曹小平

【摘要】國家教育改革如火如荼，高校教學(xué)改革自然也不例外。力學(xué)在高校所有工科中占據(jù)較大比重，學(xué)生不僅需要掌握必要的基礎(chǔ)知識，更要掌握必要的實際應(yīng)用能力。傳統(tǒng)高校教學(xué)中，學(xué)生被迫接受教師傳授的知識，久而久之容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，不利于高校教學(xué)質(zhì)量的全面提高。為提高高校工科力學(xué)教學(xué)效率，必須引入先進的教學(xué)方法。在高校工科力學(xué)教學(xué)過程中，采用模型教學(xué)方式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，為大學(xué)生未來的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。本文主要針對高校力學(xué)教學(xué)中的模型教學(xué)方法以及相關(guān)的應(yīng)用內(nèi)容進行了闡述和分析。

【關(guān)鍵詞】力學(xué) 高校 模型教學(xué) 方法應(yīng)用

【中圖分類號】G642.4；O3-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）05-0041-03

1.概述

力學(xué)課程均具有很強的理論性，但是這些理論終歸要應(yīng)用在實踐中去。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中往往會出現(xiàn)“難教好”與“難學(xué)好”的一些矛盾。比如，部分涉及較為復(fù)雜的力學(xué)問題的教學(xué)往往事倍功半，學(xué)生學(xué)習(xí)的經(jīng)常湮沒于大量的符號及公式推演之中。復(fù)雜的力學(xué)計算和數(shù)學(xué)推演過程，常常讓學(xué)生難以理解，對于在前期專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)中投入不夠的學(xué)生而言，困難則更大。另外，在講授比較新穎的結(jié)構(gòu)形式的原理時，往往需要實踐性環(huán)節(jié)的輔助來加深學(xué)生的認知。為此， 在三大力學(xué)課程教學(xué)中引入模型教學(xué)法，可有效解決這些矛盾。

所謂模型，是將設(shè)計實體按照一定比例經(jīng)過合理縮小形成的。模型教學(xué)是根據(jù)認識科學(xué)理論及其研究成果，運用系統(tǒng)科學(xué)的方法，以模型為主要的教學(xué)手段，圍繞模型的演示、認識直到設(shè)計的一種教學(xué)活動。因此模型能夠比較直觀地表達結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）的組成特點、輪廓形狀、空間序列等等。這種直觀的體驗式的教和學(xué)的方式，符合初學(xué)者對復(fù)雜結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）的認知特點，有利于初學(xué)者對相關(guān)理論知識的理解和把握。通過真實展示甚至親自動手制作，逐步培養(yǎng)起三維空間感，并且能幫助廣大學(xué)生完善在二維空間中所難以發(fā)現(xiàn)的不足，實現(xiàn)教學(xué)相長。

1.1 力學(xué)模型的界定

力學(xué)所研究的物體的運動都存在于各種繁雜的運動形態(tài)之中，在繁雜的自然運動中包含有很多矛盾，它的運動規(guī)律大都非常繁雜，但它必然有主要矛盾或主要的特性。力學(xué)研究大都只保留主要矛盾或特性，不考慮次要矛盾或特性來研究實際問題，提煉出實際生活情景所代表事物本質(zhì)特性的理想過程或物質(zhì)，這種理想過程或物質(zhì)就稱為理想化力學(xué)模型。

我們不能僅僅把力學(xué)模型理解成一種理想化的實體，比如大炮模型、星體模型和人船模型等。理想力學(xué)模型也有可能是概念和過程，它們都是從實際生活情景中來又和實際情景有區(qū)別，模型主要體現(xiàn)了實際情景中實體、過程、狀態(tài)、現(xiàn)象的最重要的特點。

1.2 模型的基本特征

1.2.1 抽象性與形象性的統(tǒng)一

理想力學(xué)模型的建立過程具有抽象性，理想力學(xué)模型建立的目的在于它的形象性，過程是為目的的，從這一點上看，抽象性是為了形象性的，進而模型的抽象性和形象性是統(tǒng)一的。人們借助力學(xué)模型的抽象性很好地理解客觀對象本質(zhì)，并對客觀對象的本質(zhì)作出解釋。因此，應(yīng)從兩方面來看模型的抽象性和形象性，它是辯證統(tǒng)一的。例如，點光源模型的建立過程中，就是忽略了次要、無關(guān)的因素，只抓住發(fā)光點這一主要因素，在點光源的建立過程中，忽略點光源的體積和形狀，僅僅考慮發(fā)光的特點，這一過程就是抽象和形象思維方法的結(jié)合運用，體現(xiàn)了抽象性與形象性的辯證統(tǒng)一。

