浅谈《力学》课程教学中的能力培养途径与探索

邓发明

（四川民族学院，四川 康定 626001）

在当今这个时代，国家之间的竞争其实就是科技人才的竞争。高等院校在教育教学改革中，把为社会培养所需要的综合能力较强的各类复合型人才作为高等教育改革的目标。四川民族学院理工学院在力学课程教学改革中，把培养学生应用力学知识、分析和解决问题的综合能力作为教学改革的目标。近三年来，课程老师主要在学生学习课程兴趣的培养、理论课程教学中学生能力培养、实践课程教学中学生能力培养、参加物理知识比赛等教学环节方面进行了一定的探索，取得了较好的教学改革效果。

1 重视兴趣培养，阐明课程教学的重要性

兴趣是最好的老师。在力学课程教学中，只有先把学生学习力学课程的兴趣激发出来，解决学生的思想问题，才能在教学中充分调动学生学习的主动性，化被动学习为主动参与学习。在四川民族学院力学课程教学中，课程组教师非常重视学生学习力学课程的兴趣培养。

物理来源于生活。力学课程组老师在课程教学的前两周正课之余时间里，充分利用网络信息资源和现代教育技术设备，准备了大量的用来反映生活中常见典型物理现象的视频音像资料，根据青少年好奇、好问、好动的心理特点，在老师引导下，利用生活中的物理现象，学生自身的观察和亲身体会，激发学生的学习力学课程兴趣。

科学技术是第一生产力。民族的复兴，国家的发展，科学技术起着十分重要的作用。课程组教师列举了当今时代前沿的科学技术成果对社会的发展产生显著的作用，如播放有关国之重器的视频资料。既进行了爱国主义教育，更是不失时机地告之学生这些高科学技术产品主要是应用了物理学理论与技术，进一步让学生懂得学习物理学理论知识与技术的重要性。

2 理论课程教学中，注重学生构建知识和方法论教育

方法比知识更重要，新的知识在不断的产生，获取知识的方法比掌握知识更重要。在力学课程知识体系中，定理、定律个数较多，之间关系也相为较为复杂，由于牛顿运动三定律是经典力学理论的基石和核心内容，由牛顿定律导出的重要定理定律构建起了整个力学理论知识体系。在力学课程理论教学中，既要重视学生对牛顿定律的理解的教学，又要进行课程中所倡导的方法论教育，如伽利略发现惯性定律采用的实验与思想推理方法、三个守恒定律所隐涵的对称思想、解题中用到的微元法等思想方法，这将对学生分析问题、解决问题的逻辑思维能力提高也起着重要的作用。

2.1 通过重视理论体系的教学，提高主动构建理论知识的能力

2.1.1 注重牛顿三定律教学

在力学教材中[1]，牛顿第一定律内容表述为：任何物体都具有保持其静止或匀速直线运动状态的性质，除非有外力作用其上迫使它改变这种状态。教学中要引导学生理解该定律揭示了物质所具有的一种客观属性即惯性，理解定律存在的参考系即惯性参考系；让学生明白该定律回答了物体不受力时它所处的状态问题，它是整个经典力学理论体系的起点。

牛顿第二定律内容表述为：物体在合力作用下所获得的加速度与合力成正比，与自身的质量成反比。教学中要引导学生理解该定律揭示了力、质量、加速度三者的关系，理解力是物质运动状态发生改变的原因，回答了力不是物体维持运动状态的原因问题，并强调了牛顿第一定律本质上不是第二定律在合外力为零时的特例，合外力为零的运动状态是由牛顿第二定律来决定。

牛顿第三定律内容表述为：两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在一条直线上，大小相等，方向相反。教学中要引导学生理解力是物体（施力物体）与物体（受力物体）间的作用而产生，不存在单个的力，力是成对出现，二者具有同时、同性、同生、同时消失特性；让学生明白该定律是应用牛顿第二定律求解力学问题时进行受力分析的理论依据。

