研究性课程教学：理论力学精品课程建设的探索与实践

研究性课程教学：理论力学精品课程建设的探索与实践摘要：本文对研究性教学模式进行了初步的理论探讨，指出如何在课程教学层面开展研究性教学是一个摆在广大教师面前的重要课题。

文章以湖南大学理论力学精品课程建设为例，介绍了研究性教学在一门具体课程教学中的实践与探索。

关键词：研究性教学模式；理论力学；探索经过多年不懈努力，湖南大学理论力学课程建设取得了一些成果。

近年来，基于研究性教学的理念，我们又进行了系列探索与改革，编著了“十一五”国家级规划系列教材，该课程于2007年被评为国家级精品课程。

笔者对该课程建设的经验进行了总结，以期能抛砖引玉，与各位同行商榷。

一、研究性教学模式的探讨研究性教学的理念由美国提出，其宗旨是实现教学与研究的有机结合，培养创新性人才。

美国高校对研究性教学模式的实践主要有开设新生研讨课(freshman Seminar)、鼓励本科生参与研究与创新活动(SRT)和组织探究式学习。

目前国内少数重点大学也相继开展了研究性教学的探索，如清华大学等开设了新生研讨课，湖南大学等推行了大学生研究训练计划，教育部于2007年在全国50所高校首次推行了大学生创新实验计划等，研究性教学在国内高校已逐步开展。

我们认为，推进研究性教学必须坚持以人为本和科学发展的理念，以建构主义教学理论为指导，树立“知识参与者”知识观，从根本上改变当前大学教育中人才培养的狭窄化、技术化倾向。

实施研究性教学的目标是培养敢于质疑、善于钻研、勤于思考、兴趣广泛，有社会责任感，并具备初步研究能力和科学精神的创新人才。

综观相关研究，结合我国高等教育实际，笔者认为高校研究性教学可按以下模式开展。

1．研究性“大教学”研究性教学要求大学本科教育树立“大教育”的观念，从宏观、理念层面确立本科教育的基础地位，有机地处理好教学与科研的关系，处理好本科教育与研究生教育的关系。

用研究性教学的思想指导大学本科教育的“顶层设计”，如人才培养目标、人才培养模式等。

用“教学与研究相结合”的思想加强课程、专业、实验室、师资队伍和教学管理机制建设等教学基本建设。

2．研究性课程教学以“教学和研究相结合”为指导思想，加强课堂讲授、课堂讨论、作业答疑、实践训练、考核等主要教学环节的内涵建设，积极推进探究式教学和讨论式教学、案例教学、合作教学，引导大学生了解多种学术观点并开展讨论、追踪本学科领域最新进展，提高自主学习和独立研究的能力。

3．研究性“体验”教学包括开设新生研讨课，给大学新生提供一种以探索和研究为基础、师生互动、研究讨论为主的教学方式，创造一个新生在合作环境下进行探究式学习的环境。

建立“有计划的学习团体”，如成立核心课程课外研讨小组、相关学习研讨社团、经典研读小组及各类主题研讨会等，为促进大学生之间开展广泛而持续的合作提供平台。

建立各类学习网站，充分利用信息技术开展研究性教学。

开展论文研究、项目训练等，如许多大学开展的大学生科研训练计划。

大学生从事论文研究和项目训练，从文献阅读到选择研究题目，从设计方案、安排研究过程到采用合适的研究方法，从数据或资料采集到整理成文发表，经历的是一个完整的研究过程，各个环节大学生都能得到研究能力培养的充分体验。

二、理论力学课程建设的主要探索如何在课程教学层面开展研究性教学是一个摆在广大教师面前的重要课题。

几年来，我们在理论力学课程教学中进行了深入探索，主要工作包括如下三个方面。

1．改革课程内容体系，注重知识整体的衔接与贯通我国传统力学基础课程的内容体系基本沿袭前苏联模式，各门课程相对独立，自成体系；普遍理论重复推导，相同内容重叠出现，不但多占课时，知识体系也显得零散，缺乏连贯性和整体性，学生对必要的基础力学知识缺乏整体性认识和掌握。

