过程装备与控制工程专业“理论力学”教学改革

刘学武?代玉强?邹久朋?银建中

摘要：“理论力学”是高等院校工科专业的一门专业基础课，不同专业培养目标、教学内容及学时都有较大区别，有必要对过程装备与控制工程专业“理论力学”课程进行有效的教学改革。结合已有的教学经验及教学成果，提出了改革教学内容、更新教学手段、优化教学模式、引入数学工程软件及开展实践性教学活动等内容，以适应“卓越工程师”培养计划的要求。

关键词：过程装备与控制工程专业；理论力学；卓越工程师

作者简介：刘学武（1974-），男，黑龙江牡丹江人，大连理工大学化工机械学院，副教授；代玉强（1978-），男，山东潍坊人，大连理工大学化工机械学院，副教授。（辽宁 大连 116024）

基金项目：本文系大连理工大学教学改革基金项目（项目编号：MS201223）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0133-02

“理论力学”是高等院校工科必修的重要技术基础课，是“材料力学”、“结构力学”、“机械设计原理及过程机械”等主干课程的基础内容。[1]对于大连理工大学（以下简称“我校”）的过程装备与控制工程专业，讲授的“理论力学”有别于其他专业，称之为“理论力学C”，在授课内容、授课侧重点、授课方式及学时方面，与其他专业有明显区别。通过近几届的教学改革，无论是教学方式还是教学内容，都进行了相应的调整，有了较大变化，使教学质量有了较大提高。

但同时也应看到，随着高等教育理念的改变，特别是最近几年教育部提出了“卓越工程师”培养计划，为适应其培养计划与目标，“理论力学”教学方式也需要得到进一步的改进。特别是要根据“理论力学”课程逻辑性、应用性强的特点，结合本专业对化工设备、成套装备的要求，对教学内容和教学方法进行相应的改革，最大限度地提高教学效果，达到“卓越工程师”人才培养的要求，这就需要授课讲师在教学方法方面仍需探索与研究。

一、“理论力学”教改重要性

“理论力学”的发展已经有多年，内容体系比较成熟，传统的静力学、运动学及动力学是经典的三部分授课内容，其理论性、逻辑性和系统性都很好。同時，各个高校不同专业的授课内容也极为接近，基础知识、理论框架及结构体系都相似。这样的教学布置优点在于有利于教师之间的交流与合作，缺点在于无法体现出专业特色。特别是教材中的例题、习题都是抽象化后的力学模型，缺少过程装备与控制工程专业相关的工程例子，这样的教学内容教师讲得费劲、学生听得迷糊，难以调动学生听课的积极性，不利于培养学生的综合能力。

近年来，各高校对众多课程进行了调整，增加了大量的限选课、选修课，但总学时并没有变化，因此很多主干课程的学时相应就被压缩。过程装备与控制工程专业的“理论力学”课时减少，且学生课后用于该课程的学习时间也大为减少，同时，“理论力学”课程内容也有不足，比如在授课内容的安排上，比较重视经典规律与内容，忽视近现代取得的成果；重视计算过程、轻视力学模型的建立，极少考虑与实际工程的差别。在教学方法上，由于“理论力学”内容多、学时少，普遍采用教师讲授的方式，很少有学生直接参与。这些不足，就使学生知识积累和解决问题能力相互脱节，达不到培养“卓越工程师”的目的。因此，为了适应社会发展的需要，培养出具有工程素养的“卓越工程师”型人才，有必要对“理论力学”教学内容、教学方法进行改革与完善。

二、“理论力学”教学改革内容与措施

过程装备与控制工程专业“理论力学”教学改革的内容，主要思路是强化基础知识、重点阐述基本概念与定理、改变传统教学方式、增加实践环节，大量增加有本专业工程背景的例子，所讲授的例题、习题尽量与本专业的工程实际相结合。同时要按照“卓越工程师”培养计划和培养要求，以及授课教师在以往教学中发现的问题，结合个人教学经验和他人的教学改革成果，[2-6]对过程装备与控制工程专业理论力学教学改革提出如下几点内容与措施。

1.更新传统教学手段

传统教学模式主要是板书形式，内容过于单一，无法形象表示出“理论力学”研究对象的特点，这对于学生的理解是不利的。因此，在现代的教学活动中引用多媒体技术进行课堂教学已是大势所趋，但如何充分发挥其合理作用仍然值得深思。

多媒体教学，不仅仅是指把教学内容做成幻灯片，还应该包括运动机构的实例演示、动画演示，甚至于一些实验过程都可以在课堂上播放。这对于本专业的“理论力学”教学只有48学时的情况是非常有利的，可节省大量的在黑板上推导一些繁杂公式和求解过程的时间，可使整个课堂的教学重点内容突出，易于调动学生学习积极性。同时，运用多媒体技术可以演示例题、习题所涉及的机械运动，也可以播放一些工程实例，这些都有助于工程概念淡薄的学生理解课堂内容，在提高学生学习兴趣的同时也有利于教师的授课。但要注意，多媒体教学毕竟也只是一种教学手段，要注意其使用的方式、程度，过量的教学信息、频繁的换屏、花哨的布局，反而会降低学生对教学内容的关注。因此，利用传统的黑板推导一些重要公式和求解过程，仍然是现代教学中不可替代的教学方式，要充分结合板书与多媒体技术，最大程度地调动学生学习积极性，从而提高教学效果。

