指出力学和理论力学的教学正处在改革阶段，针对各 种类型学校、各种培养目标需要，可制定多元化的、要求明确的、适应当前形 势需要的力学、理论力学大纲。此外教学内容、能力训练方面如何界定是个 非常重要的问题，是一个在改革中需要不断及时明确的问题。同时强调教学内 容和教学手段的n - 4 l 是当前教学改革的一个重要方向，应在抓紧教学内容现 代化的同时积极推广现有教学辅助手段的成果，尤其是计算机在教学过程中的 应用，以进一步推进改革。从这次会议的召开到目前为止，我国各大院校已在 积极进行理论力学的教学改革。 1 2 国内外理论力学课程与教学改革现状概述 1 21 国外物理课程改革的启示 1 9 5 7 1 9 6 7 年，发端于美国，波及全球的课程改革运动是以“教学内容现 代化”为中，i i , 的，它要求改变传统的课程模式，把现代的科学成果更完整地、 及时地反映在学科结构中。然而这次改革运动受挫。但这次改革所倡导的课程 “质”重于“量”的思想以及让学生积极主动探索知识的原则产生了广泛的影 响。1 9 8 7 年美国开始了新一轮大规模的大学物理课程改革运动，提出了指导新 课程发展的原贝l j l 5 j ：1 、相对于现状，课程的总体内容应当大大减少。2 、课程 内容之间应当具有联系性。3 、突出现代物理内容。美国基础课程改革体现了 当代世界科学课程改革的基本特点，这为我国物理课程改革提供了新的思路。 因此，我们在设计物理教材的过程中应注意以下几方面：1 、要体现现代知识 观，2 、要贯穿建构主义的课程理念，3 、要适合我国学生的实际情况。 苏联非常重视传统教材，对5 0 - 6 0 年代影响较大教材他们始终引以自豪， 并且不断再版，随着科学技术的发展和教学改革的需要，他们各类新的版本也 在不断涌现，m a 巴洛夫斯基博士编著的理论力学便是一例，该书为工科 院校多学对理论力学的教学编写，全书共分静力学、运动学、动力学、分析力 学基础四编。该书力求提高讲授起点，扩大知识内容，避免与普通物理学中有 关内容的重复，从总体上看简化了静力学，扩大了运动学，加深了动力学，增 加了分析力学。这是苏联理论力学教学的实际情况，反映了他们理论力学教学 改革的方向。 1 + 2 2 国内理论力学教学改革的现状 目前，国内高等院校的理论力学教学改革正在进行之中，部分院校提出了 改革设想，有的付诸实施取得了较好的效果，有的则有待进一步的实践。工科 类院校在理论力学的教学改革上走在了前面，如清华大学工程力学系、北京理 工大学、天津大学、华南理工大学、上海交通大学等，分别开展了一系列研究 工作并取得了较好的效果。 清华大学工程力学系在理论力学教学改革方面做了许多有益工作，有很多 方面是值得我们借鉴【“】。他们的做法是：首先在课程体系的调整上改变从特 殊到一般，从已知到未知的传统体系，采用了从一般到特殊的讲授方法。如在运 动学中从一般质点系运动讲起，在刚体运动学中从刚体的般运动开始，逐步 增加一些特殊条件得到定点运动、平面运动、定轴转动和平动等。在静力学中 先讲适用于一般质点系的虚功原理，由虚功原理给出力系等效的概念，给出刚 体这个特殊质点系的平衡条件。这样的体系能迫使学生放弃用中学知识理解理 论力学内容的尝试，从一开始就集中精力来接受和理解新总路和新方法，避免 由于盲目推广以前知识来研究新问题而造成错误，有利于学生纠正以前得到的 不准确的概念，同时有利于培养学生创造能力。另外，尽量利用学生已经学到 6 的数学r ：具，加强解析方法在理论力学中的应用，力图做到从应试教育向素质 教育的转变，从知识灌输向创造性培养的转变，从不同层次培养学生研究能力 , n g , j 新思维。 在课程内容的更新上，北京理工大学的梅风翔教授提出，理论力学的内容 改革要办两件事【7 】：一是对原有内容加以整合、精简；另- - n 是要加进新内容、 要更新旧内容。对于更新的内容考虑到以下三个方面：( 1 ) 引入非线性动力学 的基本思想和基本概念如混沌与分翁；( 2 ) 引入多体系统动力学( 计算动力学) 的基本思想与基本概念，只要在质点动力第一类拉格朗日方程的基础上稍加引 伸便可做到；( 3 ) 引入动力学逆问题的基本思想与基本概念，这可在质点动力 学第一类问题的基础上适当加深便可做到。 