1.2.2 科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一

力學(xué)模型的科學(xué)性。一方面體現(xiàn)在力學(xué)模型的建立過程必須科學(xué)合理。力學(xué)模型反映出來的是力學(xué)對象的本質(zhì)特征，其構(gòu)建過程需要研究者投入大量的抽象思維工作，然后進行科學(xué)分析，最后要對研究結(jié)果進行高度的概括總結(jié)，因此力學(xué)模型具有高度的科學(xué)性。另一方面，力學(xué)模型的科學(xué)性體現(xiàn)在它能在一定范圍內(nèi)對力學(xué)現(xiàn)象做出科學(xué)合理的解釋，盡管這種解釋可能會被后來的研究者推翻，但是就某一階段來講，它是科學(xué)的、正確的。

假定性。為了使得所建立的力學(xué)模型直觀、形象、易懂，在建立力學(xué)模型的過程中，我們往往只抓住主要矛盾，忽略次要因素的影響，以達到降低模型建立難度的目的。但是那些被我們忽略不管的次要因素，不過是假定的次要因素，只是在某種情境下才成立的次要因素，隨著研究的深入，次要因素有可能會成為主要因素。在不同的情境下，我們需要假定的次要因素也是不同的。因此，我們認為力學(xué)模型具有假定性。值得強調(diào)的是，力學(xué)模型的科學(xué)性和假定性是辯證統(tǒng)一的，假定的力學(xué)模型必須是科學(xué)合理的，科學(xué)的力學(xué)模型也具有假定性，二者并不相矛盾。

1.2.3 簡潔性與美學(xué)性的統(tǒng)一

理想力學(xué)模型能把復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象簡化，能非常清楚直觀地揭示力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，它具有簡潔性與形式美。例如，理想化模型中的理想氣體、不考慮摩擦的斜面模型、不考慮空氣阻力的自由落體運動、不考慮振子大小的彈簧振子等等，都具有簡潔美與形式美。由于力學(xué)模型是建立在對現(xiàn)實事物的抽象思維基礎(chǔ)之上的，所有它有豐富的內(nèi)涵，而人的美學(xué)觀點是以抽象的思維為基礎(chǔ)的，因而力學(xué)模型的建立過程也融入了內(nèi)在美的元素。

2.模型教學(xué)在高校工科力學(xué)教學(xué)中的現(xiàn)狀

許多高校在力學(xué)教學(xué)中曾經(jīng)使用過部分力學(xué)模型，在教學(xué)中起到了不錯的效果。但是隨著實驗室的搬遷以及人員的更替，以前的模型已經(jīng)損毀嚴重或者丟失。眾所周知，力學(xué)是具有很強理論性的課程，其中的理論和公式復(fù)雜而枯燥，使學(xué)生不太容易掌握，教學(xué)過程如果不和實際相聯(lián)系，教師很難對所有結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）講授得十分清楚。因此，學(xué)生也不能快速而清楚地掌握相關(guān)的理論知識，久而久之，造成學(xué)生失去對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，極大地挫傷學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。

針對高校目前力學(xué)教學(xué)中的現(xiàn)狀，主要是三大力學(xué)（理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)）（下同）的課堂教學(xué)中，由于種種原因，缺乏理論和實踐的有效結(jié)合，教師的講授一般僅限于理論知識，對所講授的結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）也僅限于對照課本中的圖形教學(xué)講解或者在PPT中的簡單演示，雖然使學(xué)生能在一定程度上對結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）進行理解，但難以產(chǎn)生面對面的、很感性的直觀認識。所以學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中處于對理論的抽象理解而缺乏對機構(gòu)（機構(gòu)）的清晰地感知和認識，由于對理論和復(fù)雜結(jié)構(gòu)（機構(gòu)）的朦朧的感知和認識，逐漸地會造成學(xué)生對力學(xué)課程學(xué)習(xí)興趣的淡化，嚴重地影響了學(xué)生對力學(xué)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

