力学教学的创新型改革研究与实践

摘  要：力学是工科大类专业的基础学科，是工科学生提升专业素质的重要学科，了解和掌握力学是工科专业学习生涯的重中之重。因此对于本科阶段的力学教学，尤其以理论力学为主，以及与之相关的如材料力学等，教师都需要进行认真仔细地准备打磨。但力学学科较为枯燥，如何进行改革创新，增强其趣味性？提出一种全新的力学教学方式，并从教学实践中得出结论，这种改革增强力学学科对学生的吸引力，提高该学科的广度以及深度。既可以让学生了解该学科、掌握该学科，生成浓厚的兴趣，推动其专业素养的进步，也可以促进学生个人的学习能力，对学生的综合素养有着巨大的提升。

关键词：力学;教学改革;创新教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）10-0045-04

Abstract： Mechanics is the basic subject of engineering major and an important subject for engineering students to improve their professional quality. Understanding and mastering Mechanics is the top priority of engineering professional career. Therefore， for undergraduate mechanics teaching， especially theoretical mechanics， and related basic courses such as materials mechanics， teachers need to prepare carefully. But the course of Mechanicsis boring， how to reform and innovate， enhance its interest？ This paper puts forward a new teaching method of Mechanics， and draws a conclusion from the teaching practice. This reform enhances the attraction of mechanics to students， and improves the breadth and depth of the subject. It can not only enable students to understand and master the subject， generate strong interest， promote the progress of their professional quality， but also promote students' personal learning ability， which has a huge improvement on students' comprehensive quality.

Keywords： Mechanics; teaching reform; innovative teaching

為了学习贯彻以习近平新时代中国特色社会主义思想，贯彻落实党的十九大精神，落实立德树人根本任务，并坚决执行教育部所印发的《关于一流本科课程建设的实施意见》中要求全面开展一流本科课程建设，消灭“水课”等规定，要坚持创新教学，坚持以人为本和谐共进的思想，以学生为主，并适当提升学习挑战度、拓展课程深度、提高学生综合素养。而作为工科中的基础学科，力学尤其是本科阶段涉及到的理论力学和材料力学，在工科学生尤其是机械类、土木类等重要的传统学科的学习生涯起着至关重要的作用，是学生入门相关专业必不可缺的一门课程，其中所学习的不仅限于理论知识，还有对相关学术问题的解决方法、解决思路的介绍以及启蒙，可以提高学生以后从事相关专业的专业素养、研究素养，培养他们发现并解决问题的能力，以及学会理性认知、定性分析、定量计算的学术素养。由此可见，对力学学科教学质量的把关以及提升至关重要。

一、对理论力学的认知

（一）理论力学学科特色

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。其知识内容架构如图1所示。

由图1可知，理论力学分为静力学、运动学和动力学三大部分，它们既相互独立但又在思路上具有统一性，即运用了大量的数学工具，如微积分、二元向量等;同时，该学科与实际工程十分接近，所以在公理、定理的推论中以工程中实际发生的现象作为引导，以数学方法以及定理作为工具，从而推导出该现象的原因并以数学的方式即定量的方式给出定义或者推论，从而揭示该现象的力学本质。可以总结为：力学现象加以数学推论得到理论。而对学科的掌握与否，表现在学生是否能掌握且会运用所得推论，并最终给予考核。所以，掌握理论力学的重点在于以下四点。

（1）对力学现象有着深刻的观察。以便于在观察后可快速地进入定性、定量分析阶段，并且形成更加深刻的印象，对以后类似的力学现象可以快速地进行相同的处理方法，即属于归纳总结法。同时，在具有深刻观察后有助于还原该力学现象，从而可以到达对该力学理论的实际运用，为今后解决实际问题打下基础，更加加深学生对力学的理解。

（2）运用所学理论进行力学现象的恢复以及再创造。恢复在于可以加深对力学现象的理解，在恢复的过程中其实就是对所学理论的运用，可以同时加强对力学现象的理解以及对定理的运用。而再创造过程则是对定理的运用以及提高创新能力的体现。以上可以理解为从生活中得出普遍规律，并将所学得的知识反哺于生活。

（3）学会运用数学工具的思想。数学作为基础学科在力学研究以及其他学科中都有着不可或缺的作用，而在力學学习中学会运用数学工具是在专业学习以及以后的学习研究中重要的一步，在力学学习中意识到数学工具的重要性，有助于培养学生个人的学习能力以及理性思考能力，培养其辩证唯物主义的世界观。

（4）建立模型的思想。力学问题的认知根本在于力学问题转变为数学模型，最终将问题数据化，使得学生能够更加深入理解问题根本所在。在解决实际工程问题的时候，常常进行条件性计算，而条件性计算常常是建立在合适的模型下进行的，而建立模型的过程十分重要，对问题是否正确有着直接的影响。所以拥有并且能够正确建立模型的思想很重要。