2.1.2 强调牛顿定律与其它定理、定律间内在联系，构建知识体系

动量和动能是描述质点机械运动状态常用到的物理状态量，在分析质点机械运动状态发生改变时要用到牛顿第二、三定律。在牛顿第二定律微分形式中，当作用在质点（质点系）上的力对时间或空间的效果导出了动量定理、动能定理和角动量定理的微分形式；在牛顿第二定律积分形式中，得到了动量定量、动能定理和角动量定理的积分形式，并分别在当外力为零、外力矩为零、只受保守力作用（或非保守力做功为零）下从其积分的形式中又导出了对应的动量守恒定律、角动量守恒定律、机械能守恒定律；对于刚体而言，力用力矩代替又可导出刚体定轴转动时的动能定理、角动量定理即相应守恒定律。在教学中，要引导学生从牛顿第二、三定律出发，准确把握定理定律间的内在联系，提高学生主动构建理论知识体系的能力。

2.2 注重方法论教育，培养解决问题的逻辑思维能力

2.2.1 伽利略思想实验推理方法

牛顿第一定律中物体不受外力作用保持匀速直线运动状态不变的属性是由实验总结的推论。由于自然界中不存在完全光滑的理想平面，因此，物体保持匀速直线运动状态不变的属性不可能由完全严格的实验所验证，而只能是一种极限性情况下的推论。教学中，要强调该定律的思想实验最早是意大利物理学家伽利略提出的，他所倡导的观察和实验方法、理想化方法和逻辑推理方法对自然科学理论建立和规律的发现起作重要的指导作用。对于这一点爱因斯坦给予了高度的评价：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”[2]。

2.2.2 守恒定律中的对称性思想

在教学中，我们必须让学生知道：守恒定律并不是牛顿运动定律的附属产物，牛顿运动定律不能决定动量守恒守律的是否存在，守恒定律是自然界客观存在的规律。其推导的方式很多，如动量守恒守律就可以用多种方式推导[3-4]。教师还要告之学生：是由于时空对称性才导致了三个守恒定律在自然界中客观存在，对称性的根源在于一些基本量是不可测量。例如，因参照系中坐标原点的绝对位置不可确定而决定的空间平移对称性导致了动量守恒定律的存在；因绝对时间不可测量而决定了时间平移对称性导致了能量守恒定律的存在；因空间绝对方向不可测量而决定了空间转动对称性导致了角动量守恒定律的存在。对称性思想在物理学发展中起作重要的指导作用[5]。

2.2.3 解题方法中的微元法思想

在力学教学中，对于诸如变速直线运动路程计算、变力的冲量、变力做功、转动惯量等物理量计算问题，我们都要采用微元法,其基本思想是高等数学中定积分。在求解相关力学问题时，教师要注重引导学生应用微元法思想进行分析[6]。首先，根据具体的物理问题并结合物体空间几何特性或运动轨迹等因素建立适当的坐标系，选择积分变量并确定其变化区间。如x的区间[a,b]；然后，选择适当的微元du（可能是线元dl、面元ds、体积元dv、质量元dm等），即在积分变量x的区间[a,b]上选择任一代表微小区间[x,x+dx]，根据物理量U的微元du所遵循的物理定律、定理，并结合几何关系求出微元du的表达式du=f(x)dx（其中f(x)必须是可以确定的已知函数）；最后，将微元du在积分变量区间[a,b]上“无限积累”，即以f(x)dx为被积表达式，对[a,b]作定积分求出U值。

3 实践课程教学中，注重培养学生的综合能力

3.1 加强力学基础性与综合性实验教学，培养学生的基本实验能力

力学实验教学中，学生基本实验能力主要体现撰写规范的实验报告能力、基础力学实验操作能力等方面。

实验报告是支撑科学研究结果表达的重要载体，撰写一份规范、科学的物理实验报告是物理学专业学生一项基本的实验能力。四川民族学院力学课程实践教学中，课程教师首先进行了误差理论的系统介绍，并在在基础力学实验教学中对学生进行了撰写规范基础性力学实验报告能力的严格训练。