2.优化教学模式

传统的课堂教学模式都是以教为中心的，授课教师在有限的课堂教学时间内为完成教学任务会不自觉地采取满堂灌、填鸭式的教学方式，尤其是目前多媒体技术普遍应用的情况下，授课教师在增加信息量的同时，也会不自觉地加快授课速度，这将使很多学生只是表面上对一些概念和定理听懂了、了解了，但实际上并没有真正吸收并为自己所用，因此做起习题来还是感觉无处下手、感觉很难、甚至一头雾水，这从测试中就能看出来。

因此，教师在授课过程中要注意调整教与学的关系，充分尊重教学特点，遵循学生是教学活动的主体，体现出以学生为本的教学理念。教师在教学过程中，既是知识的传授者，又是学生学习的引导者，要着重培养学生分析“理论力学”中所包含的科学问题和解决这些问题所需要的能力，从而不断激发出学生学习“理论力学”的主动性和积极性，为后续课程的学习奠定坚实的基础。

（1）启发式教学。现代教育要与现代大学生的特点相适应，改变以往填鸭式的教学方法，倡导启发式的教学方式、教学理念，激发学生求知欲，提高学生分析问题和解决问题的能力。教师在授课过程中，要引导学生深入了解事物内部的本质规律，反映在“理论力学”的教学中就是如何具体应用静力学、运动学与动力学的基本定律来解决构件或者机构的受力特点、运动形式及所受外力。在这个过程中，如何一步步引导学生，由简入繁、由表及里的考虑问题，使之掌握思考事物内部本质、探求自然规律并能合理利用的能力，就需要在授课过程中不断努力并实践。这样，逐步形成在教师指导下的、以学生为中心的学习过程，也就是说，要体现出以学生为本的教学理念，强调“学生是教学活动主体”的原则。

（2）讨论式教学。在课堂教学中引入讨论式的教学形式也是一种尝试，这是学生合作学习和教师指导相结合的一种新的教学方式。主要过程是：教师提前给学生布置要讨论的授课内容，学生之间、学生和授课教师之间围绕与其相关的问题相互讨论及交流信息，学生和教师共同参与到教学活动中，学生要表述对相关内容的理解，同时也可以充当教师的角色来引导讨论的进行，这对学生也是极大的挑战，要求他们必须对授课内容有一定的理解。由于本专业上课的人数过多（每学期都在110～120人），往往很难集中在一起进行讨论。针对这种情况可采取不同时间段分成小班的形式进行讨论，每个小班的人数控制在20人左右，这样可使每个学生都有表述问题的机会，当然，这就要求授课教师付出更多的时间与精力。该种教学形式，可发挥学生的积极作用，引导学生主动参与学习过程，在获得知识、解决问题的过程中更能培养其合作精神、创新能力及概括总结能力。

（3）布置小论文。“理论力学”有很多贯穿前后课程的知识点，对于这些知识点，可以提前布置给学生做小论文，题目应该有多个，使学生以团队的形式来进行，鼓励学生上网查找资料，小论文成绩可作为期末考试的一部分。对这些布置的内容，在检查的时候，应该以学生为主，让学生来讲解团队作小论文时的整体思路，求解过程中遇到的问题、解决的方式，以及通过小论文学到的知识点。而教师的角色主要起到提示、引领及总结的作用，培养学生一题多解的发散思维方式、掌握知识的关键要点及综合运用所学知识的能力。当然，小论文的选则还可以适当增加难度，如：与当今重要工程问题相关的例题和习题，用运动合成与分解来分析火箭与卫星分离过程、机械手臂各关节间运动轨迹、运动速度等；增加应用专题内容，如简单刚体型机械手臂的动力学建模与运动方程的推导，简单太空机械手臂运动路径建模与动力学方程的推导。

（4）建立学习网站。在学校的大力支持下，建立了本专业的“理论力学”授课网站，通过该网络平台可实现师生间的资源共享。在课程网站上，具有课程介绍、授课内容、重点例题讲解、课件内容、典型习题分析、答疑解惑、心得与讨论及虚拟实验室等几项内容，对这些内容还要及时更新，并尽量做到在线解答问题，能对学生学习、作业过程中遇到的各种问题进行及时解答。这对于在课堂上没有及时听讲，或者思路跟不上的学生，具有极大的意义，相当于开设了第二课堂。

