模型教学在高校工科力学教学中的应用研究

曹小平

【摘要】国家教育改革如火如荼，高校教学改革自然也不例外。力学在高校所有工科中占据较大比重，学生不仅需要掌握必要的基础知识，更要掌握必要的实际应用能力。传统高校教学中，学生被迫接受教师传授的知识，久而久之容易产生厌学情绪，不利于高校教学质量的全面提高。为提高高校工科力学教学效率，必须引入先进的教学方法。在高校工科力学教学过程中，采用模型教学方式，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的发散性思维，为大学生未来的发展奠定坚实的基础。本文主要针对高校力学教学中的模型教学方法以及相关的应用内容进行了阐述和分析。

【关键词】力学 高校 模型教学 方法应用

【中图分类号】G642.4；O3-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）05-0041-03

1.概述

力学课程均具有很强的理论性，但是这些理论终归要应用在实践中去。因此，在教学环节中往往会出现“难教好”与“难学好”的一些矛盾。比如，部分涉及较为复杂的力学问题的教学往往事倍功半，学生学习的经常湮没于大量的符号及公式推演之中。复杂的力学计算和数学推演过程，常常让学生难以理解，对于在前期专业基础课学习中投入不够的学生而言，困难则更大。另外，在讲授比较新颖的结构形式的原理时，往往需要实践性环节的辅助来加深学生的认知。为此， 在三大力学课程教学中引入模型教学法，可有效解决这些矛盾。

所谓模型，是将设计实体按照一定比例经过合理缩小形成的。模型教学是根据认识科学理论及其研究成果，运用系统科学的方法，以模型为主要的教学手段，围绕模型的演示、认识直到设计的一种教学活动。因此模型能够比较直观地表达结构（机构）的组成特点、轮廓形状、空间序列等等。这种直观的体验式的教和学的方式，符合初学者对复杂结构（机构）的认知特点，有利于初学者对相关理论知识的理解和把握。通过真实展示甚至亲自动手制作，逐步培养起三维空间感，并且能帮助广大学生完善在二维空间中所难以发现的不足，实现教学相长。

1.1 力学模型的界定

力学所研究的物体的运动都存在于各种繁杂的运动形态之中，在繁杂的自然运动中包含有很多矛盾，它的运动规律大都非常繁杂，但它必然有主要矛盾或主要的特性。力学研究大都只保留主要矛盾或特性，不考虑次要矛盾或特性来研究实际问题，提炼出实际生活情景所代表事物本质特性的理想过程或物质，这种理想过程或物质就称为理想化力学模型。

我们不能仅仅把力学模型理解成一种理想化的实体，比如大炮模型、星体模型和人船模型等。理想力学模型也有可能是概念和过程，它们都是从实际生活情景中来又和实际情景有区别，模型主要体现了实际情景中实体、过程、状态、现象的最重要的特点。

1.2 模型的基本特征

1.2.1 抽象性与形象性的统一

理想力学模型的建立过程具有抽象性，理想力学模型建立的目的在于它的形象性，过程是为目的的，从这一点上看，抽象性是为了形象性的，进而模型的抽象性和形象性是统一的。人们借助力学模型的抽象性很好地理解客观对象本质，并对客观对象的本质作出解释。因此，应从两方面来看模型的抽象性和形象性，它是辩证统一的。例如，点光源模型的建立过程中，就是忽略了次要、无关的因素，只抓住发光点这一主要因素，在点光源的建立过程中，忽略点光源的体积和形状，仅仅考虑发光的特点，这一过程就是抽象和形象思维方法的结合运用，体现了抽象性与形象性的辩证统一。

1.2.2 科学性与假定性的统一

力学模型的科学性。一方面体现在力学模型的建立过程必须科学合理。力学模型反映出来的是力学对象的本质特征，其构建过程需要研究者投入大量的抽象思维工作，然后进行科学分析，最后要对研究结果进行高度的概括总结，因此力学模型具有高度的科学性。另一方面，力学模型的科学性体现在它能在一定范围内对力学现象做出科学合理的解释，尽管这种解释可能会被后来的研究者推翻，但是就某一阶段来讲，它是科学的、正确的。

