劉學武?代玉強?鄒久朋?銀建中

摘要：“理論力學”是高等院校工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，不同專業(yè)培養(yǎng)目標、教學內容及學時都有較大區(qū)別，有必要對過程裝備與控制工程專業(yè)“理論力學”課程進行有效的教學改革。結合已有的教學經驗及教學成果，提出了改革教學內容、更新教學手段、優(yōu)化教學模式、引入數(shù)學工程軟件及開展實踐性教學活動等內容，以適應“卓越工程師”培養(yǎng)計劃的要求。

關鍵詞：過程裝備與控制工程專業(yè)；理論力學；卓越工程師

作者簡介：劉學武（1974-），男，黑龍江牡丹江人，大連理工大學化工機械學院，副教授；代玉強（1978-），男，山東濰坊人，大連理工大學化工機械學院，副教授。（遼寧 大連 116024）

基金項目：本文系大連理工大學教學改革基金項目（項目編號：MS201223）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0133-02

“理論力學”是高等院校工科必修的重要技術基礎課，是“材料力學”、“結構力學”、“機械設計原理及過程機械”等主干課程的基礎內容。[1]對于大連理工大學（以下簡稱“我校”）的過程裝備與控制工程專業(yè)，講授的“理論力學”有別于其他專業(yè)，稱之為“理論力學C”，在授課內容、授課側重點、授課方式及學時方面，與其他專業(yè)有明顯區(qū)別。通過近幾屆的教學改革，無論是教學方式還是教學內容，都進行了相應的調整，有了較大變化，使教學質量有了較大提高。

但同時也應看到，隨著高等教育理念的改變，特別是最近幾年教育部提出了“卓越工程師”培養(yǎng)計劃，為適應其培養(yǎng)計劃與目標，“理論力學”教學方式也需要得到進一步的改進。特別是要根據“理論力學”課程邏輯性、應用性強的特點，結合本專業(yè)對化工設備、成套裝備的要求，對教學內容和教學方法進行相應的改革，最大限度地提高教學效果，達到“卓越工程師”人才培養(yǎng)的要求，這就需要授課講師在教學方法方面仍需探索與研究。

一、“理論力學”教改重要性

“理論力學”的發(fā)展已經有多年，內容體系比較成熟，傳統(tǒng)的靜力學、運動學及動力學是經典的三部分授課內容，其理論性、邏輯性和系統(tǒng)性都很好。同時，各個高校不同專業(yè)的授課內容也極為接近，基礎知識、理論框架及結構體系都相似。這樣的教學布置優(yōu)點在于有利于教師之間的交流與合作，缺點在于無法體現(xiàn)出專業(yè)特色。特別是教材中的例題、習題都是抽象化后的力學模型，缺少過程裝備與控制工程專業(yè)相關的工程例子，這樣的教學內容教師講得費勁、學生聽得迷糊，難以調動學生聽課的積極性，不利于培養(yǎng)學生的綜合能力。

近年來，各高校對眾多課程進行了調整，增加了大量的限選課、選修課，但總學時并沒有變化，因此很多主干課程的學時相應就被壓縮。過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”課時減少，且學生課后用于該課程的學習時間也大為減少，同時，“理論力學”課程內容也有不足，比如在授課內容的安排上，比較重視經典規(guī)律與內容，忽視近現(xiàn)代取得的成果；重視計算過程、輕視力學模型的建立，極少考慮與實際工程的差別。在教學方法上，由于“理論力學”內容多、學時少，普遍采用教師講授的方式，很少有學生直接參與。這些不足，就使學生知識積累和解決問題能力相互脫節(jié)，達不到培養(yǎng)“卓越工程師”的目的。因此，為了適應社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)出具有工程素養(yǎng)的“卓越工程師”型人才，有必要對“理論力學”教學內容、教學方法進行改革與完善。