在力学基础实验教学中，由于在实验教材或实验讲义中试先设计好了实验方案，要求学生了解常用仪器设备的规格型号，理解工作原理，掌握基础设备的操作方法、学会组装与调试实验仪器、正确读取并记录实验数据、按照误差理论要求处理实验数据并撰写力学实验报告。在力学综合实验教学中，除了让学生理解实验原理、掌握实验设计的步骤之外，更要让学生思考实验中是如何应用力学知识来实现实验目的的、现有的实验设计方案有何可取之处或还可优化的地方等，经过课程教师这样的引导，学生不仅提高了实验综合性操作能力，同时运用知识积极思考，了解了现有实验设计方案所遵循的一般方法，对其后的自主设计实验奠定一定的基础。

在力学课程实践教学中，课程教师花费了较多的精力和时间用，在每一个实践环节上对学生进行严格把关，发现问题及时纠正。让学生养成了良好的实验作风，培养了学生良好的基本实验能力。

3.2 探究性、创新性设计实验，培养学生的科学探究能力、创新逻辑思维能力

教师引导学生根据自选的实验项目分析实验目的，结合实验室现有的力学实验设备，学生进行小组自主讨论、反复修订，最后制定出可行的实验设计方案，其中包括实验原理、实验仪器、实验步骤、数据记录表格等。

四川民族学院力学课程实践教学中，为了实现学生的科学探究、创新思维能力的培养，我们采取了先是从简单的力学设计实验开始，然后逐渐过渡到具有一定难度的探究性、创新性力学实验设计。

在教学中，将不规则固体物体体积测量、摩擦系数测量、弹性系数测量等作为简单的力学设计实验，其目的是培养学生应用力学知识、分析处理力学问题的基本能力。把诸如验证牛顿第二定律、验证动量守恒定律、验证机械能守恒定律等传统验证性实验改为科学探究性实验，主要目的是通过探究性实验，让学生自己去模仿科学家们探求真知的思维方法，从而培养学生的科学探究能力和严密的逻辑思维能力。

通过学生自主设计理想光滑平面的实验教学，培养学生的创新思维能力。引导学生着重分析了气垫导轨的工作原理，搞清楚了气垫导轨是因为采用了主观可控的气流冲击力完全抵消滑块客观的重力的作用，从而让运动滑动与导轨面脱离而不产生滑动摩擦力；引导学生把这种等效物理思想方法运到设计光滑平面理想模型上，制定出了可行的实验方案：采用让某物块A（如铁方块）在木质的平面B上运动,只要是能做匀速直线运动就表明这时的平面B相对于物块A就是光滑平面；调节平面B相对于水平面倾斜的角度θ，当物块A重力的下滑力与正压力产生的摩擦力F完全抵消时，物块A在斜面B上的合力为零，物块A就在斜面B上做匀速下滑运动，此时斜面B对物块A就是光滑平面了。为了让学生们实现这一的设计方案，我们开放了力学实验室，学生们利用课余时间，自选设备材料，调试斜面倾角，观察实验效果，通过测量物块A在斜面上不同位置处的速度，判断是否是匀速直线运动，通过多次调节倾角，最终达到光滑平面力学效果。在整个实验设计过程中，学生们积极参与，主动分析、思考，不怕失败，学生们收获了很多辛勤劳动之后的成功喜悦。

4 参加物理知识比赛，培养学生应用知识的能力

课程组教师鼓励学生积极参加有关物理学知识、实践能力各种比赛，四川民族学院物理学专业的学生在参加四川省物理学会主办的2018年第四届、2019所第五届大学生普通物理知识大赛初赛和决赛中，参赛作品分别是“蜡烛动力的研究”和“探究彩虹圈下落过程”，初赛中多人次获一、二、三等奖，在其后的决赛中各有一组同学取得三等奖的优异成绩。