現(xiàn)今高校力學(xué)教學(xué)中，“重知識，輕能力”的現(xiàn)象依然千分嚴重。長期對學(xué)生建模能力培養(yǎng)的不重視，是學(xué)生構(gòu)建力學(xué)能力低下的主要原因。教師在教學(xué)實踐中，很大程度上是進行課本知識的灌輸，如傳授力學(xué)定律、力學(xué)知識，訓(xùn)練學(xué)生運用這些知識、定律解題的能力，缺乏培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建力學(xué)模型的能力的意識。送種教育模式下的學(xué)生應(yīng)試能力固然比較強，但是創(chuàng)新能力、探究能力低下，也缺乏必要的科學(xué)人文素養(yǎng)。為了改變這種狀況，需要加深教師對力學(xué)模型的理解，充分認識力學(xué)模型的重要作用。雖然大部分力學(xué)老師都知道“力學(xué)模型”這個術(shù)語，但是對力學(xué)模型的理解仍然停留在實物層面，認為只有質(zhì)點、單擺、點電荷這樣的研究對象才是力學(xué)模型。力學(xué)教師應(yīng)該增加自己的專業(yè)知識，建立正確的模型觀。當今力學(xué)教師必須認識到，力學(xué)模型是力學(xué)規(guī)律和力學(xué)知識建立的根基，利用力學(xué)模型也可以解釋力學(xué)現(xiàn)象和實驗定律，甚至是對力學(xué)前沿問題做出預(yù)測。而且，力學(xué)模型能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能力，解答力學(xué)習(xí)題的能力。

3.模型進行在高校工科力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比較，在課堂上引入模型教學(xué)的方法可以起到更加直觀的教學(xué)效果，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

模型教學(xué)法在一些專業(yè)，如醫(yī)學(xué)、機械工程的教學(xué)中經(jīng)常用到，其方法是在課堂講授中利用讓學(xué)生看得見、摸得著的實體模型，通過對實體模型的講解分析，來增強學(xué)生對于學(xué)習(xí)對象的認知。有研究者還利用統(tǒng)計學(xué)工具，分析了模型教學(xué)法的教學(xué)效果，并證實了其有效性。在工科力學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中引入模型教學(xué)法，其優(yōu)點在于可以通過模型的展示、甚至用比較的方法和學(xué)生親手制作完成模型的過程來達到一般教學(xué)手段難以顯現(xiàn)的效果。具體體現(xiàn)在以下方面：

其一，通過模型展示和對模型的分析講解，可以在很大程度上活躍課堂氣氛，教師講授各種實際結(jié)構(gòu)形式特征及其優(yōu)缺點時，方法和方式可以變得更為靈活。

其二，與傳統(tǒng)授課中被動接受的模式相比較，可以讓學(xué)生主動親手參與制作各種外觀漂亮、內(nèi)容豐富的結(jié)構(gòu)模型，能夠增強其掌握知識的信心，大大提高他們的學(xué)習(xí)熱情。

其三，通過適當?shù)拿}，加上學(xué)生自己的創(chuàng)意，可以使學(xué)生在自行探索中提高結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力，更好地理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的力學(xué)設(shè)計概念。

3.1模型引入及展示

教師提出本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標，展示生活中的過程情景，學(xué)生討論其力學(xué)過程。教師演示隱含相同過程模型的類比實驗，這個實驗是學(xué)生以前接觸過的運動，以便激發(fā)學(xué)生的認知沖突和學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生知識前后聯(lián)系。建構(gòu)過程模型教學(xué)的引入，一般由直觀而典型的運動過程直接切入課題。

實驗演示或動畫模擬物體的運動過程，讓學(xué)生口頭描述（尤其是請學(xué)生結(jié)合動態(tài)過程的演示配解說詞）或者讓學(xué)生親身體驗運動過程。教師講解運動過程，按照先感性后理性、先定性后定量的規(guī)律的講解。有很多物體參與的過程模型，如點的合成運動等等，使學(xué)生獲得正確的感性認識是教學(xué)的難點，而建構(gòu)過程模型的產(chǎn)生式規(guī)則又是教學(xué)的重點，在教學(xué)過程中要感性認識和理性認識并重。對于單個物體參與的過程模型，如物體的勻變速直線運動等等，由于物體可視為質(zhì)點，教與學(xué)則簡單得很多。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生制作模型

