新工科背景下理论力学教学实践与探索

谭邹卿　蒋学东　何云松　班书昊　席仁强　徐然　丛蕊

摘  要：理论力学是机械等工科专业一门重要的核心技术基础课程，具有理论体系完整、教学内容丰富和课时少等特点。随着智能手机的普及和互联网的发展，严重冲击着传统课堂教学模式。这就需要调动学生学习兴趣和主动性，活跃课堂氛围，加强课堂管理。文章从知识结构、道家哲学思想、ADAMS软件以及雨课堂平台四个方面进行了探索，以提高理论力学课程教学质量。

关键词：理论力学教学;思维导图;道家哲学思想;ADAMS;雨课堂

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）07-0103-05

Abstract： Theoretical mechanics is an important basic technical course of mechanical engineering majors， which has the characteristics of complete theoretical system， rich teaching content and less class time. With the popularity of smart phones and the development of internet， the traditional classroom teaching model has been seriously affected. This needs to mobilize students' interest and initiative in learning， and to activate the classroom atmosphere， and to strengthen the classroom management. This paper explores four aspects： knowledge structure， Taoist philosophy， ADAMS software and rain classroom platform， in order to improve the teaching quality of theoretical mechanics.

Keywords： theoretical mechanics teaching; mind map; Taoist philosophy; ADAMS; rain classroom

理論力学是科学研究物体机械运动的一般规律的学科，是机械、土建、航空等工科专业中一门系统性、理论性和逻辑性较强的的技术基础课，也是材料力学、机械原理、过程设备设计等后续课程的基础。但理论力学概念多、抽象性强以及内容丰富，需学生在深刻理解物理概念的基础上灵活运用理论公式、解题方法。由于理论力学的基本概念与高中物理、大学物理的力学存在一些重复的内容，学生会错误地认为理论力学似乎容易明白，也就容易因概念混淆而导致习题难以下手等问题，进而造成理论易懂、习题难做的困难局面。另外，理论力学利用高等数学中的矢量方法进行严密的公式推理，数学基础薄弱的学生对理论力学内容理解就会变得更加困难。为了培养适应经济社会发展需要的高质量、多样化的人才，普通本科院校总课时发生了很大的变化，本校的理论力学课程时数已从原来的120学时削减为56或64学时，课时量被极大压缩。但“基础不牢，地动山摇”！针对课时减少的现状，如何保障在短时间内完成教学内容和教学质量十分重要。值得注意的是，随着互联网、移动电子设备等技术的快速发展，智能手机等电子产品得到了迅速的普及，“低头族”正成为现代社会的一个流行词。这种低头族现象也冲击着大学课堂的教学效果。教师应积极思考如何将新技术恰到好处地应用在理论力学课堂教学中，从而促进教学质量的提高。为此一些学者根据自身教学实践探讨了不同的教学方法，并取得了良好的效果[1-3]。针对理论力学教学过程中遇到的主要问题，结合本教研团队的教学经验提出了几点思考，以提高教学质量。

一、运用思维导图相，培养学生的结构化思维

美国心理学家、教育学家布鲁纳认为：“掌握事物的结构，就是以允许许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它。简单地说，学习结构就是学习事物是怎样相互关联的”。理论力学的内容包括静力学、运动学和动力学三大部分。这些知识点之间并不是简单的并列、渐进的关系，是由各种关系有机地交织在一起的。因此，需从知识的整体性出发，构建理论力学知识链和知识块的结构化网络。把握教材知识整体结构，让学生对理论力学课程有一个清楚的、整体的认识，进而感受到：“会当凌绝顶，一览众山小”！作者在教学实践中发现，可利用思维导图建构理论力学知识网络，如图1所示。

