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摘要：本文介绍了一种理论力学的新型教学方法，主要包括：增加课堂演示实验、深化计算软件的应用和增加设计报告性大作业等。通过这些举措，可提高学生运用所学知识解决工程实际问题的能力（工程能力），激发他们的创新思维。
关键词：理论力学；演示实验；计算软件；工程能力；创新思维
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）36-0099-02 一、引言
理论力学，在石油工程、地质勘探、机械工程、汽车工程、航海、航空、航天、水利和土木建筑等领域应用广泛，是上述专业本科二年级学生必修的专业基础课。目前的理论力学教材包含了静力学、运动学和动力学等内容，涉及庞大的知识量。近年来，各个学科蓬勃发展，专业分工越来越细，学科内容知识体系愈加宽广，然而作为重要专业基础课的理论力学，其教学篇幅和学时却大幅缩减。
理论力学的一大特点是：数学公式较多，逻辑性较强，概念较抽象。因而，学生积极性不高，考试不及格率较高；学生也很难培养解决实际问题的能力[1-4]。其原因大致如下。
1.教师忽略了理论力学与现实中的工程问题相结合。理论力学教材中的力学模型都来源于工程实际中的典型设备的提炼，但对于大二且几乎没有工程实践经验的学生而言，很难将工程实际问题和这些抽象的力学模型联系起来[2，5]。如果教师不阐释这些模型的来龙去脉以及如何从工程实物建立力学模型的思路，就很难激发学生的学习兴趣。
2.缺乏实验尤其是学生能积极参与的小型的课堂演示性试验。实验是建立抽象概念和真实物理世界的桥梁。演示性实验能将抽象的物理概念和力学定律可视化。缺乏实验学生只面对公式和讲解，理解知识不够深刻。
3.缺乏利用计算软件解决力学问题的训练。软件是解决复杂工程问题的主要工具，但教材中很少涉及如何用软件解决力学问题的内容。学生如果一直依赖手工计算解决简单的力学问题，在面对复杂的工程问题时往往会束手无策。
4.教师作业的布置不能充分调动学生的积极性和创造性。目前学生的作业以课本习题为主，这些习题往往是提前设计好的，学生过于被动性。而且这些课后习题的模型往往较简单，离工程实际问题尚有一定距离[6]。
因此，探索理论力学的新型教学方式势在必行。本文探讨在保证教学大纲要求的前提下，在有限的学时内为学生提供更多的力学知识的应用背景。通过课堂演示实验、增加软件在力学中的应用和布置自主设计大作业等教学环节，将传统式教学和主动探究式教学巧妙结合，既节省学时，又能培养学生的动手操作能力。
二、教学新举措
（一）增强课堂演示性实验
实验教学是培养学生动手操作能力和科研能力的重要手段。实验能训练学生的观察能力、动手操作能力和分析能力[1，7]；实验能强化感性认识，使学生对力学知识的理解更深刻；更重要的是实验为学生提供了良好的参与和思考的平台。
目前的理论力学教学中没有安排实验，很难发挥实验教学的以上优势，应增强实验室实验教学，尤其是增加简单且易于操作的课堂演示实验。经验证明，每节课50分钟的课堂教学，最后10分钟只有20%的学生在听。而利用每次课的最后10～15分钟做实验，邀请部分学生参与，这样既保证完成了教学工作量，又发挥了主动探究式教学的优点。例如：汇交力系的平衡、千斤顶的摩擦自锁原理、测量重心、验证动量矩定理等。
图1为平面汇交力系的演示实验装置示意图。通过该实验，学生不但学习了汇交力系的平衡原理，还能验证绳索约束的约束反力和静力学公理的刚化原理。图2为关于摩擦系数的测量实验装置。尽管在书本上测量摩擦的理论和公式很简单，但是摩擦自锁原理较为抽象，学生理解起来较为困难。如果在课堂上演示测量摩擦系数以及摩擦自锁原理的实验，使他们对摩擦系数和摩擦自锁的理解更为透彻，在生活和生产中熟练地应用摩擦和摩擦自锁的原理解决实际问题。
（二）充分发挥多媒体教学阐述力学模型的优势
多媒体教学通过大量图片、多媒体动画、仿真程序和视频资料，可以将许多力学的工程应用背景形象地呈现给学生，开阔视野[5]。运动学常见的例子之一为曲柄连杆机构。教材上的曲柄连杆机构力学模型虽简单，却是多种工程机械如发动机、空气压缩机、往复式水泵、蒸汽机和内燃机等的简化力学模型。如果由多媒体图片和动画演示此力学模型的应用背景和工作原理，学生可轻易建立起真实的物理世界和抽象力学世界的联系，轻松掌握上述机械的工作原理。
