王琪　郭易圓等

摘 要：針對力學類課程的特點以及研究型大學人才培養(yǎng)的要求，我們在力學課程中進行了教學改革，實施了探究型教學模式，在教學中注重教學與科研的結(jié)合、理論與實際的結(jié)合、定性分析與定量分析的結(jié)合、相關(guān)課程的結(jié)合以及課內(nèi)外的結(jié)合，以提高學生多方面的能力。經(jīng)過多年的教學實踐，已取得了初步成效。

關(guān)鍵詞：力學；探究型；教學模式

在教學中，由于培養(yǎng)目標的不同，產(chǎn)生了多種教學模式[1]。教學理念的更新、教學方法和教學手段的完善有助于教學質(zhì)量的提高，這是多年來廣大教師在教學改革與實踐的過程感悟到的。很多院校在教學改革中都取得了成功的經(jīng)驗和成果[2-4]，我們也做了一些工作，即在原有教學模式的基礎(chǔ)上，在力學課程中實施了探究型教學模式。本文介紹我們實施探究型教學模式的做法和體會。

一、探究型教學模式的構(gòu)想

任何一個教學模式的產(chǎn)生，都是在原有教學模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)培養(yǎng)目標的需求逐步發(fā)展完善而形成的。我們根據(jù)北京航空航天大學人才培養(yǎng)目標的要求，借鑒學校當時實行的教學模式，提出了探究型教學模式。當時國內(nèi)高校普遍采用的教學模式可分為以下三種：（1）傳統(tǒng)模式：根據(jù)教材的內(nèi)容體系實施教學。其特點是系統(tǒng)性強，避免了走“彎路”。（2）案例模式：根據(jù)案例涉及的內(nèi)容實施教學。其特點是綜合性強，系統(tǒng)性弱。（3）討論模式：根據(jù)某一專題以討論班的形式實施教學。其特點是探究性強，在“彎路”中尋優(yōu)，但比較“費時”。

就教學內(nèi)容而言，無論哪種教學模式，均包含了基本概念（定義）、基本理論與方法（定律、原理、定理、推論、方法）以及相關(guān)理論與方法的應用（揭示現(xiàn)象，解決問題）等教學的基本要素。

探究型教學模式是在繼承上述教學模式的基礎(chǔ)上，模擬人類對自然的認識過程而建立的，在傳授知識的同時，培養(yǎng)學生多方面的能力。該教學模式包含下面三個環(huán)節(jié)：（1）問題的引出。根據(jù)教學內(nèi)容，通過演示和分析力學“現(xiàn)象”引出與教學內(nèi)容相關(guān)的問題，通過分析該問題引出“新”概念。（2）理論的形成。通過啟發(fā)和討論探究解決問題的方法與途徑，包括：探究因果關(guān)系，建立模型，得出“新”的理論與方法。（3）理論的應用。應用“新”的理論與方法解決問題，包括講解已模型化的例題和分析解決未模型化的現(xiàn)實中的力學問題。在解決問題和理論應用的過程中再發(fā)現(xiàn)“新”現(xiàn)象，提出“新”問題，探究“新”方法。

上述三個環(huán)節(jié)的循環(huán)往復且螺旋式上升，就構(gòu)成了探究型的教學過程。力學課程中的很多知識是幾個世紀前人類就已獲得的，探究型教學模式就是從探索的角度，虛擬再現(xiàn)問題的提出、理論的形成與發(fā)展過程，引導學生提出（發(fā)現(xiàn)）問題和分析問題；讓學生在認識實踐的過程中“探究”解決問題的方法與途徑，使學生在學習的過程中有問題可思考，有方法可推敲。讓學生在探索的過程中學習，在學習的過程中實踐，在實踐的基礎(chǔ)上創(chuàng)新。

二、探究型教學模式的實施

我們在本科生的“理論力學”課程，研究生的“現(xiàn)代力學基礎(chǔ)”、“非線性振動”、“多體系統(tǒng)動力學”和“非線性動力學實驗”等課程中實施了探究型教學模式，根據(jù)課程的性質(zhì)、定位和培養(yǎng)目標，在教學過程中實現(xiàn)了五個結(jié)合，以培養(yǎng)學生多方面的能力。