二、“理論力學”教學改革內容與措施

過程裝備與控制工程專業(yè)“理論力學”教學改革的內容，主要思路是強化基礎知識、重點闡述基本概念與定理、改變傳統(tǒng)教學方式、增加實踐環(huán)節(jié)，大量增加有本專業(yè)工程背景的例子，所講授的例題、習題盡量與本專業(yè)的工程實際相結合。同時要按照“卓越工程師”培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)要求，以及授課教師在以往教學中發(fā)現(xiàn)的問題，結合個人教學經驗和他人的教學改革成果，[2-6]對過程裝備與控制工程專業(yè)理論力學教學改革提出如下幾點內容與措施。

1.更新傳統(tǒng)教學手段

傳統(tǒng)教學模式主要是板書形式，內容過于單一，無法形象表示出“理論力學”研究對象的特點，這對于學生的理解是不利的。因此，在現(xiàn)代的教學活動中引用多媒體技術進行課堂教學已是大勢所趨，但如何充分發(fā)揮其合理作用仍然值得深思。

多媒體教學，不僅僅是指把教學內容做成幻燈片，還應該包括運動機構的實例演示、動畫演示，甚至于一些實驗過程都可以在課堂上播放。這對于本專業(yè)的“理論力學”教學只有48學時的情況是非常有利的，可節(jié)省大量的在黑板上推導一些繁雜公式和求解過程的時間，可使整個課堂的教學重點內容突出，易于調動學生學習積極性。同時，運用多媒體技術可以演示例題、習題所涉及的機械運動，也可以播放一些工程實例，這些都有助于工程概念淡薄的學生理解課堂內容，在提高學生學習興趣的同時也有利于教師的授課。但要注意，多媒體教學畢竟也只是一種教學手段，要注意其使用的方式、程度，過量的教學信息、頻繁的換屏、花哨的布局，反而會降低學生對教學內容的關注。因此，利用傳統(tǒng)的黑板推導一些重要公式和求解過程，仍然是現(xiàn)代教學中不可替代的教學方式，要充分結合板書與多媒體技術，最大程度地調動學生學習積極性，從而提高教學效果。

2.優(yōu)化教學模式

傳統(tǒng)的課堂教學模式都是以教為中心的，授課教師在有限的課堂教學時間內為完成教學任務會不自覺地采取滿堂灌、填鴨式的教學方式，尤其是目前多媒體技術普遍應用的情況下，授課教師在增加信息量的同時，也會不自覺地加快授課速度，這將使很多學生只是表面上對一些概念和定理聽懂了、了解了，但實際上并沒有真正吸收并為自己所用，因此做起習題來還是感覺無處下手、感覺很難、甚至一頭霧水，這從測試中就能看出來。

因此，教師在授課過程中要注意調整教與學的關系，充分尊重教學特點，遵循學生是教學活動的主體，體現(xiàn)出以學生為本的教學理念。教師在教學過程中，既是知識的傳授者，又是學生學習的引導者，要著重培養(yǎng)學生分析“理論力學”中所包含的科學問題和解決這些問題所需要的能力，從而不斷激發(fā)出學生學習“理論力學”的主動性和積極性，為后續(xù)課程的學習奠定堅實的基礎。

（1）啟發(fā)式教學。現(xiàn)代教育要與現(xiàn)代大學生的特點相適應，改變以往填鴨式的教學方法，倡導啟發(fā)式的教學方式、教學理念，激發(fā)學生求知欲，提高學生分析問題和解決問題的能力。教師在授課過程中，要引導學生深入了解事物內部的本質規(guī)律，反映在“理論力學”的教學中就是如何具體應用靜力學、運動學與動力學的基本定律來解決構件或者機構的受力特點、運動形式及所受外力。在這個過程中，如何一步步引導學生，由簡入繁、由表及里的考慮問題，使之掌握思考事物內部本質、探求自然規(guī)律并能合理利用的能力，就需要在授課過程中不斷努力并實踐。這樣，逐步形成在教師指導下的、以學生為中心的學習過程，也就是說，要體現(xiàn)出以學生為本的教學理念，強調“學生是教學活動主體”的原則。