例如理论力学中质点系的虚位移原理只用于分析刚体系统，而在后继课程中又出现变形体的虚功原理、能量原理等诸多内容上的重复。

理论力学的主要内容是动力学，而具体研究对象几乎全部是刚体，而变形体动力学在后继课程中又很少涉及。

针对上述问题，我们进行了以下改革。

(1)贯通后继课程，避免简单重复。

我们提出的理论力学课程新体系以质点系为基本模型导出普遍理论，直接应用于刚体、流体与变形固体。

例如力系的简化与平衡原理，贯穿于刚体、变形固体和流体的静力分析中。

又如质点系的虚位移原理，直接用于刚体时，内力虚功为零；用于变形体时，计入内力虚功，不必重新推导变形体的虚功原理。

又如质点系的动能定理，用于刚体时不计内力功，用于变形体时计入内力等。

新体系与后继课程相关内容前后呼应，融会贯通，形成有机整体。

例如力系简化原理与杆件内力分析、刚体平衡条件与应力状态分析、物体系统平衡与结构内力分析、质点系虚位移原理与变形体能量方法、刚体稳定与结构稳定、刚体振动与结构振动、刚体动约束力与变形体内力、刚体碰撞与变形体冲击等等，即使某些重要概念在后继课程中重复出现，但涉及内容不同，构成了螺旋式上升的知识体系。

又如平衡的稳定性，理论力学讨论刚体，材料力学计算压杆，结构力学分析杆结构，概念多次反复，内容逐步深化。

(2)理论推导从一般出发，直接得出特殊结果。

我们尝试在物理学的力学基础上提高起点，理论推导从一般情形出发，给学生展示一个全新的整体的力学理论体系。

如力系的简化与平衡，从空间一般力系入手，导出平衡方程，由此直接得出各种特殊力系的平衡方程。

又如点的复合运动，先导出动系作空间任意运动的合成定理，再由此得出动系作平移，定轴转动，平面运动的相应公式。

再如动量矩定理，先导出相对运动矩心的定理形式，再由此导出几种适用的特殊形式，包括相对质心的动量矩定理等。

(3)以运动机构和结构为对象，加强动力学分析。

传统理论力学动力学内容，研究对象局限于刚体和力的外效应，而后续的固体力学课程多侧重于静力分析，运动机构和变形体的动力强度分析显得十分薄弱。

新体系加强研究了变形体动力问题，例如简单机构和结构的冲击内力计算和构件的动力效应分析等。

(4)引导质疑传统理论，勇于探索科学前沿。

在课程讲授时，如何引导学生运用最基本的力学原理对某些传统理论的成立条件和推导过程进行再思考、再论证，敢于提出质疑，从更一般的条件下探索新的理论也是研究型教学的一个重要方面。

例如在讲授力系简化原理后，向学生介绍了传统连续介质微元体的受力分析与平衡方程，并提出该结果有何局限疑问。

通过分析与讨论，学生明白了微元面受分布力向其中心简化的结果一般是一个力螺旋，传统理论略去了其中高一阶小量的力偶矩部分，在研究微尺度范围力学现象时，这个力偶矩不能忽略，从而引出了现代弹性力学的偶应力新理论，进而把学生引领导到现代科学的前沿窗口。

上述课程内容新体系的教学改革与实施分为两个阶段两种模式进行：第一阶段第一种模式始于1998年，在多项教改课题支撑下，全面贯通理论力学、材料力学和结构力学三门课程内容，打破原有课程界限，分为运动学，静力学，动力学三篇，并已在我校工程力学专业连续三届试点，该成果于2002年获得湖南省教学成果一等奖。