1. 科研與教學結(jié)合

探究型教學模式的實施需要科研與教學的結(jié)合?？茖W研究的過程就是認知自然規(guī)律的過程和解決實際問題的過程，探究型教學模式的實施就是將這兩個過程在教學中再現(xiàn)。教師在教學中，可將科研思想和方法以及自己在科研中的感悟融于教學，有助于培養(yǎng)學生的科研思維能力；可將科研問題簡化后用于教學，有助于進一步豐富教學內(nèi)容；可將科研成果（研發(fā)的設(shè)備或?qū)＠a(chǎn)品）服務于教學，使學生更直接地感受到科研對社會的發(fā)展與進步起到的促進作用。

如我們將具有新型鎖止裝置的汽車安全帶（由教師的專利技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品）用于教學。在課堂上，演示安全帶的鎖止現(xiàn)象；講解原有安全帶實現(xiàn)鎖止的方法及存在的不足，探討改進鎖止裝置的新方法，介紹新鎖止裝置的特色及該產(chǎn)品的投產(chǎn)為社會帶來的益處等。這樣的教學使得學生既較為具體地了解到科學技術(shù)創(chuàng)新的過程，又進一步理解了創(chuàng)新與繼承的關(guān)系。

2. 理論與實際結(jié)合

在課堂教學中，為了更好地將講授的理論與實際緊密結(jié)合，經(jīng)過多年的教學積累，我們建立了由圖片、視頻文件和演示實驗構(gòu)成的教學素材庫，素材來源于自然界中的力學現(xiàn)象、科技發(fā)展史中的力學問題、現(xiàn)實生活中的力學現(xiàn)象與問題、工程中的力學問題、現(xiàn)代科技中的力學問題等。這些素材用于問題的引出與理論的應用，可更好地將理論與實踐有機結(jié)合。

在靜力學中，明代圓角柜的圖片素材作為力對軸之矩概念的引出，懸空寺的視頻素材引出固定端約束的應用，四旋翼飛行器在空中懸停的視頻素材作為力系簡化與平衡的應用等。

在運動學中，行星相對日心參考系和相對地心參考系運動軌跡的計算機仿真動畫素材、車床加工零件的視頻等素材作為點的復合運動相關(guān)概念的引出，側(cè)方停車和車輛的內(nèi)輪差問題等視頻素材作為剛體平面運動基本理論的應用。

在動力學中，傅科擺、Lagrange點的圖片和視頻素材以及柔性圓盤轉(zhuǎn)動的演示實驗作為非慣性系下質(zhì)點動力學問題的引出，角速度傳感器原理演示實驗作為質(zhì)點動力學基本方程的應用實例。鐘擺運動的視頻和航海時鐘的視頻素材作為質(zhì)點系對固定點和動點動量矩定理的問題的引出與理論的應用；電動陀螺的定向性和規(guī)則進動演示實驗作為剛體定點運動動力學問題的引出，CD機在太空失重環(huán)境下的動力學行為和航天器加旋與消旋的視頻素材作為陀螺穩(wěn)定性理論的應用。

教學實踐表明，加強理論與實際的緊密結(jié)合，有助于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；有助于加深對基本理論的理解和掌握；有助于培養(yǎng)將實際問題抽象化和模型化的能力。在教學過程中，我們還注重歷史素材與現(xiàn)代素材的結(jié)合，這樣做不僅可使學生了解到前人的聰明才智，還可讓學生體會到現(xiàn)在的創(chuàng)新是在繼承前人工作的基礎(chǔ)上取得的，使學生感悟到今天在大學期間踏實勤奮地學習，可為今后的創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。

3. 定性分析與定量分析結(jié)合

在實際工程中，有些力學系統(tǒng)需要通過計算機數(shù)值仿真揭示其動力學特性，需要定性分析與定量分析的結(jié)合來判斷仿真結(jié)果的正確性。定性與定量分析的基本方法是充分利用研究對象的結(jié)構(gòu)特性和運動特性，選定某些特殊的工況，綜合應用所學知識與方法判斷其運動是否滿足相關(guān)的力學規(guī)律和定理。

在本科生教學層面，我們通過實例介紹，讓學生了解或初步掌握定性與定量分析的基本思路與方法。如在講解由于地球自轉(zhuǎn)引起的落體偏東問題時，首先用定性分析的方法得到落體偏東的結(jié)論，然后通過計算機仿真，不僅再次驗證了落體偏東現(xiàn)象，還進一步揭示了在北半球質(zhì)點下落的同時還有偏南的現(xiàn)象，最后通過啟發(fā)和討論，再用定性分析的方法說明偏南現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

在研究生教學層面，則要求學生掌握定性和定量分析的思想方法。如在多體系統(tǒng)動力學課程和非線性振動課程中，無論是課上講的還是課后做的，均要用數(shù)值仿真揭示力學系統(tǒng)的動力學特性，并要求學生從定性和定量的角度判斷仿真結(jié)果的正確性。

