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1、工科院校应用物理专业理论力学教学改革的思考 作者：刘国庆 刘佳 牛金艳 来源：科技创新导报 2011 年第 36 期 刘国庆 刘佳 牛金艳 (内蒙古科技大学数理与生物工程学院 内蒙古包头 014010)摘 要:根据授课对象的不同,理论力学分工科理论力学和理科理论力学,前者强调逻辑推理的严格性,内容相对抽象,与实际生活联系较少,后者则侧重于培养学生的解决工程实际问题的能力。工科院校应用物理专业所设的理论力学课程与前两者从开课目的到教学计划等方面都有所不同。本文从课程特点和教学目的出发,从教学内容、教学方法和手段等几个方面讨论工科院校应用物理专业理论力学的教学改革。关键词:理论力学 教学改革 教材
2、内容 中图分类号:G42 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)12(c)-0170-02 理论力学是一门理论严谨、推理严密而又广泛联系工程实际的一门学科,是研究物体机械运动一般规律的科学,是各力学学科分支的基础,同时也是现代工程技术的理论基础。理论力学的特点是强调概念的确切性和逻辑推理的严格性,并力图用公理体系来演绎力学理论。该课程培养学生的逻辑思维能力、创新思维能力、分析和解决工程实际问题的能力,并为学习一系列后续课程打下坚实的理论基础。理论力学大体分工科理论力学和理科理论力学(即物理专业理论力学)1,2。物理专业理论力学是后续三大理论物理课程热力学与统计物理学、电动力学
3、和量子力学的基础,工科专业理论力学是材料力学、机械原理、结构力学、弹性力学、流体力学等后续课程的基础。理科理论力学与工科理论力学,从开课目的到课程安排等方面都大不相同。理科理论力学是物理学专业的一门主干课程,是普通物理力学的延续课,又是物理学专业的学生接触到的第一门理论物理课程,位居“四大力学”之首,它侧重于理论,内容相对抽象,与实际生活联系较少,它的任务是使学生对宏观物体机械运动的普遍规律有较全面较系统的认识,培养学生理性思维能力和解决一般力学问题的能力,同时为学习后续课程打基础。工科理论力学侧重于培养学生的解决工程实际问题的能力,并为学习一系列后续相关课程打下理论基础。在我校,理论力学是于
4、 2002 年创办应用物理专业后开始发展的,2008 年被评为校级重点建设课程。我校是以工科为主的院校,对我校应用物理专业而言,理论力学有特殊的意义。本文从课程特点和教学目的出发,从教学内容、教学方法和手段等几个方面讨论工科院校应用物理专业理论力学的教学改革。1 专业及课程定位 课程为专业和学校的人才培养目标服务,因此,要想建设好理论力学课程,首先得分析好本专业的培养目标。我校应用物理专业的特点是,以理论物理为基础,以工学专业为依托,理工相融。所设的理论力学课程,主要结合以工科为依托,理工结合的特点进行,与一般综合院校、师范院校和工科院校的内容设置有所不同。多年来,学校坚持以“理论联系实际、强
5、化实践教学、注重学生素质和创新能力的培养”为教育思想,坚持以人为本,把素质教育作为人才培养的出发点,着力通过各种途径培养学生的创新精神和实践能力。我校应用物理专业注重理学基础和实验能力的培养,同时加强创新意识和科学的思维方式的基本训练,使学生毕业后可在物理学、材料物理、工程热物理、光电子信息等相关的学科领域中从事与实际应用、科研开发相关的工作,或在相关领域继续深造。因此,本专业理论力学教学中,兼顾加强理学基础和培养解决实际问题的能力。2 教学中存在的问题 理论力学兼有基础理论和工程应用的双重性质,一方面它可以直接用于解决工程实际中的力学问题,另一方面它对某些后续课程,如量子力学、电动力学、材料
6、力学、流体理学等的教学具有重要的作用。可见,理论力学在高等院校的课程中占有重要地位。然而,目前理论力学教学中存在不少问题3-5:(1)理论力学课程理论性强、内容抽象。现有理论力学教材和课堂教学中,在理论联系实际以及现代科学知识的穿插上明显不足,内容显得枯燥,使得学生学习积极性不高,利用基本定理解决实际问题时有一定的困难,有时甚至无从下手;(2)未能突出理论力学作为一门技术基础课的特点,即理论联系工程实际不够,使学生的学习缺乏明确的工程目标,难以理解学习的目的和意义,不利于激发学生的学习兴趣,也不利于对学生分析解决实际问题能力的培养,使学生的知识积累和解决问题能力相脱节,与素质教育相背离;(3)