3.构建合理的考核体系

过程装备与控制工程专业的“理论力学”考试，改变了以往的单纯靠期末考试取得最终成绩的方式，采用新的多种考核形式，如最终成绩按平时考核与期末考试成绩之和，二者的权重分别占30%和70%。平时成绩可包括基本的三部分，如果有实验还需要加上實验的成绩：作业成绩，知识点很多，且每次课都布置相关作业，一学期的作业量非常大，要求学生独立完成；组织3～5次的测验，对静力学、运动学及动力学每部分都要有测验，可放在该部分内容结束的时候，考查学生掌握概念、定律的熟悉程度，分析问题、解决问题的能力。通过这种测验，极大督促了学生学习的自觉性，能提前对学过的内容进行复习，不至于把问题都留在期末；课堂讨论表现，这与“讨论式教学”相关，根据学生的表现给出相应的成绩。上述这些考核方式，可有效督促学生平时就要认真对待理论力学课程，而不是把所有问题都推到期末来解决。

4.引入数学工程软件

由于“理论力学”对数学技巧的要求比较高，有时甚至会使学生颠倒理论和习题、基本原理和技巧的关系，忽视对基本理论的学习。因此，在教学活动中适当引入相关的数学工程软件，可一定程度上减轻学生的负担，甚至于提高学生学习该门课程的兴趣。

例如在动力学分析中，运动微分方程是重点内容，但却没有讲授运动微分方程组的求解问题，大部分问题是在特殊情况下，利用质点系普遍定理进行求解的。因此，在课堂授课过程中可适当引用Maple数学软件求解微分方程数值解，达到直观分析运动的目的。这种将抽象的微分方程转化为图像显示的授课内容，使学生有一种兴趣感、参与感，直接促进了学生对运动微分方程的理解。Maple 软件在符号（解析）运算方面目前是最优秀的，计算过程中几乎不需要声明变量类型，解决一般的数学问题不需要复杂的编程，且具有自动绘图的功能，在“理论力学”的教学中使用Maple将会得到意想不到的效果。

如何生动描述力学问题的物理图像，这也是进行教学改革应该思考的问题，比如，利用Maple软件可对傅科摆问题进行演示，在各种初始条件下对傅科摆的运动微分方程直接进行求数值解，同时直观地展示出傅科摆在水平面上的相对运动轨迹。在课堂的授课中初步表明，应用该方式对一些特殊问题进行求解，可引起学生学习的极大兴趣。因此，在课堂教学中，根据学时的多少，尽量安排一些利用Maple软件进行分析的题目，作为平时考核成绩的一部分，对一些学有余力的学生，可适当增加难度，作为选学内容。

5.开展实践性教学活动

过程装备与控制工程专业开设的“理论力学”，和大部分课程相似，存在教学中重理论而轻实践的问题，教学大纲中只讲授理论而无实践性环节。但由于“理论力学”本身包含大量的概念、公理、定律以及相关的力学模型，理论性相比于其他课程来讲是比较强的。对于刚进入大二的学生，难以很好理解抽象的内容，仅仅依靠课堂讲授教学效果较差。

因此，在“理论力学”教学中，各专业可根据总学时的安排，开设几个常规的“理论力学”实验，增加学生对运动机构的认识。在开设实验的过程中，可以考虑如下几种方式：由任课教师与实验工程师准备，根据教学内容提前准备3～5个学生实验，可以是3大部分的单独实验，也可以是综合性的实验；学生动手设计实验，教师提供实验所需要的器材、场地，再由学生完成实验，可考虑开设1～2个这样的实验；现场教学的形式，利用2～4学时，带领学生参观校内工厂或者相关企业，使學生能观察到传动机构及相关的约束形式。也可以利用flash等软件，做一些动画，模拟实际机构的运动过程，在课堂授课过程中，有意安排播放。过程装备与控制工程专业，已着手进行实验方面的教学研究，考虑通过网络开展一些虚拟实验，如虚拟摩擦系数测定、虚拟静力学分析、虚拟运动学和虚拟动力学实验。

三、结语

过程装备与控制工程专业的“理论力学”课程从教学内容、教学形式、课程体系建立等多方面出发，持续进行了多年的教学改革，取得了较好的教学效果。学生是教学的对象，是课程教学的根本，只有学生发自内心地喜爱“理论力学”，积极主动地学习，课程教学才能顺利地进行下去。总之，教学改革应该秉承“培养大学生综合素质、提高分析问题与解决问题能力”的教学理念，不断进行改革、创新教学方法，以真正适应“卓越工程师”人才培养要求，为最终培养创新型与研究型复合人才奠定基础。

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，2009.

[2]吴立军，王瑞金.面向应用型人才培养的理论力学改革与实践[J].浙江科技学院学报，2008，20（2）：133-135，154.

[3]邢利英，王新征.工科理论力学教学改革与实践[J].南阳师范学院学报，2010，9（3）：107-109.

[4]康颖安，卿上乐，夏平.基于“卓越工程师”培养的理论力学教学改革的思考[J].湖南工程学院学报，2011，21（1）：102-104.

[5]杨光，张晓明，王化峰.理论力学教学改革的实践探究[J].集美大学学报，2011，12（2）：96-98.

[6]郭易圆，彭惠莲，王琪.理论力学探究型教学模式的探索与实践[J].力学与实践，2011，33（3）：70-72，69.

（责任编辑：宋秀丽）