（二）传统理论力学教学方式的弊端

传统的理论力学模式，以教师为主，以课本作为知识媒介，采用多媒体等方式对学生展开介绍。其中对力学现象更多是以视频、图片等展示，少数方便展示的以实物展示。而学生始终对力学现象仅存有视觉方面的感官，而并非通过自我操作发现力学现象中的细节，从而对其加深印象。

传统教学的考核方式主要是以试卷考试为主，学生平时的表现与学习的情况以出勤率以及课堂、课外作业为主。其中存在的问题是无法单独对每位学生做出真正客观的评价，并且，试卷对力学现象的还原有限，难以让学生真正理解问题。并且随着每年的考核方式相同，使得考试内容中的力学现象出现相似甚至雷同等情况，使得考试变成了一套程式化、规律化的考核方式，不能真正让学生灵活地使用方法去解决力学问题。

传统教育更多强调的是归纳总结规律，而非灵活运用数学工具去解决力学问题。两者的本质区别在于前者强调的是对规律以及规律背后的公式进行记忆，这样会导致部分学生只进行死记硬背而不去理解该现象背后的真正理论知识，即陷入教条主义，不会灵活变化。而学会运用数学工具则是强调方法论，可以在解决问题时进行多种思路的综合。

二、力学创新教学

（一）创新教学的模式构建

1. 课堂模式

课堂教学模式重点以介绍力学现象为主，加以数学公式的推导。其中重点在于对数学公式的推导，以数学语言（数学工具）去理解数学现象，即如何将力学问题转变为数学模型的过程。例如理论力学中运动学中刚体运动部分有对科里奥利加速度（以下称科氏加速度）的讲解，会存在该加速比较抽象，学生难以理解而选择去强行记忆的情况。这样会使其理解不彻底，无法在相似的情况下使用该知识点。而这种加速度存在于生活中，如河流的流水现象等，所以在介绍该力学现象中，应该从力学现象的发生深入，从力学现象本身的数学属性（如位移方程、速度方程、加速度方程）推导出该现象的数学解释，即科氏加速度的数学定义。在推导过程中要注意其过程每一步的科学性以及可理解性，这样有助于学生的理解。最后要达到的目的是学生能够在不同的力学现象中发现并指出该知识点，即能够进行建模和再建模的过程。借用数学公式将知识点进行推导的过程，可以有助于学生明白该公式的来源以及使用方法。由于环境的复杂性，数学公式不会是一成不变的，根据辩证唯物主义中运动的观点，只有掌握知识的本质才能真正地理解并运用，而并非死记硬背。另外，对于数学公式的变形以及对不同力学现象的应用可以增强学生的创新能力。

2. 实践模式

实践模式总结流程图如图2所示。

其中具体环节介绍如下。

（1）提出问题：即教师提出一种力学现象，要求学生用已有的材料通过设计、计算做出可以合理达到要求的结构。（2）定性、定量分析：通过查找、测量获得数据，通过分析判断所设计的结构要求是否合理，通过对已知数据的分析以及运用课堂所学的数学工具、方法的处理，定性定量地设计出合理结构。（3）现象重现、模型构造：运用所给材料对自己所设计的力学现象重现亲自动手制作。要求学生亲自还原，自己动手，强调自创，全程参与。制作的时候采用小组团队合作的方式，学生在小组内进行交流，增强学生在研究学习中的团队合作能力。（4）结果分析：在现象复现后要及时对力学现象是否满足要求，是否符合力学要求进行判断。如果符合要求则需要对力学现象进行整体的分析与总结。这个环节十分重要，是能否在今后再对力学现象进行加深理解的重要环节。如果力学现象没有成功复现，则需要再分析并进行结构上的改进。

（二）课题实例

1. 实例一 课题名称《橡皮泥跑得慢》

课题要求：将一张模型板剪裁后设计并制作一个立体结构的作品，将一块橡皮泥也设计并捏制成某种形状。然后将橡皮泥从立体模型结构上由静止开始释放，测量它在结构上的运动耗时，要求橡皮泥的运动速度肉眼可观察到。

提供材料及工具：一张60 mm*60 mm的模型板、一块直径10 mm高20 mm的橡皮泥、剪刀、直尺、美工刀、双面胶。

课内学生4人自由组团，进行定量比赛，橡皮泥在立体结构上运动耗时最长的团队获胜。学生们设计了风格迥异的立体结构和橡皮泥外形作品，冠军团队的作品实现了橡皮泥小球在模型结构上运动最长耗时33 s，如图3所示。

