理论力学课堂教学深度和广度拓展的思考

1、理论力学课堂教学深度和广度拓展的思考摘要 理论力学是工科专业的基础课，要提升学业挑战度，增加课程难度，拓展课程深度，那么该 门课程对于工科专业来说，是首先要进行打造的。专业基础课的深度和广度拓展后，才能支撑后续专业 课的拓展。文中从理论力学的教学环节、教学内容、教学方法和手段，以及实践环节几方面，探讨理论 力学课堂教学的深度和广度的拓展，力求能够为打造理论力学成为“金课”出一份力。关键词 理论力学，课堂教学，深度，广度，拓展THE DEPTH AND THE BREADTH OF THEORETICAL MECHANICS INTHE TEACHING PRACTICE1)Abstract T

2、heoretical mechanics is a basic course for students majored in engineering. To improve the academic challenge level, increase the difficulty of the course, and expand the depth of the course, the course has to be carefully arranged. After the depth and the breadth of basic courses are expanded, the

3、follow-up professional courses are expanded, with regard to the teaching links, the teaching content, the teaching methods, as well as the practice links, to make a “golden class” for the theoretical mechanics. Key words theoretical mechanics, teaching, depth, breadth, expansion2018年8月教育部下发了关于狠抓新时代全

4、 国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知，明 确要求各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘 汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增 加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质 量。以“理论力学”、“材料力学”、“工程力学”为 代表的基础力学课程是工科中机械、土木、车辆等 许多专业的重要专业基础课，是进一步学习相关课 程的前提和基础。那么这些课程一定是我们在新 时代需要全面梳理教学内容的课程，也是我们要打 造的“金课”。其实，关于基础力学课程的教学改革, 提高基础力学的教学质量，在力学界的教师们一刻 都没有放松，不仅在教学研究中献计献策，而且也 在课堂教学中不断实践，教学研究的学术

5、论文层出 不穷I3-6。理论力学是工科类中量大面广的基础技 术课程，是工科专业后续专业课程学习必不可少的 专业基础课，不仅提供深入理解自然所需的知识, 而且也是未来专家对自然和工程过程创造性地建立 数学模型、研究并获得科学结论的有力工具7。理 论力学属于经典力学的范畴，但是它不会随着时代 的发展而过时，因为工程和生活中的大部分力学问 题仍然能够采用理论力学的方法进行分析和讨论。 不管怎样对理论力学进行改革，理论力学课程教学 的目的不变，这其中最重要的是要能够让学生掌握 将实际问题转化为数学模型的能力同。因此在理论 力学课堂教学中就要秉承课程教学目的不动摇，在 梳理课程教学内容，打造“金课”的过

6、程中对课程教 学内容的深度和广度要慎重考虑。本文结合多年的 理论力学教学经验和实践，在同济大学学生的素质 水平的基础上，从理论力学的教学环节、教学内容、 教学方法和手段，以及实践环节几方面，阐述理论 力学课堂教学的深度和广度的拓展。1从教学环节设置上保证课堂教学深度和广 度的拓展方向教学环节是课堂教学中每节课的组成部分，虽 然有各种设置，内容也不同，但是无论如何设置，都 是围绕课堂教学目标设置的，为实现课堂教学内容 而定。教学环节设置的好坏直接关系到教学目标的 达成，以及能否提高课堂教学效率。所以教学环节 的设置是非常重要的，不断优化教学环节也是教师 在提升教学能力的保证。优化教学环节可以从问

7、题 引入、提炼升华和内容拓展延伸等方面进行。1.1从问题引入出发，结合课堂教学内容，挖掘知 识内涵理论力学的研究对象都是来源于生活工程实际 中，课程中的各种系统是从实际中抽象出来的力学 模型。尽管具有高度的抽象性，而实质上总是扎根 于工程实际中的，所以工程实际与技术需要始终是 学习理论力学的真正源泉。作为教师要善于结合课 堂教学内容，捕捉工程实际中的力学现象，挖掘力 学知识的内涵，创设问题教学情境，引导学生用力 学的眼光去观察现象、发现问题，在问题解决的全 过程中，理解理论力学内容的本质，促进学生科学 核心素养的发展。在课堂教学引入问题的过程中，不要为了引入 而引入，要与本节教学内容紧紧相扣，