假定性。为了使得所建立的力学模型直观、形象、易懂，在建立力学模型的过程中，我们往往只抓住主要矛盾，忽略次要因素的影响，以达到降低模型建立难度的目的。但是那些被我们忽略不管的次要因素，不过是假定的次要因素，只是在某种情境下才成立的次要因素，随着研究的深入，次要因素有可能会成为主要因素。在不同的情境下，我们需要假定的次要因素也是不同的。因此，我们认为力学模型具有假定性。值得强调的是，力学模型的科学性和假定性是辩证统一的，假定的力学模型必须是科学合理的，科学的力学模型也具有假定性，二者并不相矛盾。

1.2.3 简洁性与美学性的统一

理想力学模型能把复杂的力学现象简化，能非常清楚直观地揭示力学现象的本质，它具有简洁性与形式美。例如，理想化模型中的理想气体、不考虑摩擦的斜面模型、不考虑空气阻力的自由落体运动、不考虑振子大小的弹簧振子等等，都具有简洁美与形式美。由于力学模型是建立在对现实事物的抽象思维基础之上的，所有它有丰富的内涵，而人的美学观点是以抽象的思维为基础的，因而力学模型的建立过程也融入了内在美的元素。

2.模型教学在高校工科力学教学中的现状

许多高校在力学教学中曾经使用过部分力学模型，在教学中起到了不错的效果。但是随着实验室的搬迁以及人员的更替，以前的模型已经损毁严重或者丢失。众所周知，力学是具有很强理论性的课程，其中的理论和公式复杂而枯燥，使学生不太容易掌握，教学过程如果不和实际相联系，教师很难对所有结构（机构）讲授得十分清楚。因此，学生也不能快速而清楚地掌握相关的理论知识，久而久之，造成学生失去对力学课程的学习兴趣，极大地挫伤学生对力学课程的学习兴趣。

针对高校目前力学教学中的现状，主要是三大力学（理论力学、材料力学和结构力学）（下同）的课堂教学中，由于种种原因，缺乏理论和实践的有效结合，教师的讲授一般仅限于理论知识，对所讲授的结构（机构）也仅限于对照课本中的图形教学讲解或者在PPT中的简单演示，虽然使学生能在一定程度上对结构（机构）进行理解，但难以产生面对面的、很感性的直观认识。所以学生在学习的过程中处于对理论的抽象理解而缺乏对机构（机构）的清晰地感知和认识，由于对理论和复杂结构（机构）的朦胧的感知和认识，逐渐地会造成学生对力学课程学习兴趣的淡化，严重地影响了学生对力学课程的系统学习。

现今高校力学教学中，“重知识，轻能力”的现象依然千分严重。长期对学生建模能力培养的不重视，是学生构建力学能力低下的主要原因。教师在教学实践中，很大程度上是进行课本知识的灌输，如传授力学定律、力学知识，训练学生运用这些知识、定律解题的能力，缺乏培养学生构建力学模型的能力的意识。送种教育模式下的学生应试能力固然比较强，但是创新能力、探究能力低下，也缺乏必要的科学人文素养。为了改变这种状况，需要加深教师对力学模型的理解，充分认识力学模型的重要作用。虽然大部分力学老师都知道“力学模型”这个术语，但是对力学模型的理解仍然停留在实物层面，认为只有质点、单摆、点电荷这样的研究对象才是力学模型。力学教师应该增加自己的专业知识，建立正确的模型观。当今力学教师必须认识到，力学模型是力学规律和力学知识建立的根基，利用力学模型也可以解释力学现象和实验定律，甚至是对力学前沿问题做出预测。而且，力学模型能够提高学生学习力学的兴趣，培养学生学习的能力，解答力学习题的能力。

3.模型进行在高校工科力学教学中的应用

与传统的教学方法相比较，在课堂上引入模型教学的方法可以起到更加直观的教学效果，增强学生学习的兴趣。

模型教学法在一些专业，如医学、机械工程的教学中经常用到，其方法是在课堂讲授中利用让学生看得见、摸得着的实体模型，通过对实体模型的讲解分析，来增强学生对于学习对象的认知。有研究者还利用统计学工具，分析了模型教学法的教学效果，并证实了其有效性。在工科力学课程教学环节中引入模型教学法，其优点在于可以通过模型的展示、甚至用比较的方法和学生亲手制作完成模型的过程来达到一般教学手段难以显现的效果。具体体现在以下方面：