7、以课堂为中心、以教师为中心和以课本为中心,这样的传统教学模式难以培养学生的创新意识和创新能力;(4)理论力学中的很大一部分内容与普通物理力学中已学过的内容相重复6,7,导致理论力学的教学起点低,要求低,从而影响课程的教学目标;(5)内容多、课时少的矛盾普遍存在,这就促成“满堂灌”教学模式,老师讲得身心疲惫,学生听得枯燥无味,达不到预期的授课效果,也达不到解决实际问题的目的,更不能提升学生的创新能力;(6)缺乏实践教学环节。基于以上分析,以提高教学质量为中心、以优化课程体系、改进教学方式方法为主要内容的理论力学教学改革和课程建设是非常必要的。教学改革的目的是最大限度地提高教学效果,拓展学生的应用
8、视野和应用意识,培养学生分析、解决实际问题的综合能力。3 理论力学教改内容 3.1 优化课程教学内容 (1)处理好理论力学与普通力学的衔接问题 学生在学习理论力学之前,已多次学过力学课。为了在较短的时间内取得较好的教学效果,必须在内容安排、授课方法等方面与普通力学加以区别。在掌握理论力学与普通力学的联系和区别的基础上,理论力学的教学中,做好与普通力学的衔接。普通力学主要利用实验,归纳总结出物体机械运动规律,侧重于一些物理概念、基本定律与定理的建立,定性地给出一些处理问题的方法,强调物理图像和物理过程,强调对物理本质的探讨和分析,强调对基本的物理概念和方法的理解和讨论,培养学生初步运用科学思维的
9、能力。而理论力学是从已建立的一些基本定律出发,利用各种数学工具,如矢量、微积分、变分、线性代数等,推导出各种定理,进而运用这些定理去处理机械运动的各种问题。理论力学重视演绎,使人们更加体会到力学定律与数学相结合而产生的效果。现行理论力学教科书,为了强调课程的系统性、完备性,通常按统一模式安排课程内容,课时平均分配,这样不可避免地产生了理论力学与普通力学部分内容的重复。我们认为:普通力学中已细讲的章节,理论力学就不必再详细讲授,而把节省下的课时用到理论力学的核心内容分析力学上去。否则,大量的重复不但浪费了学时,还会影响学生对学习该课的积极性。(2)为相关后续课程的学习做铺垫 在课堂讲授中,指出理
10、论力学与后续专业课的衔接点,为后续课程的学习做好铺垫。分析力学是理论力学的重要组成部分,分析力学的方法可以推广到量子力学系统和复杂动力学系统中,在量子力学和非线性动力学中都有重要应用。在量子力学未建立以前,物理学家曾用分析力学研究微观现象的力学问题。从 1923 年起,量子力学开始建立并逐步完善,才在微观现象的研究领域中取代了分析力学。但是,掌握分析力学的一些基本知识有助于学好量子力学。例如用分析力学知识求出哈密顿函数,再化成哈密顿算符,又自哈密顿-雅可比方程化成波动力学的基本方程薛定谔方程等。(3)增加应用实例 根据我们多年的教学体会,学生掌握理论力学中的基本理论并不难,而难点在于如何应用基
11、本理论去分析实际问题。应用基本理论去分析实际问题是培养应用型人才的重点。理论力学是理论性较强、且与工程实践紧密联系的基础课。由于课本上大部分的实例都是抽象过来的力学简图,这门课程学习起来比较抽象。因此,在讲授该课程时有必要在减少与普通力学相重复的内容的基础上,适当增加工程应用实例。除了工程实例,在基本理论的讲授中,设置“窗口”,指出经典教学内容与物理前沿发展的“接口”,即在经典物理内容的基础上引入现代物理知识的内容,使教学内容更加新颖,吸引学生的注意力,填补学生对现代知识的空白点,扩大学生的知识面,让学生在学习过程中,体会到经典力学知识在现代科学技术中的生命力。例如,在讨论圆轨道稳定性时,适当
