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理論力學教學探討
摘 要：對于少學時的理論力學教學，存在教學時間少而教學內容多等問題。筆者針對教學中出現的問題，闡述了一些觀點。
關鍵詞：理論力學 普通物理力學 習題課 現代教學手段
引言：《理論力學》課程作為理工科大學的一門重要的專業技術基礎課，兼有基礎理論和應用技術雙重性質，它在基礎課和專業課之間起承前啟后的作用。其主要以伽利略和牛頓總結的基本定律為基礎，系統介紹靜力學、運動學與動力學的基本概念、基本原理及分析問題、解決問題的基本方法。課程的基本狀況是概念多，定理多，公式多;前后聯系緊密，題目靈活多變，解題技巧性強。加之現時課程改革，理論力學課時較少，使很大一部分學生感到理論力學“理論難，解題難”，學習效果不甚理想。那么如何在有限的學時里培養學生的學習興趣，提高教學質量就成了力學教師的重要課題。
1.注意普通物理力學與理論力學課程的聯系
1.1教學內容的聯系。
普通物理力學(以下簡稱普物力學)和理論力學同屬經典力學。普物力學和理論力學都以機械運動所遵循的基本規律及其推論和應用為研究對象，都包括運動學、動力學和靜力學三個部分。普物力學一般在大學入學的第一學年開設，而理論力學一般于第二學年開設，如何在同一內容的學習中注意二者的關系尤為重要。在理論力學的教學中對普物力學中的概念就不再詳細重復講解，而是強調理論力學課程中的新概念，這樣才能更有效地利用有限的課時，同時也能消除學生認為理論力學就是普物力學的認識誤區。
1.2教學方法的聯系。
普物力學主要是從物理現象出發，重視物理現象、物理過程，通過分析歸納的方法，由現象尋找規律，強調直觀的物理圖景，強調對基本物理概念和方法的理解和討論，強調從感性到理性的認識過程。理論力學則從物理學的幾個邏輯框架出發，通過邏輯演繹的方法，推導出機械運動的性質、規律和圖景。研究的特點是強調概念的確切性和數學證明的嚴謹性，重點在于培養學生的理性思維能力。對于數學知識的要求，理論力學除了要用到矢量運算和微分方程之外，還要求理解約束、自由度和廣義坐標的概念，能根據實際情況正確選擇廣義坐標，熟練掌握和運用虛功原理，熟練掌握和運用拉格朗日方程，等等。
1.3教學要求的提高。
普物力學教學教學過程中，特別關注從現象抽象出理論的方法。理論力學的教學則建立在更加嚴格的邏輯基礎上，引導學生關注如何建立新的模型、新的理論，應用新的數學工具發展新的解決問題的方法。學生普遍反映從普物力學到理論力學的難度跨度較大，教學要求一下子提高了很多。教學中應使學生明確經典力學的基本概念和基本規律，把培養學生提出力學問題、分析和解決力學問題的能力放在首位。
2.精講理論，強調概念，重視習題課的作用
對少學時的教學工作來說，一般意味著教學要求相對較低，而對于一般工科專業來說，理論力學起著承前啟后的作用，總體要求不能降低。為處理教學內容多與時間少的矛盾，筆者在教學實踐中，嘗試通過精講理論，強調概念，以練促講的方法，取得了較好的效果。
2.1突出重點，精講理論。
在課堂上堅持以教師“精講”引路，而學生則以“多練”來充分發揮其主觀能動作用。教師在確保學生掌握基本概念、基本理論和解決問題的前提下，合理精選教學內容，簡化煩瑣的理論推演過程，突出對理論的理解和掌握。如在講授理論公式時，在給學生講清楚推導所涉及的原理及數學知識后，直接給出最后結論，具體的推演過程留給學生在課后自學，既節約了教學時間，又減輕了學生的聽課負擔。又如在講授剛體的平面運動的速度和加速度求解時，由于學生已經對剛體的簡單運動非常熟悉，所以教師只需將剛體平面運動時的運動規律與簡單運動之間的關系給學生講清楚，學生就可以用復合運動的相關定理和定律運用數學求和的方法得出剛體平面運動的相關定理和定律。
2.2強調概念，舉一反三。
精講的目的是要擠出時間讓學生在思考、練習中理解和掌握基本概念、基本理論，進而應用相關知識分析和解決實際問題。
2.2.1利用課后思考題強調概念