其一，通过模型展示和对模型的分析讲解，可以在很大程度上活跃课堂气氛，教师讲授各种实际结构形式特征及其优缺点时，方法和方式可以变得更为灵活。

其二，与传统授课中被动接受的模式相比较，可以让学生主动亲手参与制作各种外观漂亮、内容丰富的结构模型，能够增强其掌握知识的信心，大大提高他们的学习热情。

其三，通过适当的命题，加上学生自己的创意，可以使学生在自行探索中提高结构设计创新能力，更好地理解复杂结构中的力学设计概念。

3.1模型引入及展示

教师提出本节课的学习目标，展示生活中的过程情景，学生讨论其力学过程。教师演示隐含相同过程模型的类比实验，这个实验是学生以前接触过的运动，以便激发学生的认知冲突和学习兴趣，让学生知识前后联系。建构过程模型教学的引入，一般由直观而典型的运动过程直接切入课题。

实验演示或动画模拟物体的运动过程，让学生口头描述（尤其是请学生结合动态过程的演示配解说词）或者让学生亲身体验运动过程。教师讲解运动过程，按照先感性后理性、先定性后定量的规律的讲解。有很多物体参与的过程模型，如点的合成运动等等，使学生获得正确的感性认识是教学的难点，而建构过程模型的产生式规则又是教学的重点，在教学过程中要感性认识和理性认识并重。对于单个物体参与的过程模型，如物体的匀变速直线运动等等，由于物体可视为质点，教与学则简单得很多。

3.2 引导学生制作模型

力学研究对象较多，同类研究对象中也包含诸多定理和规律，因而学生如何在种类繁多的模型中考虑正确的模型，就显得尤为重要。在教学中，教师可以讲解力学模型建立的常用方法。首先，分析与综合法是最常用的。由于力学学研究对象都是实际的、复杂的，建模之前需要充分考虑到各种因素、各个环节对于问题的影响，也就是分析，然后把各种要素进行有机结合，帮助学生能够从整体上对事物本质进行把握，分析是综合的前提，综合是分析的结果。其次是比较法。 对力学对象各方面的特征作对比，得出这些特征的异同点，把握主次，然后抽象和概括，再将研究对象的个别的、非本质因素排除，对本质因素进行抽离和考查，最终建立出轮廓清晰、易于研究的新模型。

力学模型中各种模型都有其构建的需要、意义和价值，充分依靠学生，通过建构力学模型引导学生对力学问题进行比较深入的思考，这才算得上是比较理想的力学模型的应用。必须遵循大学生身心发展的规律，从学生的兴趣入手，先解决他们对力学建模的意识问题，使其对力学知识产生浓厚的兴趣，尽快进入力学模型建立的角色是相当重要的；其次，在和学生一起构建力学模型时，要善于去寻求一定的力学内容方面的资源，达到促进学生对力学建模的全面或整体认识的目的；再次，通过力学建模驱使学生体会力学与生活密切的联系，达到真正意义上的理解。模型制作能激发学生学习的兴趣和热情，使学生对力学知识的理解变得更加容易且真正提高了学生的动手实践能力，实现教学相长。

在力学教学中只有强化学生的模型意识，才能帮助学生领会力学问题的研究方法，为建立和运用模型解决实际力学问题打下基础。首先，教师帮助学生弄清楚模型的内涵，在学习一个新模型时，教师要清楚地知道它所针对的现象，研究的问题，突出的主要因素以及忽略的次要因素，以期将这些全部发掘出来，为学生建模打下基础。