定性與定量分析的過程既是發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的過程，也是綜合應用所學知識解決問題的過程。將計算機數(shù)值仿真融入教學，不僅能夠提高學生定性分析與定量分析的能力，還能提高學生應用計算技術(shù)解決力學問題的能力。

4. 相關(guān)課程的結(jié)合

在大學，課程是一門一門學的，但在解決實際問題時，則需要綜合應用多學科或多門課程的知識與方法。我們在某些教學內(nèi)容和實驗建設(shè)方面進一步加強了知識的綜合應用，以提高學生解決問題的能力，

在教學素材的選取上，我們適當增加其綜合性，將一門課程的多個知識點或幾門課程的知識綜合應用到解決一個問題或研發(fā)一個實驗上。如艦載飛機的起飛與降落動力學分析是動力學普遍定理和剛體一般運動知識的綜合應用；在參數(shù)振動演示實驗和角速度傳感器原理演示實驗中，是將理論力學和材料力學相關(guān)知識的綜合應用；在機翼顫振演示實驗中，是將機械振動、材料力學、空氣動力學相關(guān)知識的綜合應用；在設(shè)計開發(fā)靜/動摩擦系數(shù)自動測量裝置中，是將理論力學、測試技術(shù)和自動控制理論的綜合應用；在剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動力學數(shù)值仿真實驗中，是將分析力學、固體力學和計算數(shù)學相關(guān)知識的綜合應用。

在實驗建設(shè)方面充分利用課程間的結(jié)合，豐富和完善教學內(nèi)容。如理論力學、非線性振動和多體系統(tǒng)動力學等課程沒有獨立開設(shè)實驗課，但為了更好地實施探究型教學，需要更多的演示實驗補充到課堂教學中，然而這些實驗涉及的知識往往是多門課程相關(guān)知識的綜合應用。我們把這些演示實驗的開發(fā)與制作作為非線性動力學實驗課程中學生自主實驗的組成部分之一，如小型振動臺的設(shè)計與制作、二自由度線性系統(tǒng)振型的演示實驗、混沌運動的演示實驗和剛?cè)狁詈戏枪饣瑴p振演示實驗等都是在教師的指導下學生自主開發(fā)研制的。這樣做既滿足了演示實驗的需求，又豐富了實驗課程的教學內(nèi)容，同時還提高了學生綜合應用所學知識解決實際問題的動手能力。

5. 課內(nèi)與課外結(jié)合

為更好地實施因材施教，把課堂中的某些擴展內(nèi)容或小的實驗開發(fā)作為課外教學的實踐環(huán)節(jié)，學生可以選擇自己感興趣的問題進行研究，完成相關(guān)的課外學習和實踐活動。如力學課程中相關(guān)動力學問題的數(shù)值仿真、健身器中的力學問題、自行車中的力學問題、車輪陀螺效應演示實驗裝置、靜動摩擦系數(shù)測量裝置，以及摩擦激勵簡諧振動實驗裝置等的設(shè)計與制作，均作為學生課外學習與實踐的一個組成部分。課內(nèi)外教學的結(jié)合，不僅豐富了學生的課余生活，同時學生的研究成果，例如研發(fā)的仿真程序和制作的演示實驗，還進一步豐富了課內(nèi)的教學內(nèi)容。

三、教學成效

在繼承前輩教師工作的基礎(chǔ)上，從1997年開始我們就逐步開展了探究型教學模式的研究與實踐，學生感到教學內(nèi)容有趣、要學的知識有用、學到的知識會用。在課程建設(shè)和隊伍建設(shè)等方面取得了階段性成果。相關(guān)的教改成果分別獲得2001年和2005年國家級教學成果二等獎；2004年北航的“理論力學”課程被評為國家級精品課程；2007年北航力學實驗中心被評為北京市實驗教學示范中心；2008年北航基礎(chǔ)力學教學團隊獲得國家級優(yōu)秀教學團隊；2011年理論力學教材被教育部評為精品教材；2012年在動力學與控制專業(yè)為研究生開設(shè)了非線性動力學實驗，填補了該專業(yè)實驗教學的空白。該實驗課程研發(fā)的實驗成果又服務于其他力學課程的教學，初步實現(xiàn)了教學改革，課程建設(shè)和人才培養(yǎng)融為一體的良性循環(huán)。

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[責任編輯：李文玲]