12、介绍航天技术;在讲授质点的散射时,介绍 x 射线的散射等。(4)撰写适合本专业学生的理论力学教程 在统编教材中,为了保证理论力学这门课程的理论系统性,出现了与普通力学中的部分内容相重复的问题。而且,理科理论力学比较抽象,与实际生活联系较少,因而缺乏趣味性。因此,在内容多、课时少的情况下,撰写教材时需适当删减与普通力学的重复内容,增加分析力学的比重,还可以适当增加非线性混沌内容。另外,从工科理论力学中吸取营养,在教材和讲授内容上需借鉴工科理论力学中的工程应用实例。3.2 改进教学方法和手段 (1)传统教学与多媒体教学相结合 传统的教学手段传达的信息量少、花时间多。而且理论力学课程理论性强、内容抽
13、象。针对这些特点,我们在传统板书授课基础上引入多媒体辅助教学手段,将两者有机地结合起来,发挥各自的长处。多媒体课件演示了理论力学中比较抽象的物理过程,使所学知识图文并茂,更加形象化。例如:在有阻力的媒质中运动的抛射体的轨道;质点的散射轨道;欧拉角的定义及变化;刚体的平面平行运动;空间极迹和本体极迹的关系;刚体绕固定点的转动等等。多媒体辅助教学不仅可以提高课时的利用率,大大减缓“课时少、内容多”所带来的教学压力,也有利于激发学生的学习兴趣,使学生对理论力学中的概念和过程有更形象地认识,提高学习效率,改善学生的思维空间,培养学生的创造性思维能力。但若不考虑多媒体呈现的方式和时机,容易超出学生的信息
14、接受能力,形成“信息飞逝”,不利于学生学习,所以教学中结合教学内容实际,灵活应用多媒体技术,而对于一些重点的定理、公式的推导,还应利用传统形式,边分析、推导,边板书,充分考虑到学生理解能力、接受速度,以求达到最好的教学效果。(2)加强网络教学 当今网络如此普及,利用校园网,将电子教案、思考题、答案、习题库等教学辅助资料通过校园网供学生浏览和下载,从而让学生有条件做到课前预习、课后复习,甚至还可以与学生进行网上答疑和学习交流。(3)加强实践教学环节 在教学形式上,除了理论教学之外,还有各种功能不同的实践教学,包括演示实验、工厂实习、根据理论力学原理自行设计、参加高科技成果展览等。(4)培养学生逻
15、辑思维能力和创新思维能力 课程教学中,根据课程本身的特点,强调逻辑推理的严密性,培养学生的逻辑思维能力;强调物理学思想的重要性,培养学生的创新思维能力。考虑到教学课时减少,在教学过程中,可适当删减与普通力学相重复的内容,但不能将很多理论力学重要定理直接引入,否则不利于培养学生科学素养。另外,教师需从简单生活现象引出复杂力学问题进而揭示理论力学原理,从工程设计和研究对象的要求引出适于求解的理论力学理论与方法,将教学与科研、工程应用相结合,把理论力学实验引进理论力学教学中,强化学生的实验技能训练和创新精神培养,激发学生的联想和发散思维。从主要向学生讲授知识转变到培养学生的动手能力和综合素质上来,使
16、学生成为教学与科研活动的参与者,全面提高学生的综合素质。总而言之,工科院校应用物理专业的理论力学教学改革须以加强基础、拓宽知识、培养能力、提高素质作为指导思想,通过处理好理论力学与相关课程的衔接问题、增加工程应用实例、加强实践教学环节、结合传统教学和多媒体教学、撰写适合于我校应用物理专业的理论力学教材,来提高学生学习理论力学的兴趣,使学生深刻理解物体机械运动的基本规律,熟练掌握处理工程实际问题的力学方法,培养学生的逻辑思维能力、创新思维能力和解决实际问题的能力,同时为学生后续的专业课学习打下良好的基础。参考文献 1周衍柏.理论力学教程(第二版).北京:高等教育出版社,1985.2哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.北京:高等教育出版社,2006.3万君国,陈洪.关于理科理论力学教材改革的几点思考.西南师范大学学报(自然科学版),2002,27(6):1004-1006.4邢利英,王新征.工科理论力学教学改革与实践,2010,9(3):107-109.5李德明,陈昌民.经典力学 理论物理课程改革初探,2003,22(3):38-41.6赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程力学.北京:高等教育出版社,1995.7李复,安宇.普通物理力学和理论力学的整合.大学物理,2004,23(12):51-55.