8、要建立在学 生对本节课堂教学内容有一个初步的认知基础上, 使问题引入具有定向功能，避免随意性。例如，在 引入点的合成运动的牵连点概念的时候，是在讲解 了点的合成运动的基本概念，动点、动系以及绝对 运动、相对运动和牵连运动，从概念的角度我们可 以发现，绝对运动可以看作是由相对运动和牵连运 动合成。但是涉及到运动量计算的时候，我们发现 了问题，绝对运动和相对运动都是点的运动，而牵 连运动是刚体运动，点的运动量和刚体的运动量如 何合成？问题引出来了，而且直接指向运动量速度 和加速度之间的关系，非常有定向功能，而且能引 发学生去观察运动关系，可以看到在运动的过程中， 实际带动动点运动的是一个位于动系上

9、的点，而且 这个带动的点会随着动点的运动而发生变化。在这 个基础上我们引出了牵连点，牵连点的运动也是点 的运动，这就可以实现运动量的合成。在课堂教学中进行问题引入，也要区分课堂教 学的性质。如果是新知识的学习，引入的问题要具 有探索性，引导学生互动交流，在发现问题、分析 问题和解决问题的过程中学习。如果是复习评讲, 则可以用学生容易出错的问题来引入，学生在这些 内容上把握得不够准确，通过区分比较增加辨识度, 引导学生从模仿到自主，积累发现、分析和解决问 题的经验，提高学生的思维品质。1.2从提炼升华环节中获得对课堂教学内容的融 会贯通在课堂教学中，重点内容难点内容的突破还是 要依靠教师起主导作

10、用，在现代教育时代，“以学生 为本，立德树人”教育观的指导下，教师在教学过程 中要不断探索和创新教学方式，把力学科学素养的 培养贯穿于整个教学活动的全过程中，通过对教学 内容进行提炼升华，提高学生的自主学习能力，培 养学生探究学习。在教学过程中，提炼升华教学内容必须要以反 馈为基础。反馈是学生对提炼升华的教学内容呈现 的各种信息，教师要有效地进行回授，把学生的问 题及时化解。在大纲要求内容的基础上，根据学生 掌握现有知识的情况，同时注意学生对所学知识的 反馈，设置提问、反思、梳理、总结和交流等教学 环节，引导学生掌握课堂教学内容，同时启发学生 根据个人学习习惯和方式，总结出适合自己的有针 对性

11、的学习方法。提炼升华环节对教师的要求较高, 需要教师具备一定的教育智慧理念和随机应变的能 力，这需要在教学实践中不断积累才能够达到。1.3通过拓展延伸课堂教学相关的内容，拓展学 生的思维度拓展延伸课堂教学有两方面，一是在原有的课 堂教学内容上增加新的知识，另一方面是对课堂教 学内容的进一步和深层次的应用。对于理论力学课 程来说，应该更注重后一方面的拓展。因为实际的 工程问题，并不是那么简单化的模型，而是具有多 变性和复杂性，通过拓展延伸培养学生针对具体实 际问题的建模能力，体会力学来源于工程实际，又 可以指导工程实际，同时对改造世界起着重要的、 关键性的作用。2从课程教学内容上保证课堂教学深度

12、和广 度的实现理论力学课程一般来说分三大部分内容：静力 学、运动学和动力学，每一部分的学习并不是割裂 的，而是相互依存、互相渗透的。另外，理论力学 是工科专业的基础课，后续的力学课程学习都要以 理论力学为基础，因此其重要性是不言而喻的。在 课堂教学内容上，不能仅仅服务于本课程，而应将 概念和原理放在更一般的情况下进行教学，保证教 学的深度和广度。2.1静力学内容的深度和广度大部分理论力学教材在编写的过程中，都把力 的概念、力的计算（力的投影和力矩）、受力分析以 及力系简化等内容放在静力学篇章中。这样编写容 易给学生造成一个误解，就是受力分析和力系简化 是物体处于平衡的时候才面对的问题。实际上，

13、无 论物体是否平衡，受力分析和力系简化都是按照相 应的方法进行。因此在进行受力分析和力系简化的 内容学习时，一定要给学生在广度上进行拓展。还 有一些概念上的把握，也要掌握好其深度和广度。 例如，以最简单的力的表达为例，如果仅考虑本课 程，力只要表达出大小、方向和作用线就可以。但 是，力作用在物体上还有另外一个效应就是变形效 应，这是和力的作用点有关的。因此力的表达是要 准确表达出其三要素的。2.2运动学内容的深度和广度运动学内容在理论力学课程中，相对比较独立, 只是从几何的角度研究物理在空间位置的改变。在 理论力学教材中，运动学中的研究对象很多都是已 经通过简化后的平面物体，而实际工程中的物体

