理论力学教学改革与学生能力的培养

理论力学教学改革与学生能力的培养
[摘要] 本文分析了理论力学课程的特点，对课程的内容系统以及教学方法进行改革，培养学生分析和解决现实问题的能力。

[关键词] 理论力学内容体系教学改革能力提升
1.《理论力学》课程的特点
《理论力学》[1,2]是物理类专业的专业基础课，是物理学专业为《热力学与统计力学》、《量子力学》等后续课程提供必须的力学知识和相关的基本概念，同时也担负这培养学生逻辑思维能力、分析实际问题，解决实际问题能力的任务。

通过该课程的学习，使学生掌握经典力学的理论要点和精华，即它的完整理论体系和现代的处理方法；在理论、方法、符号系统等方面为学生实现从普通物理到高等物理，从经典力学到近代物理的过渡做准备；使学生掌握必要的数学方法和技巧，受到严格而充分的运动高等数学解决物理问题的训练。

该课程的学习效果直接关系到学生后续课程，特别是近代物理相关课程的学习，更重要的是有助于学生科学素质的培养和提升。

但是由于理论力学涉及的内容多，范围广以及对数学工具的熟练应用，许多学生对理论力学的学习有畏难情绪，学习积极性不高，在学习过程中，不能主动接受新概念、新方法和新思路，特备是分析力学部分，学生的数学基础薄弱，理解能力较差以及抽象思维能力弱，在学习过程中常常处于被动。

为提高学生的分析问题和解决问题的能力，激发学生的学习的兴趣，培养学习的积极性和主动性，教学改革，特别是教学内容的改革势在必行。

2.理论力学内容体系的改革
理论力学的理论体系严谨，逻辑性强，课程的内容既经典又完整，不易全面更新。

但随着教学改革的进行和教学观念的转变，上课学时的不断减少，学生用于该课程的学习时间也大为减少，简单的消减教学内容，只会使该课程的学习陷于困顿，而且，在学习《理论力学》之前，学生已经学过《力学》，严格意义上来说，《力学》也属于经典力学的一部分，内容上的重复造成学生开始学习《理论力学》时，认为只是《力学》的补充和深入，因而在上课过程中，注意力不集中，学习的积极性不高；在学习方法和处理问题的思路上，不能主动接受和应用分析力学中的新概念和新方法，而继续使用牛顿力学知识来解决问题。

考虑到这种情况，只有采取积极的办法，从课程自身的特点出发，挖掘课程本身的潜力，做到基础理论要精练、深化，加强分析力学课程的内容，进一步深化理论力学课程建设与改革。

在理论力学的教学中，凡是与普通物理学中重复的地方，公式可以用高等数学简单推导，说明其物理意义，省出的时间用于难点和重点的学习；如：从矢量的矩阵变换，运算及微商讲起，过渡到质点力学、质点系力学到拉格朗日力学、中心力、微振动、刚体力学以及哈密顿力学；其中，质点力学、质点系力学可以用较少学时，复习下知识点即可，重点阐述拉格朗日力学之基础，如约束、虚功原理、达朗贝尔原理以及拉格朗日方程及其在求解具体问题中的应用。

在讲解理论的过程中，辅之以学生能够接受的工程中[3]的以及生活中的实例及
例题，提升学生的抽象思维能力，加强分析力学的内容，重视两个自由度系统的力学问题分析，重视系统运动微分方程的建立，以便和后续课程更好接轨，质点力学、和质点系力学只强调基础理论的深化，突出一类的问题的解决，而不是停留在某个具体问题的解决上。

在接下来的中心力以及微振动力学中，尝试采用经典力学和拉格朗日的分析力学共同进行讨论，对比经典力学与分析力学，让学生有个直观的体会，慢慢的过渡到分析力学作为解决问题的主要方法上来。