（2）討論式教學。在課堂教學中引入討論式的教學形式也是一種嘗試，這是學生合作學習和教師指導相結合的一種新的教學方式。主要過程是：教師提前給學生布置要討論的授課內容，學生之間、學生和授課教師之間圍繞與其相關的問題相互討論及交流信息，學生和教師共同參與到教學活動中，學生要表述對相關內容的理解，同時也可以充當教師的角色來引導討論的進行，這對學生也是極大的挑戰(zhàn)，要求他們必須對授課內容有一定的理解。由于本專業(yè)上課的人數(shù)過多（每學期都在110～120人），往往很難集中在一起進行討論。針對這種情況可采取不同時間段分成小班的形式進行討論，每個小班的人數(shù)控制在20人左右，這樣可使每個學生都有表述問題的機會，當然，這就要求授課教師付出更多的時間與精力。該種教學形式，可發(fā)揮學生的積極作用，引導學生主動參與學習過程，在獲得知識、解決問題的過程中更能培養(yǎng)其合作精神、創(chuàng)新能力及概括總結能力。

（3）布置小論文?！袄碚摿W”有很多貫穿前后課程的知識點，對于這些知識點，可以提前布置給學生做小論文，題目應該有多個，使學生以團隊的形式來進行，鼓勵學生上網查找資料，小論文成績可作為期末考試的一部分。對這些布置的內容，在檢查的時候，應該以學生為主，讓學生來講解團隊作小論文時的整體思路，求解過程中遇到的問題、解決的方式，以及通過小論文學到的知識點。而教師的角色主要起到提示、引領及總結的作用，培養(yǎng)學生一題多解的發(fā)散思維方式、掌握知識的關鍵要點及綜合運用所學知識的能力。當然，小論文的選則還可以適當增加難度，如：與當今重要工程問題相關的例題和習題，用運動合成與分解來分析火箭與衛(wèi)星分離過程、機械手臂各關節(jié)間運動軌跡、運動速度等；增加應用專題內容，如簡單剛體型機械手臂的動力學建模與運動方程的推導，簡單太空機械手臂運動路徑建模與動力學方程的推導。

（4）建立學習網站。在學校的大力支持下，建立了本專業(yè)的“理論力學”授課網站，通過該網絡平臺可實現(xiàn)師生間的資源共享。在課程網站上，具有課程介紹、授課內容、重點例題講解、課件內容、典型習題分析、答疑解惑、心得與討論及虛擬實驗室等幾項內容，對這些內容還要及時更新，并盡量做到在線解答問題，能對學生學習、作業(yè)過程中遇到的各種問題進行及時解答。這對于在課堂上沒有及時聽講，或者思路跟不上的學生，具有極大的意義，相當于開設了第二課堂。

3.構建合理的考核體系

過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”考試，改變了以往的單純靠期末考試取得最終成績的方式，采用新的多種考核形式，如最終成績按平時考核與期末考試成績之和，二者的權重分別占30%和70%。平時成績可包括基本的三部分，如果有實驗還需要加上實驗的成績：作業(yè)成績，知識點很多，且每次課都布置相關作業(yè)，一學期的作業(yè)量非常大，要求學生獨立完成；組織3～5次的測驗，對靜力學、運動學及動力學每部分都要有測驗，可放在該部分內容結束的時候，考查學生掌握概念、定律的熟悉程度，分析問題、解決問題的能力。通過這種測驗，極大督促了學生學習的自覺性，能提前對學過的內容進行復習，不至于把問題都留在期末；課堂討論表現(xiàn)，這與“討論式教學”相關，根據學生的表現(xiàn)給出相應的成績。上述這些考核方式，可有效督促學生平時就要認真對待理論力學課程，而不是把所有問題都推到期末來解決。

4.引入數(shù)學工程軟件

由于“理論力學”對數(shù)學技巧的要求比較高，有時甚至會使學生顛倒理論和習題、基本原理和技巧的關系，忽視對基本理論的學習。因此，在教學活動中適當引入相關的數(shù)學工程軟件，可一定程度上減輕學生的負擔，甚至于提高學生學習該門課程的興趣。

