应用型本科机械类专业理论力学教学方法改革探索与实践

    季德生 李宏伟

    

    摘 ?要 教学方法改革是提高教学质量的重要途径。理论力学课程是一门学科基础课，也是工科各专业的主干课程。针对应用型本科的特点，在传统教学方法中引入多媒体教学、案例教学、在线课程、工程分析软件等新的教学手段，对提高应用型本科人才的培养质量，对机械类专业建设有一定的促进作用。

    关键词 理论力学;教学改革;多媒体;应用型人才;MOOC;SPOC;案例教学;工程分析软件

    中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）13-0095-03

    1 前言

    理论力学属于一门学科基础课，是工科各专业的主干课程，主要研究物体机械运动的一般规律，在机械、土木建筑、航空航天等许多工程技术领域有着广泛的应用。理论力学课程既能直接应用于解决工程实际问题，也是学习后续如材料力学、机械原理、机械设计等课程的必备基础，是由高等数学、大学物理等基础课程向专业课程过渡的桥梁，在工科类学生人才培养体系中起着承上启下的关键作用。

    2 理论力学教学改革的背景

    为凸显应用型办学特色，各应用型院校基础课程的学时不断压缩。以滨州学院为例，理论力学课时从改革前的72学时压缩至现在的56学时，为保证对后续课程良好的支撑作用，其结构体系、理论框架基本没有发生变化，都是围绕静力学、运动学、动力学、分析力学基础四部分内容展开[1]，如图1所示。

    理论力学课程理论性强，以静力学五大公理为出发点，紧紧围绕牛顿三大定律及其他经典力学理论，运用逻辑推理和数学演绎的方法，得到从不同侧面揭示机械运动规律的定理、定律和公式，建立完整而严密的理论体系。这正是理论力学课程的显著特点。但对缺少工程概念的学生而言，他们普遍认为理论力学抽象难懂，并且错误地认为理论力学是一门纯理论性的课程，在今后的工作中鲜有用武之地。这使得很多学生觉得理论力学课程枯燥、乏味、难学、难懂，进而失去学习兴趣[2-3]，不仅导致理论力学课程学习不好，后续专业课程的学习也较为吃力，進而在以考查理论力学、材料力学为主的部分高校研究生入学考试中表现不佳，影响学生的进一步发展。

    在此背景下，对课时少、内容多、较抽象的理论力学课程而言，传统的“教师主讲、学生主听”的满堂灌式教学方法已远不能满足课程需要。结合传统的教学方法，充分运用现代的多媒体教学、案例式教学、MOOC+SPOC教学、软件仿真教学等多种教学方法，加强课程研讨和试题库建设，激励学生参加相关课外学科竞赛，由教师主动教变为学生主动学，不仅使学生获得专业知识，而且使学生获得正确的学习方法，形成科学的思维方式，促进学生创新能力与工程实践应用能力发展，是理论力学课程教学改革与探索的长期目标[4-5]。

    3 凸显应用能力培养的理论力学教学方法改革

    充分使用多媒体技术，做到板书授课与多媒体授课有机结合 ?在学时有限的情况下，运用多媒体课件可以有效减少传统板书教学中画图、书写的时间，增加课堂的信息量，尤其在表达一些复杂图形和机构的运动时，静态的板书图形难以描述出机构的运动关系，对于一些空间想象能力稍差的学生，理解起来晦涩难懂。而多媒体动画和视频可以让学生轻松地理解机构复杂的运动关系，达到事半功倍的效果。同时，教师可以借助多媒体，以图片或视频的形式展示理论力学中的例题在工程实际中的应用场景，使缺少工程实践经验的学生能将书本上抽象的力学简图与生产、生活实践迅速建立联系，理解到理论力学知识在工程实践中具有广泛的应用，提高学习的兴趣和主动性。例如：在讲解重力坝的受力分析时，引入三峡大坝的壮美图片;在讲解瞬心法求颚式破碎机机构的速度时，引入颚式破碎机的现场工作视频与机构运动动画。

    但课堂教学不能完全依靠多媒体，多媒体只能作为课堂教学的辅助，很多例题的求解过程、公式的推导还是需要通过板书的形式进行分析讲解，只有这样，学生才能跟上授课教师的节奏。过多的多媒体使用，尤其是一些晦涩的定理的数学推导，容易使学生产生视觉疲劳，从而丧失学习的兴趣，此时，教师在板书授课中的一个眼神或其他肢体语言更能与学生产生共鸣。因此，课堂教学要把多媒体和板书合理结合起来，提高课堂效率。

    引入案例教学，提升学习力学知识的积极性和主动性 ?理论力学中的概念和定理较多，其概念表述往往逻辑严密，抽象性强，学生理解起来存在一定的难度，如能适时举出生产、生活中常见的案例，对学生理解抽象的力学概念大有裨益，有利于提高学生的学习兴趣。如在讲解静力学公理部分“三力平衡汇交原理”时，为加深学生对定理的理解，举出命题“物体在三个力作用下平衡，则三力必汇交于一点”，让学生判断该命题的对错。根据教学经验，会有许多学生认为该命题是正确的。教师此时引导学生观察教室内的灯管并对其做受力分析：灯管受重力和两端索链的拉力，在三个力作用下平衡，但这三个力是平行的。学生此时对三力平衡汇交定理的前提“如果其中两个力汇交于一点”有了更深入的理解。