这种内容体系优点有：其描述简洁、精练，既缩短了篇幅又加深了内容，它可以使学生逐渐放弃用普通力学的知识，来理解理论力学的内容。

在对比中学习理论力学的新概念和新知识，努力掌握解决问题的新方法和新思路。

3.教学方法的适当改革
3.1开展互动式，启发式教学
互动式教学[4]，是在教师的引导下，通过学生集体的组织形式由教师提出问题，学生各抒己见，相互讨论，相互学习的教学方法；启发式教学指教师在教学过程中根据教学任务和学习的客观规律，从学生的实际出发，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，促使他们生动活泼地学习的一种教学。

它们由教师一人主讲变为由学生、教师共同讨论，整个讨论过程是师生双边活动。

互动式、启发式教学可以改变学生由被动到主动，最大程度地发挥其主观能动作用，促使学生在课外时间通过其他途径查阅相关的学习资料，带着问题听课，可有效地培养学生独立思考能力和分析问题解决问题的能力。

上好讨论课的关键是首先选择好要讨论的内容，一般应考虑选题的科学性、趣味性和目的性。

为了使课堂讨论有的放矢，避免出现起哄、离题或冷场现象，在上讨论课之前，先让同学自学一些相关内容，根据要讨论的内容，拟出若干个题目，使学生的发言围绕这些题目自由发挥。

在互动教学中，根据平常对学生的了解情况，因人而异在适当时候给予提问和引导。

在讨论过程中，教师的发言要富于启发性、诱导性和综合性。

每次讨论能否给学生留下印象，不在于讨论的具体形式，而在于是否有几个有分量的发言能抓住问题的关键并深入到问题的实质，有独特见解给人以启迪，引起学生较长久的思考，引导学生进行深度思考。

3.2使用多媒体教学手段教学
利用多媒体等现代化手段教学是目前教学改革的一个重要方面，在理论力学中开展多媒体教学有很多优点，生动形象，增加了视觉效果，使学生对一个抽象的理论有了感性的认知，节省了板书时间，加大了课堂信息量，为教师的启发式教学创造了条件。

现代化教学手段和传统的黑板、粉笔及模型教具并不相互排斥，而是相辅相成，针对不同的章节内容可采用不同的教学手段，有些章节采用板书授课适合，有些章节采用多媒体授课适合。

应灵活运用各种传统的和现代化的教学手段。

另外，在多媒体教学手段教学的过程中也应该精练出某些经典视频素材，必要时可以自己动手做相关演示实验以及计算机仿真实验，比如利用Mathematica 、Matlab、Ansys等计算软件强大的数值计算以及图形处理技术制作动画，把枯燥的理论用动画的形式展现出来，提高学生对理论力学问题的感性认识，激发学生的兴趣。

此外，教师还要注意学习和借鉴国内外的精品课程以及开放课程的优点和长处。

通过观摩名校名师的开放课程的授课录像，了解各个学校在该课程教学过程中的侧重点。

学习、体会
揣摩课堂教学中相关技巧，并把这些技巧应用到自己日常的教学中去。

3.3提高学生学习的主动性和积极性在反映在教学过程中[4,5]，应该贯彻少而精的原则，精心选择教学内容，改变过去多而不细的方法，将一些最重要和最基本的概念、理论和分析方法教给学生，并通过必要的基本训练帮助学生理解和掌握，为发挥其创造性留足时间和空间。

教学的重点内容是关键所在，教师讲解的应是各章节的主干内容，而对一般内容或者比较简单的章节则可稍加指点，或让学生带着问题去自学并将其联系到主干内容上。

当课程讲完一章时，应让学生自己进行小结，将前面所学的内容用一两条主线串联起来。

理论力学的应用性主要体现在例题和习题的选用上，随着科技的发展，除了保留一些基本题型外，应该不断更新，如加一些天文学方面的例题等内容，以显示经典力学的渗透力。

因此在例题和习题的选择上既要结合专业特点和学生兴趣又要体现时代特色，还应注意相关领域的问题。

这样就能使学生将理论力学和自己的专业以及现代科技结合起来，激发学生的学习兴趣和热情。