（三）增强力学应用软件在理论力学教学中的作用
力学和工程科学计算结合，为解决复杂的工程问题提供了有力工具。如MATLAB和MAPLE都是功能强大的计算软件，命令简单易学，可相互兼容。传统力学教学只注重理论和基本概念，主要采用手工计算，注重解题技巧，忽略科学计算能力的培养。应修正教材内容，在理论力学教材每一章的内容中增加应用计算软件解决工程实际问题的典型实例，使教学中的抽象问题可视化。
如图3（a）所示的曲柄摇杆机构是刨床“急回”机构（进刀慢、退刀快）的重要组成部分，此特性较为抽象。如果由MAPLE软件对此机构的运动学模拟仿真，其动画仿真结果的截图如图3（b-f）所示，通过动态仿真可以使学生观察到曲柄摇杆机构的运动过程，更容易观察到此类机构运动的“急回”特性，深化学生的认识。如果不进行运动仿真，即使优秀的学生也很难想象其“急回”特性。
（四）增加设计报告性的大作业
工程教育者的主要任务是培养学生的创新意识和创新能力，提高学生的综合素质和解决实际问题的能力[3]。增加自主设计性大作业，教师要精心设计选择较宽泛的题目，但是，要给学生充分自主发挥所学知识的空间，让学生自主设计作品。可以让2～3个学生自由组合成一组，这样既激发了学生的创新思维，又培养了他们的团队协作能力。例如，动力学设计报告题目可以如此设计：设计吸粉笔灰板擦、宿舍用手动升降机、小型机械手、小型脱水机等，但作品中必须包括平面运动部件或体现点牵连运动的部件等。 三、结语
总之，理论力学课程既具有理论性和逻辑性强的特点，也具有与工程实际问题和日常生活联系紧密的“技术科学”的特色，因而在讲课过程中需要加强对学生工程素质的培养。本文探讨了灵活多变的新型教学模式，包括增加课堂演示实验，增加计算软件在解决力学问题的应用以及增加设计报告大作业等一系列教学改革措施。此方法丰富了此课程的工程应用背景，增强了学生的主动性，提高了学生解决工程实际问题的能力。这样，工程力学课程的理论性、实践性和应用性在有限时间内实现了有机结合，就能取得良好的教学效果。
参考文献：
[1]Cheng P.，
关键词：理论力学；演示实验；计算软件；工程能力；创新思维
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）36-0099-02 一、引言
理论力学，在石油工程、地质勘探、机械工程、汽车工程、航海、航空、航天、水利和土木建筑等领域应用广泛，是上述专业本科二年级学生必修的专业基础课。目前的理论力学教材包含了静力学、运动学和动力学等内容，涉及庞大的知识量。近年来，各个学科蓬勃发展，专业分工越来越细，学科内容知识体系愈加宽广，然而作为重要专业基础课的理论力学，其教学篇幅和学时却大幅缩减。
理论力学的一大特点是：数学公式较多，逻辑性较强，概念较抽象。因而，学生积极性不高，考试不及格率较高；学生也很难培养解决实际问题的能力[1-4]。其原因大致如下。
1.教师忽略了理论力学与现实中的工程问题相结合。理论力学教材中的力学模型都来源于工程实际中的典型设备的提炼，但对于大二且几乎没有工程实践经验的学生而言，很难将工程实际问题和这些抽象的力学模型联系起来[2，5]。如果教师不阐释这些模型的来龙去脉以及如何从工程实物建立力学模型的思路，就很难激发学生的学习兴趣。
2.缺乏实验尤其是学生能积极参与的小型的课堂演示性试验。实验是建立抽象概念和真实物理世界的桥梁。演示性实验能将抽象的物理概念和力学定律可视化。缺乏实验学生只面对公式和讲解，理解知识不够深刻。
3.缺乏利用计算软件解决力学问题的训练。软件是解决复杂工程问题的主要工具，但教材中很少涉及如何用软件解决力学问题的内容。学生如果一直依赖手工计算解决简单的力学问题，在面对复杂的工程问题时往往会束手无策。
4.教师作业的布置不能充分调动学生的积极性和创造性。目前学生的作业以课本习题为主，这些习题往往是提前设计好的，学生过于被动性。而且这些课后习题的模型往往较简单，离工程实际问题尚有一定距离[6]。