图1 理论力学知识体系思维导图

从内容上看，静力学的核心内容求质点（系）和刚体（系）上的广义力（F、MO、MZ、M）;运动学研究物体运动的广义轨迹（r、s、？渍）、广义速度（v、？棕）以及广义加速度（a、？琢）;动力学研究物体的作用力与机械运动之间的关系（如？撞Fi=ma、？撞MZ（Fi）=JZ？琢），其基础是静力学部分的广义力和运动学部分的广义轨迹、广义速度以及广义加速度。另一方面，从方法上看，由于牛顿构建的力学世界，在很大程度上采用几何作为工具进行分析和求解，这就需要让学生意识到力学与几何有着密切的联系，要培养学生利用矢量方法来求解理论力学的问题。许多物理量如力、力偶、矢径、速度、加速度、动量、动量矩、冲量等都是矢量。因此，在分析理论力学中的问题一般都遵循如下三个步骤：（1）选取研究对象（画无矢量的几何图形，如质点、质点系、刚体、刚体系）;（2）进行矢量分析（画直箭头、弯箭头，如集中力画直箭头，角速度画弯箭头）;（3）列方程（建立坐标系将矢量图转化为数学公式）。按照这样的由几何图转化为公式的解题步骤，思路清晰且便于掌握。上述理论力学思维导图把零碎的课程知识系统化，清楚地让学生从整体上把握所学内容和方法。当然，该方法也可运用在各章节中，引导学生掌握知识点的逻辑关系，有利于学生对该课程的学习和掌握。

二、与道家哲学思想相结合，培养学生的科学发展观

爱因斯坦曾说：“哲学可以被认为是全部科学之母”。因此哲学思想能够贯穿于力学学科的发展过程中，对理论力学教学有指导意义。在理论力学教学过程中引导学生从哲学的角度思考知识点的发展脉络，有利于培养学生的科学发展观[4]。中国古代思想家老子在《道德经》云：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。该朴素的哲学思想表示了“道”生万物从少到多，从简单到复杂的一个过程。这种发展的哲学原理也同样适用于对理论力学各个概念、定理的梳理。此外，自然界在纷繁复杂的表象背后隐藏着简单的规律[5]。正如牛顿说的那样：“自然界喜欢简单，不爱用多余的原因夸耀自己。”爱因斯坦也把简约作为科学美的重要标志。他曾说过：“要通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的。”综上所述，作者更趋向于将道家哲学思想改写为：“道生一，一生二，二生三，三生万物，万物归宗。”基于该哲学思想，表1给出了一些理论力学知识点的脉络。从知识点上来说，学生在高中阶段都已经部分或全部学过，所以对于已经学过的内容可简要阐述即可。但理论力学重点研究刚体（系）的运动与相互作用之间的关系，这就需要研究对象从质点（系）向刚体（系）转变，进而需要增加刚体（系）受力、运动及二者之间关系的物理量、定理和定律。学生学习理论力学的难点恰好在这转变上。例如，由于刚体运动形式有：平动、定轴转动和平面运动，而刚体是由无数质点组成的质点系，在研究刚体的动能时，学生需从高中阶段的质点动能单一形式向多种简单形式（刚体平移：刚体定轴转动：、刚体平面运动转变。利用道家哲学思想就能较好地解决从高中物理到理论力学的跨度问题，该“简单-复杂-再简单”方法让学生体会到高中物理与理论力学的异同，并突出了理论力学的重难点，定会提高学生对理论力学的认识。

三、引入ADAMS软件，激发学生的学习兴趣

目前，由于课堂上缺少实物模型展示，导致教学缺乏直观性，使得学生感到理论过于抽象、习题无从下手。因此，可视化教学模式是基础力学教学改革与实践的一个方向[6-7]。为了丰富理论力学教学素材，哈工大在第八版教材中增加了数字资源的二维码链接，学生可以通过扫描书上的二维码即可链接相关数字资料[8]。然而，这些视频仅仅起动态演示的作用，对机械等专业后续课程的学习以及创新设计等比赛帮助有限，难以锻炼学生产品开发的设计能力。ADAMS以其公认的优越性被越来越多的工程技术人员和科研人员所使用，广泛地应用在工程机械、汽車制造业、航空航天等领域，并取得了显著的成绩[9]。将ADAMS仿真技术引入到理论力学教学中，从哈工大版理论力学教材中挑选典型的力学问题，对相关实例进行仿真分析，建立了ADAMS仿真实验数据库（部分内容如图2所示），加深了教学的直观性和应用性，为后续课程学习、毕业设计甚至就业工作等提供仿真方法。例如，图3为利用ADAMS建立曲柄滑块机构模型后在后处理模块进行仿真和曲线绘制结果，该仿真结果与理论解[8]完全一致。ADAMS/PostProcessor模块提供了仿真结果回放和分析曲线绘制功能，学生可以观察模型的运动以及曲线的变化，就像做实际的力学试验一样。利用生动的动画、曲线等展示给学生，从而将抽象的理论具体化，这对激发学生的学习兴趣，增强教学效果起到了很好的作用。