上海交通大学工程力学系在理论力学课程体系与教学内容改革方面进行 了探索与实践i7 1 2 l 。他们强调对学生三个能力的培养，即培养学生面对工程复 杂对象正确建立力学模型的能力，培养学生正确处理模型以得到力学性态的能 力，培养学生判断分析结果正确与否的能力。并已编写了新体系的理论力学教 材和开发了配套的计算机辅助教学软件“理论力学问题求解器”。新教材总体 上分为两大模块，即基础模块和计算机辅助分析模块。基础模块中强化静力学、 运动学与动力学的基本概念、原理与处理问题的基本方法，同时对传统的内容 进行重新筛造与组合，并在叙述上有所突破；计算机辅助分析模块用于培养学 生对复杂系统正确建立力学模型的能力和利用软件对系统运动学与动力学过 程以及静力学系统平衡与受力进行分析的能力。 从收集的文献来看，许多工科类院校正致力于理论力学的教学改革工作。 在多年的理论力学教学经验基础之上，他们提出了一些颇有创新的教学改革思 路和设想并付诸积极的实践，虽然f 也f 门的设想和改革经验具有浓厚的工科院校 特色，但对师范和理科院校进行理论力学教学改革仍有很强的借鉴和启发作 用，其可归纳为以下几点： 一、理论力学教材内容的改革：( 1 ) 对原有内容的整合精简以减少对各门 课程之间的重叠及每门课程的之间的罗列现象，对已有旧知识的讲解上注意扩 大知识内涵，引入新思路与研究方法，开发学生的科学潜能，培养学生的创新 能力。( 2 ) 在理论力学中适当加入近代科技成果的新内容和力学的新发展。 7 二、理论力学教学思想、教学手段和方法的改进，强调教学手段的现代化。 建议各高等院校根据自身的硬件条件，充分利用包括c a i 、实物投影、录像、 黑板等工具，对每一具体的教学内容组织和实施多讯道教学。重视培养学生的 建模能力和用计算机处理解决工程问题的能力。 目前，师范类院校( t l 京师大、广西师大、华中师大等) 也分别在不同程 度上开展了理论力学的教学改革工作，并取得一些进展。 在探索理论力学课程改革中北京师范大学致力于教学内容和教学方法的 现代化f ) 3 - “，他们提出：将与现代和未来科技发展密切相关的菲线性力学和运 动稳定性理论的基础知识作为新的理论基础引入新编教材；在教学方法现代化 方面，配合教材开设“理力计算机模拟实验”课程，新课以数学软件m a na b 为学习工具，让学生通过自主探索式学习，掌握用计算机的计算与模拟技术研 究理论力学问题。 广西师范学院针对理论力学教材中存在的问题提出了他们的改革思路1 1 7 】： 适当压缩矢量力学、加强分析力学。对教材内容特别是矢量力学进行部分重组， 力求简明扼要、重点突出。对与普通力学重复较多的质点力学和质点组力学， 则是减掉某些部分，如质点运动学，并注意补充一些新的研究成果及介绍经典 力学在现代科技中的应用，加强理论力学教材的现代化气息。在分析力学教学 中，注意阐述力学概念的本质，利用对比( 与矢量力学) 方法讲述分析方法的 特点，给出力学变分原理，l 方程、h 方程，为后续理论物理课程的学习打下 良好的基础。同时，在教学方法和手段的改革上提出了一些有实效的措施：1 、 让学生参与课堂教学，改变教师讲，学生听的满堂灌的教学模式。2 、重视习 题课的效率和质量。3 、邀请校内外、国内外专家学者举行学科前沿或专题讲 座。4 、推行学生导师制。5 、发挥计算机信息技术的优势，鼓励教师制作和使 用计算机辅助教学( c a d 软件，推进教学手段现代化的进程。 华中师范大学认为传统的理论力学教材中7 0 以上是牛顿力学，而作为理 论物理内容和方法基础的分析力学则不到3 0 ，这不仅落后于物理学的发展， 也落后于中等教育的发展f 1 8 1 。因此在编写理论力学教材内容上，他们立足于提 高教材内容的起点，只保留分析力学部分，牛顿力学的部分内容作为例题处理， 部分下放到普通物理中，而对偏重解题技巧的繁琐部分则完全删除。在分析力 8 学中突出了作为理论物理基础的变分原理，并注意加强理论物理中起支配作用 的对称性和守噎律。同时以培养学生的创新精神和创造力为核心，采用学生讲 课，习题课，讨论课和计算机解题等多种形式，进行教学方法改革。 