力學(xué)研究對象較多，同類研究對象中也包含諸多定理和規(guī)律，因而學(xué)生如何在種類繁多的模型中考慮正確的模型，就顯得尤為重要。在教學(xué)中，教師可以講解力學(xué)模型建立的常用方法。首先，分析與綜合法是最常用的。由于力學(xué)學(xué)研究對象都是實際的、復(fù)雜的，建模之前需要充分考慮到各種因素、各個環(huán)節(jié)對于問題的影響，也就是分析，然后把各種要素進行有機結(jié)合，幫助學(xué)生能夠從整體上對事物本質(zhì)進行把握，分析是綜合的前提，綜合是分析的結(jié)果。其次是比較法。 對力學(xué)對象各方面的特征作對比，得出這些特征的異同點，把握主次，然后抽象和概括，再將研究對象的個別的、非本質(zhì)因素排除，對本質(zhì)因素進行抽離和考查，最終建立出輪廓清晰、易于研究的新模型。

力學(xué)模型中各種模型都有其構(gòu)建的需要、意義和價值，充分依靠學(xué)生，通過建構(gòu)力學(xué)模型引導(dǎo)學(xué)生對力學(xué)問題進行比較深入的思考，這才算得上是比較理想的力學(xué)模型的應(yīng)用。必須遵循大學(xué)生身心發(fā)展的規(guī)律，從學(xué)生的興趣入手，先解決他們對力學(xué)建模的意識問題，使其對力學(xué)知識產(chǎn)生濃厚的興趣，盡快進入力學(xué)模型建立的角色是相當重要的；其次，在和學(xué)生一起構(gòu)建力學(xué)模型時，要善于去尋求一定的力學(xué)內(nèi)容方面的資源，達到促進學(xué)生對力學(xué)建模的全面或整體認識的目的；再次，通過力學(xué)建模驅(qū)使學(xué)生體會力學(xué)與生活密切的聯(lián)系，達到真正意義上的理解。模型制作能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，使學(xué)生對力學(xué)知識的理解變得更加容易且真正提高了學(xué)生的動手實踐能力，實現(xiàn)教學(xué)相長。

在力學(xué)教學(xué)中只有強化學(xué)生的模型意識，才能幫助學(xué)生領(lǐng)會力學(xué)問題的研究方法，為建立和運用模型解決實際力學(xué)問題打下基礎(chǔ)。首先，教師幫助學(xué)生弄清楚模型的內(nèi)涵，在學(xué)習(xí)一個新模型時，教師要清楚地知道它所針對的現(xiàn)象，研究的問題，突出的主要因素以及忽略的次要因素，以期將這些全部發(fā)掘出來，為學(xué)生建模打下基礎(chǔ)。

3.3 在幽默問題情境下進行力學(xué)課程教學(xué)

力學(xué)知識若過于枯燥，學(xué)生常常出現(xiàn)不自覺開小差的現(xiàn)象。這時，很多教師會采取強制性手段抑制高校生的這種行為，久而久之高校生會逐漸對學(xué)習(xí)形成排斥心理。因此，教師應(yīng)該通過有效的教學(xué)方法吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生對力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。大學(xué)生具有強烈的好奇心，對新鮮事物都很感興趣。沉悶單調(diào)的課堂教學(xué)會讓學(xué)生產(chǎn)生倦意，而在模型教學(xué)中加入一些書本中沒有的有趣的內(nèi)容，會讓學(xué)生覺得很有新鮮感。比如，老師可以利用幽默有趣的問題，降低學(xué)生在課堂上的疲勞度，構(gòu)建歡快愉悅的教學(xué)環(huán)境。這樣，不僅有利于教師與學(xué)生的溝通交流，還能尊重學(xué)生的主體地位，加強學(xué)生在課堂上的存在感。