第二阶段第二种模式始于2001年秋季，充分采用了第一阶段的实践成果，其特点是：仍按传统名称设课，内容实质性贯通。

目前在我校土木工程专业连续六届试点至今，反映效果良好。

2．改革教学模式，加强学生创新与实践能力的培养(1)启发式课堂教学。

课堂上，在向学生传授知识，进行逻辑性、集中性思维训练的同时，更加注重对学生进行创造性思维训练，有意识地引导学生进行探索性、直觉性、发散性和想象性的思维活动，激发创新意识和培养创新能力。

具体分三个层次进行：首先，在每个章节的开头，向学生简介学科的发展历史，让学生身临其境，产生发展与创新的意识，并合理设问，让学生主动构想开辟科学新途径的思路，引导学生进行探索性思维：其次针对某些重要概念，及时给出灵活多样的思考题，引发学生积极思维，训练直觉，刺激灵感；再次是讲授例题时，针对同一力学模型，通过多角度、多形式、多层次的命题变换，构造点、线、面、体的立体思维网络，进行迁移、跃变、逆向等发散型思维基本素质的训练。

(2)激活式问题讨论。

在讲授某些篇章后安排学时进行课堂讨论，由教师或学生针对已学章节内容提出相关疑难问题，事先发给学生，学生以寝室为单位随机选题、集体讨论、课堂报告、当场提问、及时解答，由学生代表组成评委进行评分，评分计入课程成绩。

实践表明，这种讨论形式，激活学生思维，深化问题理解，受到学生的普遍欢迎。

(3)创新型应用实验。

我校于2006年引进浙江大学理论力学创新应用实验平台，在充分理解与熟悉已有实验模型基础上，研制新的实验项目，逐步形成具有我校特色的实验教学。

为有效地将理论力学创新应用实验纳入课程教学体系，学校在该课程教学计划中安排4学时的实验教学，要求学生在创新应用实验基础上，开阔思想，创新实践，并撰写实验创新论文。

(4)挑战型课外实践。

配合课程教学，我们在学生中开展了“四个一”的课外创新训练，学生创新训练成绩计入课程总评成绩(占30％)。

这“四个一”的创新训练分别是：其一是运用所学力学知识，分析解决一个工程实际问题：要求从观察某一实际工程中，抽象出力学模型，并进行数学求解，再由所得结果去说明实际问题并验证或修改力学模型；其二是自编一道力学题，可以用具体形象的实例说明一个抽象的力学概念，也可以通过变换、重组、构思一个新颖的习题；其三是写一点最深刻的学习心得体会，可以是对知识的理解，可以是对已有理论的批注，也可以是对教学的建议，还可以是自己的某种见解，只要有新意就是好文章；其四是自选一个力学题，自编程序，用计算机求解。

针对“四个一”的课外创新训练，每学期开展一次成果报告会，每年举行一次全校性的理论力学知识和创新论文竞赛。

3．改革教学手段，引导学生开展研究性学习近几年，我们相继研制了“基于多媒体的理论力学授课型课件”和“基于网络的理论力学自主学习型课件”；《理论力学概念、题型与方法》教辅光盘和《理论力学电子教案》均由高等教育出版社和高等教育电子音像出版社出版发行。

此外，我校还引进了一些其他教辅光盘，如“理论力学创新实验”、“理论力学在工程中的新应用”录像等，这些多媒体课件的研制与采用，提升了学生学习理论力学的兴趣，较好地解决了该课程中的重点和难点问题。

(1)多媒体课件建设。

为了提升课堂教学效果，我们研制了配套的理论力学多媒体课件。

吸收兄弟院校成果精华，结合我校专业特色，以课程教学基本要求为依据精选内容，按章节分阶段制作组合式课件素材库，包括各类工科专业理论力学问题的工程背景，理论力学模型的抽象过程，专业特色的典型例题，激活思维的问题思考，生动形象的难点剖析，复杂现象的过程演示等，形成一套与传统教学手段密切配合，互相补充的多媒体教案。

该课件已在我校及中南大学、长沙理工大学、湖南工业大学、湖南文理学院等高校普遍使用，效果很好，达到了全面促进和提高理论力学课程教学质量的效果。