湘谭师范学院在分析现在物理教育专业课程体系和教学内容所存在的弊 端的基础上，对物理系课程体系改革提出了一种设想【1 9 】：以相对论、量子力 学为主线构建现代物理课程。对于理论力学课程，他们采取将力学和理论力学 合并。 综上所述，无论是工科和理科或是师范类院校，他们对理论力学教学的改 革重点放在两方面，一是教材内容的精简、重整与内容韵现代化；二是教学方 法的改革，强调教学方法和手段的现代化，提出在教学过程中充分利用计算机 辅助教学的功能等。 理论力学课程内容的现代化和教学方法、手段的现代化是当前理论力学教 学改革中的一个重要方向。本文作者对此进行了深刻的思考，认为我们必须以 现代先进的教育理论为指导，来重新探索和研究如何解决理论力学教学中存在 的问题，在理论力学教学改革中做到理论和教学改革实践相互结合。当今社会 呼唤大批“开拓型”、“综合型”、“创造型”的人才，与此相适应，现代先进教 育理念强调通过教育来培养学生的“自我意识”“竞争意识”和“创新意识”， 竭力倡导教育应以“学生发展为本”，尊重学生的自主学习权利，努力为学生 的学习创设良好的学习情景，使学生通过与教师、同学的协商讨论，在参与操 作和实践的过程中去发现和理解知识，并通过意义建构形成自己的认识结构， 在获取知识的同时发展起多方面的能力。这种教育理念对我们进行理论力学教 学改革工作很有启示和指导作用。这要求我们合理运用有效的教育手段和教育 方法，并结合理论力学课程的特点，创设有利于激发学生的学习兴趣，有利于 学生意义建构的学习环境，培养学生的创新意识和创新能力。 9 第2 章 理论力学教学改革的理论依据 教学是教师依据教学理论，运用适当的技术与方法，引导学生主动学习， 以完成教学目标的活动。教学的改革离不开教育理论的指导。在理论力学教学 改革过程中，我们应该用先进的教学理论作指导，在教学过程中充分体现理论 与实践的相互结合。 2 1 教学研究的发展趋势 不论是从国际还是从国内的情况看，当前各级各类学校深化教学改革的关 键都是在于：能否打破长期以来的传统教学模式，这种教学模式的特点是：以 教师为中心，教师讲、学生听、主要靠教师向学生灌输，作为认知主体的学生 在教学过程中自始自终处于被动状态，其主动性、积极性难以发挥。既不能保 证教学的质量与效率，又不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性 思维，即不利于创造型人材的成长。为了改变这种状况，国内外的许多教育工 作者、教育学家、教育技术专家多年来从理论与实践两个方面作了大量的研究 与探索，建构主义理论正是这种努力所取得的主要理论研究成果。建构主义的 学习和教学理论是在杜威、维果茨基、皮亚杰和布鲁纳等的思想基础上的又一 次综合和大发展，它的内容很丰富，其核心可以概括为：以学生为中心，强调 学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。以学生为中， 强调的是“学”，以教师为中心，强调的是“教”。这正是两种教育思想、教学 理念最根本的分歧点，由此而发展出两种对立的学习理论、教学理论和教学设 计理论。而建构主义的教学观本质上是对人的主体价值给予充分尊重的教学 观，体现了教学研究的发展方向。 我们可以从理念、技术、基础三个层面概括当前教学研究或教学设计研究 的发展趋势。( 一) 、在理念层面，建构主义认识论正在取代客观主义认识论 而成为教学领域的基本观念。在传统教学领域占支配地位的认识论观念，不论 是行为主义还是认知主义，都属于客观主义范畴，受其支配的教学必然具有控 制性质，学生必然是被动的。教学即是对学生施加控毒i 的过程。建构主义认识 论是对客观主义的根本超越，建构主义认识论主张知识是主体与客体在相互作 用过程中主动建构的和由内部生成的。如果说客观主义使教学成以人的控制过 程的话，那么建构主义认识论则使教学成为人的解放的过程。( 二) 、在技术层 喵，信息技术的迅猛发展正引起教学领域的深刻变革，计算机在教学领域的运 用有着深远的意义。这种意义不仅表现在引入了种新的教学媒体，更根本的 是引起了教学交往方式的深层变革，教学价值观的深层变革。