本课题运用的知识主要为理论力学。橡皮泥材料的外形可以随意改变，且质地均匀，可以方便地得出质心，方便进行数学计算。模型材料方便进行剪裁，在设计中要考虑受力分析和运动学计算。其重点之处在于运用了力学问题中的两种模型，即静力学问题中刚体质心的求解问题以及动力学中刚体运动的模型，如在运动分析中需要对刚体进行坐标系的建立等模型过程。这两种模型均在课堂上分别提出，而在实际过程中需要将二者相结合，即体现一种综合能力以及模型再创造的过程，同时也有助于学生将建模意识应用于实际力学现象中。

2. 实例二 课题名称《遥控车过纸桥》

课题要求：仅采用6张A4复印纸，不得使用任何粘结剂，设计并制作一个纸桥。然后由学生自己操作遥控小车，使其顺利通过纸桥。

提供材料及工具：6张A4复印纸、剪刀、直尺、美工刀。

課内学生4人自由组团，进行定性比赛，遥控小车顺利通过且纸桥不发生变形和倒塌的团队获胜。学生们设计了风格迥异的纸桥结构。冠军团队的作品如图4所示。

本课题运用的知识主要为材料力学。纸桥的设计要考虑强度、刚度和稳定性计算。与课堂中理论不同之处在于，在实际建模制作的过程中，即在实际工程中，需要对多种因素进行探讨研究以及讨论。本课题有助于提升学生建立模型意识，合理的运用数学公式进行条件性分析，并且加深学生心里力学现象在实际工程中的重要性。

3. 课堂效果

随机抓拍的课堂场景照如图5所示。课堂上学生们热情高涨，氛围活跃，团队合作意识浓厚，设计能力、自主学习能力、动手能力、表达沟通能力得到明显提升，教学效果显著。学生评价：“大学最有趣的课，华理最难抢的课。”教师在课堂上发掘了一批有创意、有潜力的好苗子，成为后续“双创”实践的储备人才。

（三）教学策略

（1）多层次学习机制。学习过程中，在教师和学长的指导及引领下，学生不仅可以学到专业知识，也可以培养团队合作、稳定心态、发散思维等能力。并且在这个过程中，不仅仅只应用了理论力学和材料力学等力学知识，还应用了数学及物理等方面的知识，将学生平时所学应用于一个作品中，达到多层次学习目的。

（2）激发兴趣机制。在课堂教学中，教师与学生进行互动。在教师的指导下，学生通过团队合作的形式，队与队进行课内比赛，按照比赛成绩及教师对学生们的课堂表现及作品创新性进行打分，真正做到了“在玩中学，在学中玩”。令学生们可以发散自己的思维，不再是简单地解决问题，而是去思考，应该怎么完善，怎么使自己的设计更合理，脱离了标准答案的限定，有了更广袤的思维空间，从而让大家因兴趣而热爱，达到教学目的。

（3）反馈机制。学生在制作过程中出现的实践问题，及时向教师反馈，共同探索问题出现的原因并商讨解决措施。对于在实践过程中理论方面的困惑，及时与教师交流，做到有疑必问。实践结束后，完成课程报告并反思回顾实践过程中的不足，吸取经验教训，不断完善自己，提高自己的科学文化素养。

三、结束语

力学创新型课程的开设，探索了全新的教学形式、教学内容以及考核办法，课堂实现了“以学生为中心”，教师转变为指导者和组织者，课程深受学生欢迎，激发了学生的学习兴趣，促进了学生将力学理论灵活应用到实践中，教学质量提升效果显著。

随着新的产业革命以及多种新经济、新模式的来临，产业升级以及落后产业淘汰势在必行，要求具有较高的适应能力以及自我学习能力。为了培养出适合时代潮流发展、走向世界的人才，教育创新势在必行。而对于理论力学和材料力学这类基础学科，需要更加系统详细地进行教学，其目的在于能够使得学生在未来的学习研究中能更加得心应手，成为社会需要的创新型人才。

参考文献：

[1]习近平谈治国理政[M].北京：外文出版社，2018.

[2]范钦珊，殷雅俊，唐静静，等.改革教学，创新教学——“材料力学”课程教学改革实践与体会[J].力学与实践，2018（5）：543-549.

[3]吴亚丽.创新创业模式下专业基础课程教学改革初探[J].教育理论与实践，2017（36）：52-53.

[4]赵沛，王宏涛，杨卫.新语境下力学本科课程体系的重塑与实践[J].力学与实践，2020，42（6）：766-770.

[5]马新玲.面向“新工科”的“一核两翼、双轮驱动”实践教学模式构建——以华东理工大学过程装备与控制工程专业为例[J].力学与实践，2021，43（2）：273-277.

[6]吴梦陵，王辛，孔凡新，等.我国应用型高校学生的创新创业水平研究[J].高教学刊，2017（5）：18-19.

基金项目：2021年度上海高校市级重点课程项目“《理论力学创新实践课》”（沪教委高[2021]34号）

作者简介：马新玲（1975-），女，汉族，上海人，博士，副教授，研究方向为力学与机械。