例如在動力學分析中，運動微分方程是重點內容，但卻沒有講授運動微分方程組的求解問題，大部分問題是在特殊情況下，利用質點系普遍定理進行求解的。因此，在課堂授課過程中可適當引用Maple數(shù)學軟件求解微分方程數(shù)值解，達到直觀分析運動的目的。這種將抽象的微分方程轉化為圖像顯示的授課內容，使學生有一種興趣感、參與感，直接促進了學生對運動微分方程的理解。Maple 軟件在符號（解析）運算方面目前是最優(yōu)秀的，計算過程中幾乎不需要聲明變量類型，解決一般的數(shù)學問題不需要復雜的編程，且具有自動繪圖的功能，在“理論力學”的教學中使用Maple將會得到意想不到的效果。

如何生動描述力學問題的物理圖像，這也是進行教學改革應該思考的問題，比如，利用Maple軟件可對傅科擺問題進行演示，在各種初始條件下對傅科擺的運動微分方程直接進行求數(shù)值解，同時直觀地展示出傅科擺在水平面上的相對運動軌跡。在課堂的授課中初步表明，應用該方式對一些特殊問題進行求解，可引起學生學習的極大興趣。因此，在課堂教學中，根據學時的多少，盡量安排一些利用Maple軟件進行分析的題目，作為平時考核成績的一部分，對一些學有余力的學生，可適當增加難度，作為選學內容。

5.開展實踐性教學活動

過程裝備與控制工程專業(yè)開設的“理論力學”，和大部分課程相似，存在教學中重理論而輕實踐的問題，教學大綱中只講授理論而無實踐性環(huán)節(jié)。但由于“理論力學”本身包含大量的概念、公理、定律以及相關的力學模型，理論性相比于其他課程來講是比較強的。對于剛進入大二的學生，難以很好理解抽象的內容，僅僅依靠課堂講授教學效果較差。

因此，在“理論力學”教學中，各專業(yè)可根據總學時的安排，開設幾個常規(guī)的“理論力學”實驗，增加學生對運動機構的認識。在開設實驗的過程中，可以考慮如下幾種方式：由任課教師與實驗工程師準備，根據教學內容提前準備3～5個學生實驗，可以是3大部分的單獨實驗，也可以是綜合性的實驗；學生動手設計實驗，教師提供實驗所需要的器材、場地，再由學生完成實驗，可考慮開設1～2個這樣的實驗；現(xiàn)場教學的形式，利用2～4學時，帶領學生參觀校內工廠或者相關企業(yè)，使學生能觀察到傳動機構及相關的約束形式。也可以利用flash等軟件，做一些動畫，模擬實際機構的運動過程，在課堂授課過程中，有意安排播放。過程裝備與控制工程專業(yè)，已著手進行實驗方面的教學研究，考慮通過網絡開展一些虛擬實驗，如虛擬摩擦系數(shù)測定、虛擬靜力學分析、虛擬運動學和虛擬動力學實驗。

三、結語

過程裝備與控制工程專業(yè)的“理論力學”課程從教學內容、教學形式、課程體系建立等多方面出發(fā)，持續(xù)進行了多年的教學改革，取得了較好的教學效果。學生是教學的對象，是課程教學的根本，只有學生發(fā)自內心地喜愛“理論力學”，積極主動地學習，課程教學才能順利地進行下去?？傊虒W改革應該秉承“培養(yǎng)大學生綜合素質、提高分析問題與解決問題能力”的教學理念，不斷進行改革、創(chuàng)新教學方法，以真正適應“卓越工程師”人才培養(yǎng)要求，為最終培養(yǎng)創(chuàng)新型與研究型復合人才奠定基礎。

參考文獻：

[1]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]吳立軍，王瑞金.面向應用型人才培養(yǎng)的理論力學改革與實踐[J].浙江科技學院學報，2008，20（2）：133-135，154.

[3]邢利英，王新征.工科理論力學教學改革與實踐[J].南陽師范學院學報，2010，9（3）：107-109.

[4]康穎安，卿上樂，夏平.基于“卓越工程師”培養(yǎng)的理論力學教學改革的思考[J].湖南工程學院學報，2011，21（1）：102-104.

[5]楊光，張曉明，王化峰.理論力學教學改革的實踐探究[J].集美大學學報，2011，12（2）：96-98.

[6]郭易圓，彭惠蓮，王琪.理論力學探究型教學模式的探索與實踐[J].力學與實踐，2011，33（3）：70-72，69.

（責任編輯：宋秀麗）