计算机最大的教 育价值在于使学生成为课程与教学的主体，让学生获得学习自由，为学生提供 可以自由探索、尝试和刨造的条件。( 三) 、在基i 出层面，教学论己不再只是教 育心理学的应用学科，其研究开始建立在多学科的基础之上。 多媒体计算机和鼹络教学的应用，为建构主义学习环境提供了理想的认知 工具，有效地健进学生的认知发展。随着现代技术手段的发展，建构主义的学 习理论将迅速走出理论家的象牙之塔，曰益与广大教师的教学实践普遍地结合 起来，成为各级各类学校深化教学改革的指导思想和批判传统教育思想与教学 观念的锐利武器。 2 ，2 建构主义理论的基本内容 2 2 1 建构主义的学习观 建构主义学习观【2 1 訇的基本内涵可以从如下三个方面进行理解， 1 、建构主义的知识观 建构主义者( 特别是激进建构主义) 般强调知识并不是对现实世晃的绝 对准确的表述，它是一种解释，种假设，它并不是问题的最终答案。相反， 它会随着人类的进步而不断被“革命”掉，并随之出现新的假设：而且，知识 并不能精确地概括世界的法则，在具体问题中，我们并不是拿来便用，一用就 灵，而是需要针对具体情景进行再创造。另外，建构主义者认为，知识不能以 实体的形式存在于具体个体之外，尽管我们通过语言符号赋予了知识一定的外 在形式，但这并不意味着学习者会对这些命题有同样的理解，因为这些理解只 能由个体学习者基于自己的经验背景而建构起来，这取决于特定情境下的学习 历程。建构主义的这种知识观尽管不免过于激进，但它向传统的教学和课程理 论提出了巨大挑战，值得我们深思。 2 、建构主义的学习活动观 建构主义认为，学习不简单是知识由外到内的转移和传递，而是学习者在 一定的情境即社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助， 利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。学习者在主动地建构自 己的知识经验的过程中，通过新经验与原有知识经验的反复的、双向的相互作 用，来充实、丰富和改造自己的知识经验。在这种建构过程中，一方面学习者 对当前信息的理解需要以原有的知识经验为基础，超越外部信息本身；另方 面，对原有知识的运用又不只是简单地提取和套用，个体同时需要依据新经验 对原有经验本身做出某种调整和改造，即同化和顺应两方面的统一。学习者不 是被动的信息吸收者，相反，他要主动地建构信息的意义，这种建构不可能由 其他人代替。学习是个体建构自己的知识的过程，这意味着学习是主动的。 3 、建构主义的学生观 建构主义强调，学习者( 学生) 并不是空着脑袋走进教室的，在以往的生 活、学习和交往活动中，他们逐步形成了自己对各种现象的理解和看法，而且， 他们具有利用现在知识经验进行推论的智力潜能。因此，教学不能无视学生的 这些经验，另起炉灶，从外部装进新知识，而是要把学生现有的知识经验作为 新知识的生长点，引导学生从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验。 2 2 1 建构主义的教学观 建构主义教学观【2 1 - 2 6 的基本内涵可概括为如下三个方面。 1 、学习在本质上是学习者主动建构心理表征的过程，这种心理表征包括 结构性的知识，也包括非结构性的知识或经验。 2 、教师和学生分别以自己的方式建构对世界( 人、社会、自然、文化) 的理解，其对世界的理解因而是多元的，教学过程是教师和学生对世界的意义 进行合作性建构的过程。 3 、建构主义学习环境由情境、协作、会话和意义建构四个要素构成；建 构主义的教学策略是以学习者为中心的。 建构主义提倡在教师指导下的，以学习者为中心的学习，既强调学习者的 认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构帮助者、促进者， 而不是知识的传授者与灌输者，学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者， 而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。 