由于學時的減少，課堂上許多概念只是突出理解和掌握，學生一般是知其然而不知其所以然，利用課后的思考題能指導學生對本章概念的理解。例如在點的復合運動章節中，有這樣一個問題：點的速度合成定理==對牽連運動是平動或轉動都成立，將其兩端對時間求導，得 = + ，從而有=+，因而此式對牽連運動是平動或轉動都應該成立。當然我們知道上式是不一定成立的，若在動系平動情況下，上式是滿足的，但在動系轉動的情況下， =+×， =+×。這是由于動系轉動，相應的坐標系基矢量方向發生了改變，在求導過程中也有了相應的附加值，而平動則沒有。通過這樣的分析就能很好地理解為什么牽連運動是轉動時具有科氏加速度。
2.2.2利用類比法學習概念和公式
理論力學也像學習其它知識一樣，既要一個概念一個概念地理解，一個規律一個規律地掌握，又要注意綜合對比，歸納整理。理論力學中的概念、公式絕大部分都不是孤立的。在理論力學教學中要注意綜合對比，引導學生發現他們之間的規律。例如：將剛體定軸轉動中的轉動方程、角速度、角加速度和質點的運動方程、速度、加速度的概念和公式進行類比，分析其異同，不但可以加深公式的記憶，而且對這兩部分內容可以有更深入地理解。對質點動力學方程、質心運動定理、剛體定軸轉動微分方程進行類比，這三個公式所針對的研究對象雖然不同，但這三個公式是類似的，都建立了描述物體慣性的量，描述物體運動狀態變化的量和描述作用力的量之間的關系。
2.3重視習題課的作用。
習題課是完成理論力學課程教學任務的重要環節。該課程理論性較強，學生開始接觸這些新概念、新公式時，缺乏具體的指導。再加上沒有經過系統的大量的習題訓練，學生很難熟練掌握。上好一堂習題課有助于在有限的學時里最大程度地提高學生對知識的理解能力和應用能力，將枯燥的知識和實際的操作應用聯系在一起。
首先要分析學生的基礎知識和學習狀況，對癥下藥才能事半功倍，并適度引入案例教學，引導學生將生活中一些工程實例轉化為力學模型，分析常見橋梁的結構形式，某些機械設備中關鍵機構的運動方式等。同時在習題課教學中一定要認真研究平時教學和學生作業中的問題，有針對性地選擇典型例題，引導學生一題多解，對照比較。例如很多動力學綜合問題的求解就有多種選擇，可用相應的動力學基本定律求解，也可用工程中常用的動靜法解決，通過分析對照，選擇最佳的解題方法。
3.現代教學手段的合理應用
3.1多媒體教學的合理利用。
多媒體輔助教學是近年來出現的先進教學模式。它能集影像、圖形、文字、動畫、聲效于一體，給學生營造一種全新的、動態的學習情境，使一些抽象的概念、理論變得直觀，使一些無法言傳的知識具體化形象化，激發學生的學習興趣和積極性。同時可節約大量板書的時間，讓大量的工程實例輕松走進課堂，增加課堂的信息量，從而加快教學節奏，增強教學效果。但是采用多媒體教學的過程中也要注意一些問題。教師上課的時候應盡量減輕學生的負擔，在保證學生聽清楚、弄明白的基礎上，留出一定的時間讓學生記筆記;在教學過程要將更多的精力放在教學的組織和對學生學習反映狀況的監控上，當發現學生有聽不懂的跡象時，要注意重復講解;在理論推導及例題和習題的講解中，盡可能采用黑板教學，這樣每小步的推導及解答都很詳盡，學生也有足夠的思考和理解時間，所以采用多媒體教學與板書教學相結合的手段會使教學效果更好。
3.2Maple軟件在教學中的應用。
大學教學改革中很多基礎課的課時都相應減少，留給學生自己的時間相應多起來，一是該書之特色，二是現今大學生的計算機水平較高，因而在理論力學的教學中可以介紹一些相應的軟件，例如Maple軟件，在了解力學基本概念之后，學生可以利用課余時間對計算機教學軟件Maple進行自學，使用該軟件建模編程，解決力學問題。這樣可培養學生掌握現代先進科學工具，提高學生包括理論力學在內的科學思維與動手能力，品嘗自己勞動成果，從而激起學生對學習的興趣。昔日，在大量繁雜的理論力學解題中，只能對某些特定條件、特定時間或點作解，而今在Maple協助下，卻不受那些特定限制，大大地擴展了解題范圍。這對于教師和學生而言，都是一個具有刺激性和興奮點的教學動力。
總之，由于理論力學這門課程對理工科專業承前啟后的特殊性，教師應該通過自身的努力，在教學中充分展示理論力學自身的特性，盡可能地調動學生的積極性，在有限的學時里更好地提高教學質量。
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