四、基于雨课堂的教学，提高教学管理的效率

以上从教师传授知识和技能等方法来提高理论力学教学效果，但忽略对课堂教学的管理将给教学工作带来巨大的困难。科学技术的快速发展带来了学生的“现代化”，许多课堂都面临着“低头族”的难题，学生不听讲玩手机的现象让不少老师感到困惑，特别是高度概括和比较抽象的基础课程尤为如此。可见，课堂教学管理是教学工作的一个重要内容，还是组织教学的重要环节。在教育信息化、现代化的背景下，如何用信息技术推动课堂教学改革？雨课堂由学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发的一款新型智慧教学工具，为师生搭建了线上线下课堂教学互动沟通的平台[10]。它将信息技术手段融入PowerPoint和微信，将“课前-课中-课后”的每一个教学环节都赋予全新的体验，基本实现了教师对教学全周期的数据采集、整理、分析等，帮助教师实时获取学生的学习情况。使用雨课堂可开展扫码签到、与PPT同步的课件传递、随机点名、随堂测验、私信问答、记录教学设计和心得等教学活动，如图4（a）和（b）所示。此外，为了节约大量的人力、物力、财力，针对常州大学机制17级采用了基于雨课堂的无纸化期中测试，如图4（c）所示。由于不需要打印试卷，不需要组织阅卷，收卷后自动打分并显示考试成绩，试卷成绩可下载成Excel表格，方便成绩统计和保存等，与传统的纸质考试方式相比，雨课堂考试方式具有成本低、速度快、便于统计整理等优势。此次把雨课堂运用于理论力学考试当中，真正实现了雨课堂“课前-课中-课后”全程式教学模式，是教学改革的一种新尝试。

五、结束语

综上所述，在理论力学教学实践中获得了以下四点经验：

1. 运用思维导图的方式很好地锻炼了学生的综合分析能力与逻辑思维能力，使得学生对理论力学教学体系和内容有了更加清晰的认识。

2. 将道家哲学思想融入理论力学的教学中，培养学生从哲学的高度进行思考学习。

3. 引入ADAMS软件，充分发挥了CAE软件的优势，增加了学生的直观认识，丰富了课堂教学内容，激发了学生学习兴趣。

4. 基于雨课堂平台，为师生构建了良好的课堂互动环境，能够引导学生养成良好的学习习惯。

参考文献：

[1]宋娟，冯维明，王少伟，等.试论“课堂实时反馈系统”在力学课堂教学中的应用[J].力学与实践，2018，40（3）：89-91.

[2]郭铁丁，康厚军，程露敏.基于平板电脑的理论力学课堂教学模式[J].力学与实践，2018，40（3）：85-88.

[3]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.

[4]薛铜龙，杨现卿，张晓辉.高等教育中大学生的哲学思维培养[J].大学教育，2017（8）：98-100.

[5]徐志君.物理学美与物理教学中的美育[J].浙江工业大学学报，2002，30（6）：626-631.

[6]李凌云.理论力学虚拟实验与课程管理平台的实现[J].实验技术与管理，2015，32（12）：127-130.

[7]尚玫，梅凤翔.理论力学可视化教学与Matlab/Simulink[J].力学与实践，2010，32（1）：72-76.

[8]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（I）（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[9]宋少云，尹芳.ADAMS在机械设计中的应用[M].北京：国防工业出版社，2015.

[10]王帅国.雨课堂：移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具[J].现代教育技术，2017，27（5）：26-32.

基金项目：江苏高校“青蓝工程”资助项目“优秀青年骨干教师”（苏教师[2020]10号）;常州大学教育研究重点课题资助项目“ADAMS虚拟实验在理论力学教学中的实践与研究”（编号：JXJY2017003）

作者简介：谭邹卿（1983-），男，汉族，四川广安人，博士，副教授，研究方向：微纳米力学、生物传感器;蒋学东（1966-），男，汉族，江苏常州人，硕士，副教授，研究方向：弹塑性力学;何云松（1974-），男，汉族，江苏常州人，硕士，副教授，研究方向：有限元分析、计算流体动力学;班书昊（1978-），男，汉族，江苏常州人，硕士，讲师，研究方向：振动力学;席仁强（1984-），男，汉族，河南三门峡人，硕士，讲师，研究方向：工程结构抗震;徐然（1982-），女，汉族，山西太原人，博士，讲师，研究方向：非线性断裂力学;丛蕊（1972-），女，汉族，江苏常州人，博士，副教授，研究方向：非线性转子动力学和故障诊断。