学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从以下几个方面 发挥主体用：( 1 ) 要用探索法、发现法去建构知识的意义：( 2 ) 在建构意义过 程中要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各 种假设并努力加以验证：( 3 ) 要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经 知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考。 教炜要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个 方面发挥指导作用：( 1 ) 激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机；( 2 ) 通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生 建构当前所学知识的意义；( 3 ) 为了使意义建构更有效，教师应在可能的条件 下组织协作学习( 开展交流) ，并对协作学习过程进行引导使之朝着有利于意 义建构的方向发展。 2 2 3 建构主义学习环境下的教学模式和教学设计原则 在研究儿童认知发展上产生的建构主义，不仅形成了全新的学习理论，也 正在形成全新的教学理论，它要求教师在教学过程中采用全新的教学模式( 彻 底摒弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教学模 式) 、全新的教学方法和全新的教学设计思想，因而必然会对传统的教学理论、 教学观念提出挑战，形成瓤一代学习理论一建构主义学习理论及与建构主义 学习环境相适应的新一代教学模式，其可概括为：“以学生为中心，在整个教 学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、 会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首自精神，最终达到使 学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。”固】在这种模式中，学生 是知识意义的主动建构者；教师是教学过程的组织者、指导者，意义建构的帮 助者，促进者；教材所提供的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构 意义的对象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情 境、进行协作学习和会话交流，即作为学生主动学习、协作式探索的认知工具。 在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比已发生 很大的变化。综观近年来在国外主要教育技术国际会义上发表的多种建构主义 学习环境，可将其中使用的教学设计原则阳概括如下： ( 1 ) 强调以学生为中心。如何体现以学生为中心，建构主义认为可以从 三个方面努力：1 、要在学习过程中充分发挥学生的主动性，要能体现出学生 的首创精神；2 、要让学生有多种机会在不同的情境下去应用f 也1 门所学的知识 ( 将知识“外化”) ；3 要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物 的认识和解决实际问题的方案( 实现自我反馈) 。 ( 2 ) 强调“情境”对意义建构的重要作用。学习总是与一定社会文化背 景相联系的，在实际情境下进行学习，可以使学习者利用自己原有认知结构中 的有关经验去同化和顺应当前学习到的新知识；如果原有经验不能同化新知 识，则要引起“顺应”过程，对原有认知结构进行改造与重组。总之，通过“同 化”与“顺应”才能达到对新知识意义的建构。在传统的课堂讲授中，由于不 能提供实际情境所具有的生动性、丰富性，因而将使学习者对知识的意义建构 发生困难。 ( 3 ) 强调“协作学习”对意义建构的关键作用。