    在讲解“静定和超静定”的概念时，举出和尚吃水的问题“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”，引导学生用学过的静定和超静定的概念给出解释。分析发现：前两种情况属于静定问题;后一种情况为一平面平行力系，有三个未知量，属于超静定问题，仅学过静力学知识的和尚解不出该问题，故而没有水喝了。这样的举例既加深了学生对概念的理解，又活跃了课堂气氛，使学生在轻松愉快中掌握了抽象的力学知识。

    为了培养学生分析和解决实际工程问题的能力，案例教学还需与专业背景相结合。对于机械类专业来说，应当多选择与机械相关的工程案例作为知识点的引入和例题的讲解。例如：在“点的速度合成”部分讲解凸轮顶杆机构的运动时，结合发动机的凸轮顶杆机构进行讲解，通过凸轮的回转带动顶杆运动从而控制气门的开闭;在讲解刚体的转动惯量时，结合飞轮的结构特点，讲解其在往复式活塞发动机、冲床等机械中的应用。这样的讲解方法既激发了学生学习本专业课程的兴趣，也让学生认识到理论力学对专业课程学习的重要性，提高了学习力学知识的主动性。

    MOOC与SPOC相结合，将理论力学学习从课堂延伸到课外 ?MOOC（Massive Open Online Courses）即慕课，指大规模在线开放课程。SPOC（Small Private Online Courses）即小范围私有在线课程，面向本校或指定群体开放，教学单位可控性更强。MOOC+SPOC教学模式主要通过参加指定的优质MOOC及建设私有的SPOC来开展教学，将线上教学、讨论、测试与线下作品展示、考试相结合，完成课程的教学[6-7]。

    课堂教学由于不能重复，学生在课堂上一旦跟不上上课的节奏，就不能掌握课堂讲授的知识点，这时在课下学习的时候可以借助网上优质的MOOC资源进行反复观看，直到弄懂为止。学生在课下学习的时候，相当于一对一学习，可以根据自己的思维调整视频播放的进度，由此，不同基础的学生的学习需求都可以得到满足。

    在教学过程中向学生推荐哈尔滨工业大学、西北工业大学、同济大学等一些优质的MOOC资源;同时，学校专门支持录制符合本校学生情况的SPOC课程，通过SPOC课程的实施，教师更方便了解学生的学习情况，进行阶段性测试及在线答疑交流等。现阶段，在线课程不能完全取代课堂教学，只能作为课堂教学的辅助手段。学生通过在线课程的学习可以对课程做充分预习，带着疑问走进课堂，提高听课效率;在课堂上可以与教师展开讨论，加深对知识的深层次理解;课后通过在线课程可以扩展知识面，也可以随时随地与教师进行线上交流，将理论力学的学习从课堂延伸到课外。

    將工程分析软件引入教学，培养学生分析解决实际工程问题的能力 ?在理论力学学习中，很多学生对于基本概念、基本理论有了初步的了解，能求解一些由实际问题抽象而来的力学习题。但传统教学方法往往注重公式定理的推导及力学问题在特定条件或状态下的计算，缺少对模型本身运动学、动力学方面多视角的深入分析，致使学生面对实际工程问题时，不能运用所学专业知识进行深入分析处理。在传统教学中引入工程分析中常用的有限元分析软件ABAQUS、ANSYS和动力学分析软件ADAMS作为辅助教学手段，可使抽象的理论力学问题结果以图像可视化展示，让物理过程变得更加形象直观。这样既可以提高学生学习理论力学的兴趣，也有助于培养学生使用现代工具、团队协作、沟通、项目管理及自我学习的能力。

    通过课外学科竞赛，提高学生解决实际问题的能力 ?近年来，大量的课外创新活动激发了学生学习的热情。学生通过参加机电产品创新设计竞赛、机器人比赛、全国周培源大学生力学竞赛等创新竞赛，找到了学以致用的舞台。在制作科技作品时，无论是进行结构设计、强度计算，还是进行传动分析、动态测试等，都离不开力学知识。实践中对知识的运用敦促学生以更饱满的精力回归课堂，形成“课堂—实践—课堂”的良性循环。近年来，滨州学院学子在全国周培源力学竞赛这样极具挑战性的比赛中荣获国家三等奖，更激发了学生学好力学知识的信心。

    4 结语

    “教学有法，教无定法。”按照应用型人才的培养目标，对学生的基础、需求做出全面分析，因材施教。在传统教学方法中充分运用多媒体教学、案例教学、在线课程，以工程问题的分析和学科竞赛为驱动，充分利用课上、课下时间，做到全方位立体化教学，定能实现“强基础，重应用”的人才培养目标。

    参考文献

    [1]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京：高等教育出版社，2016.

    [2]张东晓.以工程素质培养为目标的理论力学教学实践与探索[J].科技视界，2018（19）：146-147.

    [3]李同杰，宛传平，李忠芳.应用型本科高校机械类专业《理论力学》课程教学改革探索[J].赤峰学院学报，2016，

    32（24）：206-207.

    [4]张丽，李磊.新工科理念下应用型本科理论力学课程教学改革探索[M]//第十七届北方七省市区力学学会学术会议论文集.2018.

    [5]汤可可，王华宁.以创新能力培养为导向的理论力学教学体系探索[J].力学与实践，2017，39（1）：68-70.

    [6]谢华.理论力学SPOC课程建设的思考与设计[J].高师理科学刊，2016，36（4）：81-84.

    [7]刘云芳，左为平，李海芸.基于MOOC+SPOC混合教学的大学计算机课程实践[J].信息系统工程，2019（2）：159-160.