4.模型教學(xué)的重要意義

4.1 模型教學(xué)為課程改革的發(fā)展提供了借鑒意義

教育改革面向的對象不僅僅是力學(xué)這一學(xué)科，在其他專業(yè)或是學(xué)科中也同樣在進行改革，教育改革的全面發(fā)展是推動教學(xué)質(zhì)量的有效手段。只有進行不斷的改革創(chuàng)新，才能夠迎來新的發(fā)展。教育工作者只有不斷地致力于教學(xué)方式的探索，進行有效的改革才能夠達到最終的教學(xué)目的。改革首先要考慮的就是學(xué)生的發(fā)展需求，要根據(jù)學(xué)生的實際情況，在課程設(shè)置上進行改革和創(chuàng)新，結(jié)合大量的教學(xué)實踐和經(jīng)驗，在教學(xué)的理念和方式上不斷地進行創(chuàng)新。模型教學(xué)的應(yīng)用對課程改革的發(fā)展有了全新的啟示，提高學(xué)生課堂參與程度的教學(xué)方式對于整體的教學(xué)效果有著重要的影響，所以說在今后的課程改革中將改革的重點內(nèi)容放在提高學(xué)生積極性的方面，模型教學(xué)對力學(xué)教學(xué)的新課程改革有著借鑒意義。一方面，模型教學(xué)的應(yīng)用，可以取得良好的教學(xué)效果，能夠促進教育改革的發(fā)展，提高人們的重視程度；另一方面，模型教學(xué)的方式還可以引入到其他學(xué)科的教學(xué)中去，促進教育改革的全面發(fā)展。

4.2 模型教學(xué)能夠有效地提升力學(xué)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)效果的好壞在一定程度上是取決于教學(xué)方法的，教育工作者之所以在不斷地進行教學(xué)方式的探索和研究，就是為了能夠以全新的形式來吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而有效地提升教學(xué)的質(zhì)量。力學(xué)作為高校工科的重要課程之一，采用具有創(chuàng)新性的模型教學(xué)形式，能夠在一定程度上吸引學(xué)生的注意力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，課堂教學(xué)的主體一般都是教師，學(xué)生處于一種被動的聽講狀態(tài)，學(xué)生的課堂參與積極程度不高，整個課堂教學(xué)的氣氛顯得沉悶枯燥。學(xué)生只是在進行機械地學(xué)習(xí)，教師也只是通過講課的方式來灌輸知識，這樣的教學(xué)方式很難讓學(xué)生參與到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)當中去，學(xué)生逐漸會對力學(xué)學(xué)習(xí)失去興趣，甚至產(chǎn)生厭倦的心理，這嚴重地阻礙了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展以及力學(xué)學(xué)習(xí)能力的提升。采用模型教學(xué)的方式，教師可以保留課堂講解的形式，只是要留出一定的時間來進行模型的展示，通過構(gòu)建力學(xué)模型的方式，教師能夠為學(xué)生進行更加直觀的展示，通過力學(xué)模型的構(gòu)建，學(xué)生能夠體會到力學(xué)學(xué)習(xí)的樂趣，能夠有效地提升學(xué)生的參與程度，提高學(xué)習(xí)的積極性，再加上教師的適當鼓勵，學(xué)生能夠積極地發(fā)表自己的意見和想法。

4.3 模型教學(xué)貫徹落實了新課程改革的需要

新課程改革的推進，對高校力學(xué)教學(xué)有了更嚴格的要求，在教學(xué)的內(nèi)容以及形式上要進行全面的改革。教育工作者也在不斷地進行創(chuàng)新和改革，爭取讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，提高學(xué)生的課堂參與程度，在課堂教學(xué)中，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生能夠在力學(xué)學(xué)習(xí)中獲得樂趣。模型教學(xué)的形式能夠使抽象的力學(xué)知識更加形象化，在教學(xué)的過程中以全新的形式帶給學(xué)生不一樣的學(xué)習(xí)體驗，讓學(xué)生能夠充分地發(fā)揮自身的主觀能動性，在力學(xué)教學(xué)中有效地培養(yǎng)學(xué)生思維能力的發(fā)展。這樣的教學(xué)效果正是教育改革的要求，模型教學(xué)的方式能夠達到這樣的教學(xué)效果，所以說，模型教學(xué)有效地貫徹和落實了新課程改革的需要。

5.結(jié)論

綜上所述，力學(xué)對于學(xué)生來說，通常是比較難以掌握的。學(xué)生對純理論性知識的學(xué)習(xí)不僅理解起來捉襟見肘，而且對力學(xué)習(xí)興趣低迷。如果在教學(xué)中有目的地引入模型教學(xué)，那么對培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)習(xí)興趣以及科學(xué)思維能力，自主創(chuàng)新能力，必然大有裨益。模型教學(xué)這一創(chuàng)新式的教學(xué)方式對高校力學(xué)教學(xué)有著重要的意義，將這一教學(xué)方式運用到教學(xué)過程中，能夠有效地提升學(xué)生的課堂參與程度，提高學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)習(xí)的效率，同時有效地促進教育改革的發(fā)展。

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