学习者与周围环境的交 互作用，对于学习内容的理解起着关键性作用，学生们在教师的组织和引导下 一起讨论和交流，共同完成对所学知识的意义建构，而不是其中的某一位或某 几位学生完成意义建构。 ( 4 ) 强调对学习环境( 而非教学环境) 的设计。建构主义认为：学习环 境是学习者可以在其中进行自我探索和自主学习的场所，在此环境中学生可以 利用各种工具和信息资源来达到自己的学习目标，学习应当被促进和支持而不 应受到严格的控制与支配，学习环境则是一个支持和促进学习的场所，建构主 义学习理论指导下的教学设计应是针对学习环境的设计雨非教学环境的设计， 这是因为教学意味着更的控制与支配，而学习则意味着更多的主动和自由。 ( 5 ) 强调利用各种信息资源来支持“学”( 而菲支持“教”) 。为支持学习 者的主动探索和完成意义建构，要为学习者提供各种信息资源( 包括各种类型 的教学媒体和教学资料) ，这里利用这些媒体和资料并非用于辅助教师的讲解 和演示，而是用于支持学生的自主学习和协作式探索。 ( 6 ) 强调学习过程的最终目的是完成意义建构( 而非完成教学目标) 。把 学生对知识的建构作为整个学习过程的最终目的，在学习过程中一切活动都要 从属于这个中心。 建构主义作为一种学习理论极具启发意义。但在一些问题上也有偏颇( 如 在批判传统教学观的弊端时，在些维度上走向了极端) ，而且其内部也存在 诸多分歧，我们一方面要在理论上深入分析和把握它，以辩证的观点认识学习 和教学中的基本问题，同时又应具体到教学活动中，在更具体的水平上汲取其 合理之处，从而建构我们自己的学习和教学理论。 2 3 建构主义理论对物理教学改革的启示 建构主义从认识论的高度提出了认识的建构性原则，强调了认识的能动 性，因此，建构主义教学观本质上是对人的主体价值给予充分的尊重，它体现 了现代教学的发展方向，它的基本观点为学生的学和教师的教提供了重要的启 示，这对我们的物理教学改革也有启示作用。 第一，物理教学模式变革。“以学生为中心，在整个教学过程中由教师起 组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境 要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现 对当前所学知识的意义建构的目的。榴】是建构主义学习理论的教学模式。这 种教学模式意味着教师在教学过程中要彻底摒弃教师中心的传统教学模式。学 生是物理知识意义的主动建构者，教师是教学过程的组织者、指导者，意义建 构的帮助者、促进者，物理教材所提供的知识是学生主动建构意义的对象；媒 介是用来刨设情境、进行协作学习和会话交流，即作为学生主动学习、协作式 探索的认知工具。 第二，革新物理教学方法。在建构主义的教学模式下，目前开发出多种比 较成熟的教学方法。如“支架式教学”、“抛锚式教学”、“随机进入教学”1 2 1 】 等，尽管建构主义的教学方法有多种不同的形式，但有其共同点，在教学环节 中都包含并强调“情境创设”和“协作学习”。我们在物理教学方法改革时， 同样要重视学生学习情境创设，鼓励学生通过自主探索、协作学习最终完成对 所学物理知识的意义建构。 物理这门学科，其内容有严谨结构，物理学的现象和规律源于生活，应从 生活实际出发，这就要求创设有丰富资源的学习环境，包含许多不同情境的应 用实例和有关的信息资料，以便学生根据自己的兴趣爱好去主动发现、主动探 素。在甥理教学活动孛，毂缗应该注意瑙竣适当既阚题薅境，弓l 粥生矮中的实 例，制造学生在认知上的冲突以s f 越他们的反省及思考。同时威充分利用多媒 体技术创设或模拟现实情境，刺激学生感官，激发学生探索知识的欲望。 建稳主义强调“携作学习，这对意义的建鞫起着关键作慰，它能够促避 学生懿灞承平静愚缭籀学习活动。凌物理教学中教繇应尽量谜学生在学习过舔 中相甄沟通、相互合作、基同负责，给学生更多的空间去自主探索，从而达到 对物理知识意义的最终建构，而不仅仅只是教师全盘讲授，学生被动接收。 j 蝰葵龟 蘧嚣走方怒矮长蘩、复袈豹工程，在我 f j 对教弯改孥送幸亍反愚秘攥 划时，建构主义学习理论确实具有一定的指导意义，它不仅促使教师去反省过 去那