因此，探索理论力学的新型教学方式势在必行。本文探讨在保证教学大纲要求的前提下，在有限的学时内为学生提供更多的力学知识的应用背景。通过课堂演示实验、增加软件在力学中的应用和布置自主设计大作业等教学环节，将传统式教学和主动探究式教学巧妙结合，既节省学时，又能培养学生的动手操作能力。
二、教学新举措
（一）增强课堂演示性实验
实验教学是培养学生动手操作能力和科研能力的重要手段。实验能训练学生的观察能力、动手操作能力和分析能力[1，7]；实验能强化感性认识，使学生对力学知识的理解更深刻；更重要的是实验为学生提供了良好的参与和思考的平台。
目前的理论力学教学中没有安排实验，很难发挥实验教学的以上优势，应增强实验室实验教学，尤其是增加简单且易于操作的课堂演示实验。经验证明，每节课50分钟的课堂教学，最后10分钟只有20%的学生在听。而利用每次课的最后10～15分钟做实验，邀请部分学生参与，这样既保证完成了教学工作量，又发挥了主动探究式教学的优点。例如：汇交力系的平衡、千斤顶的摩擦自锁原理、测量重心、验证动量矩定理等。
图1为平面汇交力系的演示实验装置示意图。通过该实验，学生不但学习了汇交力系的平衡原理，还能验证绳索约束的约束反力和静力学公理的刚化原理。图2为关于摩擦系数的测量实验装置。尽管在书本上测量摩擦的理论和公式很简单，但是摩擦自锁原理较为抽象，学生理解起来较为困难。如果在课堂上演示测量摩擦系数以及摩擦自锁原理的实验，使他们对摩擦系数和摩擦自锁的理解更为透彻，在生活和生产中熟练地应用摩擦和摩擦自锁的原理解决实际问题。
（二）充分发挥多媒体教学阐述力学模型的优势
多媒体教学通过大量图片、多媒体动画、仿真程序和视频资料，可以将许多力学的工程应用背景形象地呈现给学生，开阔视野[5]。运动学常见的例子之一为曲柄连杆机构。教材上的曲柄连杆机构力学模型虽简单，却是多种工程机械如发动机、空气压缩机、往复式水泵、蒸汽机和内燃机等的简化力学模型。如果由多媒体图片和动画演示此力学模型的应用背景和工作原理，学生可轻易建立起真实的物理世界和抽象力学世界的联系，轻松掌握上述机械的工作原理。
（三）增强力学应用软件在理论力学教学中的作用
力学和工程科学计算结合，为解决复杂的工程问题提供了有力工具。如MATLAB和MAPLE都是功能强大的计算软件，命令简单易学，可相互兼容。传统力学教学只注重理论和基本概念，主要采用手工计算，注重解题技巧，忽略科学计算能力的培养。应修正教材内容，在理论力学教材每一章的内容中增加应用计算软件解决工程实际问题的典型实例，使教学中的抽象问题可视化。
如图3（a）所示的曲柄摇杆机构是刨床“急回”机构（进刀慢、退刀快）的重要组成部分，此特性较为抽象。如果由MAPLE软件对此机构的运动学模拟仿真，其动画仿真结果的截图如图3（b-f）所示，通过动态仿真可以使学生观察到曲柄摇杆机构的运动过程，更容易观察到此类机构运动的“急回”特性，深化学生的认识。如果不进行运动仿真，即使优秀的学生也很难想象其“急回”特性。
（四）增加设计报告性的大作业
工程教育者的主要任务是培养学生的创新意识和创新能力，提高学生的综合素质和解决实际问题的能力[3]。增加自主设计性大作业，教师要精心设计选择较宽泛的题目，但是，要给学生充分自主发挥所学知识的空间，让学生自主设计作品。可以让2～3个学生自由组合成一组，这样既激发了学生的创新思维，又培养了他们的团队协作能力。例如，动力学设计报告题目可以如此设计：设计吸粉笔灰板擦、宿舍用手动升降机、小型机械手、小型脱水机等，但作品中必须包括平面运动部件或体现点牵连运动的部件等。 三、结语
总之，理论力学课程既具有理论性和逻辑性强的特点，也具有与工程实际问题和日常生活联系紧密的“技术科学”的特色，因而在讲课过程中需要加强对学生工程素质的培养。本文探讨了灵活多变的新型教学模式，包括增加课堂演示实验，增加计算软件在解决力学问题的应用以及增加设计报告大作业等一系列教学改革措施。此方法丰富了此课程的工程应用背景，增强了学生的主动性，提高了学生解决工程实际问题的能力。这样，工程力学课程的理论性、实践性和应用性在有限时间内实现了有机结合，就能取得良好的教学效果。
参考文献：
[1]Cheng P.，