14、都 是空间物体。从空间到平面是如何简化的，在运动 学教学过程中是需要向学生说明的。工程实际中经 常碰到的刚体的一般运动在理论力学课程中基本是 不涉及的，而这类问题又是常见的。因此，在讲解 刚体运动学的时候，我们有必要从一般运动出发, 对刚体的一般运动进行分析后，可以得到刚体的一 般运动可以分解成随质心运动的平移和相对于质心 的转动，而相对于质心的转动是刚体在空间姿态的 改变，可以转化为刚体绕轴的转动。那么，在学习 简单的平行移动和定轴转动的时候，就不仅仅是学 习这两种简单运动，而是带着研究更复杂运动的目 标而进行，运动学内容的深度和广度得以拓展。2.3动力学内容的深度和广度动力学内容是理论力学

15、课程中最多和最复杂的 内容，学生在学习的工程中总是苦于找不到方法解 决问题。这是源于求解动力学问题的方法很多，并 不是单一的，需要学生在学习的过程中掌握动力学 问题的分析方法，通过分析找到适合问题的方法再 求解。而要找到合适的方法，对于动力学来说，物 体的受力分析和运动分析是必不可少的，因此动力 学内容要有一定的深度和广度。例如，动力学三定 理的内容，如果不在深度和广度进行拓展的话，对 于学生来说，基本上没有太多的收获。例如动量矩 定理，很多同学并没有理解透彻，所以在讲解的时 候一定要从一般的动量矩定理出发，矩心从动点出 发，推出一般的动量矩定理，然后再将静点和质心 作为特殊点代入，得到对静点

16、和质心的动量矩定理。 经过这样的演绎和推导，对于学生来说，在理论上 是有一定的提高，在应用上又给学生以警示。3从采用现代化的教学媒介拓展课堂教 学内容理论力学课程研究的对象都是来源于生活工程 实际中，课程中的各种系统是从实际中抽象出来的 力学模型。但是学生并没有工程基础和工程实际, 他们所接触到的物体和课程中的研究对象相距甚 远。因此在教学过程中，就需要辅佐以各种教学方 法和手段进行。如果只是从力学模型到理论推导, 再到理论应用求解，而没有交代清楚这样的力学模 型是从哪里来的，为什么这样简化，很容易使学生 对课程产生枯燥情绪，失去学习兴趣，陷入被动学 习的状态。因此我们需要采用各种手段，将理论

17、力 学课程的研究对象还原到实际中，用可视化的视频 再现简化的过程，解释清楚简化的条件。例如，曲 柄连杆机构，这是理论力学课程中最常见的机构模 型，学生第一次接触到的时候并不知道实际结构中 哪里存在这样的机构，因此我们可以通过视频动画 让学生很直观地看到这种机构和简化的过程。当然 由于各种机构的纷繁多样，又由于课程教学时数的限制，不可能在课堂中播放很多的实际结构和机构 的视频。其实现代化的教学媒介已经为我们解决了 这个问题，可以将大量的教学素材放在云教学班课 中的资源库中，学生可以随时翻阅，节省课内教学 时数，还可以大大拓展教学内容，从简单的到复杂 的，从有限到更多素材的挖掘。4从实践环节上挖掘课堂教学内容的深度由于理论力学教学时数的减少，理论力学的教 学更加趋向于理论内容的学习，而对于实践环节没 有更多的投入和开发，这对于理论力学课程来讲是 一缺失。如何弥补这一缺失，从实验的开发角度来 说，周期长费用昂贵，而且维护费用成本也高，近 年来虚拟实验的开发对理论力学实践环节起到了一 定的弥补作用。其实，除了虚拟实验以外，我们还 有一款成功的应用软件Adams可以对理论力学的 教学内容进行拓展。学习软件对以前的学生来说也 许困难，但是对于目前的学生来说就容易多了，他 们从小接触计算机，理解和接受计算仿真并不困难。 通过对软件的自学，结合理论的学习，可以实现理 论计算和数值仿