3.3 在幽默问题情境下进行力学课程教学

力学知识若过于枯燥，学生常常出现不自觉开小差的现象。这时，很多教师会采取强制性手段抑制高校生的这种行为，久而久之高校生会逐渐对学习形成排斥心理。因此，教师应该通过有效的教学方法吸引学生的注意力，培养学生对力学的学习兴趣。大学生具有强烈的好奇心，对新鲜事物都很感兴趣。沉闷单调的课堂教学会让学生产生倦意，而在模型教学中加入一些书本中没有的有趣的内容，会让学生觉得很有新鲜感。比如，老师可以利用幽默有趣的问题，降低学生在课堂上的疲劳度，构建欢快愉悦的教学环境。这样，不仅有利于教师与学生的沟通交流，还能尊重学生的主体地位，加强学生在课堂上的存在感。

4.模型教学的重要意义

4.1 模型教学为课程改革的发展提供了借鉴意义

教育改革面向的对象不仅仅是力学这一学科，在其他专业或是学科中也同样在进行改革，教育改革的全面发展是推动教学质量的有效手段。只有进行不断的改革创新，才能够迎来新的发展。教育工作者只有不断地致力于教学方式的探索，进行有效的改革才能够达到最终的教学目的。改革首先要考虑的就是学生的发展需求，要根据学生的实际情况，在课程设置上进行改革和创新，结合大量的教学实践和经验，在教学的理念和方式上不断地进行创新。模型教学的应用对课程改革的发展有了全新的启示，提高学生课堂参与程度的教学方式对于整体的教学效果有着重要的影响，所以说在今后的课程改革中将改革的重点内容放在提高学生积极性的方面，模型教学对力学教学的新课程改革有着借鉴意义。一方面，模型教学的应用，可以取得良好的教学效果，能够促进教育改革的发展，提高人们的重视程度；另一方面，模型教学的方式还可以引入到其他学科的教学中去，促进教育改革的全面发展。

4.2 模型教学能够有效地提升力学教学的教学质量

教学效果的好坏在一定程度上是取决于教学方法的，教育工作者之所以在不断地进行教学方式的探索和研究，就是为了能够以全新的形式来吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，进而有效地提升教学的质量。力学作为高校工科的重要课程之一，采用具有创新性的模型教学形式，能够在一定程度上吸引学生的注意力。在传统教学中，课堂教学的主体一般都是教师，学生处于一种被动的听讲状态，学生的课堂参与积极程度不高，整个课堂教学的气氛显得沉闷枯燥。学生只是在进行机械地学习，教师也只是通过讲课的方式来灌输知识，这样的教学方式很难让学生参与到教学的各个环节当中去，学生逐渐会对力学学习失去兴趣，甚至产生厌倦的心理，这严重地阻碍了学生创造性思维的发展以及力学学习能力的提升。采用模型教学的方式，教师可以保留课堂讲解的形式，只是要留出一定的时间来进行模型的展示，通过构建力学模型的方式，教师能够为学生进行更加直观的展示，通过力学模型的构建，学生能够体会到力学学习的乐趣，能够有效地提升学生的参与程度，提高学习的积极性，再加上教师的适当鼓励，学生能够积极地发表自己的意见和想法。

4.3 模型教学贯彻落实了新课程改革的需要

新课程改革的推进，对高校力学教学有了更严格的要求，在教学的内容以及形式上要进行全面的改革。教育工作者也在不断地进行创新和改革，争取让学生成为教学的主体，提高学生的课堂参与程度，在课堂教学中，提升学生的学习积极性，让学生能够在力学学习中获得乐趣。模型教学的形式能够使抽象的力学知识更加形象化，在教学的过程中以全新的形式带给学生不一样的学习体验，让学生能够充分地发挥自身的主观能动性，在力学教学中有效地培养学生思维能力的发展。这样的教学效果正是教育改革的要求，模型教学的方式能够达到这样的教学效果，所以说，模型教学有效地贯彻和落实了新课程改革的需要。

5.结论

综上所述，力学对于学生来说，通常是比较难以掌握的。学生对纯理论性知识的学习不仅理解起来捉襟见肘，而且对力学习兴趣低迷。如果在教学中有目的地引入模型教学，那么对培养学生的力学习兴趣以及科学思维能力，自主创新能力，必然大有裨益。模型教学这一创新式的教学方式对高校力学教学有着重要的意义，将这一教学方式运用到教学过程中，能够有效地提升学生的课堂参与程度，提高学习的积极性，提升学习的效率，同时有效地促进教育改革的发展。

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