浅谈理论力学探究式教学方法

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探究式教学是指学生通过自主阅读、思考、听讲等方式去独立探索，教师在课堂起到引导启发作用，学生自行发现并掌握所学知识的一种教学方法。杜威最早提出在教学中使用该方法，他认为科学教育最重要的是学习科学研究的过程或方法；教育家施瓦布认为教师应该用探究的方式展现科学知识，学生应该用探究的方式学习科学内容；20世纪五六十年代，施瓦布、杜威、布鲁纳和皮亚杰等提出的教学材料的共同点是让学生参与到其中去。目前国内理论力学课程教学存在两个极端：一是偏重于数学推导，忽视理论的物理意义阐述和工程实例的引入，教学内容枯燥无味，理论与实际脱钩；二是偏重强调课程为专业服务，过多泛泛地讲述案例，不深究理论基础。采用探究式课堂教学理念并结合微视频教学模式，开展探究式教学方法研究，将会提高学生对理论力学专业基础课的学习积极性和主动性，达到培养人才的教学目的。

一、理论力学教学现状

理论力学是研究物体机械运动规律及其应用的科学，也称为经典力学。理论力学通常分为两大部分：牛顿力学和分析力学。其中，牛顿力学是以牛顿运动定律为基础，从分析物体受力情况入手，探讨物体的机械运动规律；分析力学是以达朗伯原理为基础，分析物体的能量情况，由此探讨物体机械运动规律。大部分工科专业都会接触较多的机械运动问题，所以理论力学是工科院校的技术基础课。又因为理论力学研究的是最普遍最基本的规律，所以也是一系列后续课程的理论基础，很多课程如“材料力学”“结构力学”“弹性力学”“流体力学”“振动理论”“断裂力学”都以理论力学的内容为基础。可见，理论力学是大学工科专业学生的必修课，在课程建设中占有重要地位。目前大多数理论力学教学采取传统的教学模式。开学初，教师会根据教学大纲制定教学计划，然后按照教学计划中的教学进度给学生上课。上课的时间是固定的，这使得教师很难根据实际情况进行自主和拓展教学。而且在高校倡导缩减课时的大背景下，理论力学课时有限，对力学基础要求高的专业如土木工程、机械工程等设置为72学时，而对于力学基础要求不高的专业如消防和安全专业为64学时，这还包括4~6学时的实验。在这样的条件下，教师在课堂上会用大部分时间讲解基本概念、基本原理以及公式推导，很难有时间进行课堂测试和练习。教师为了完成课时进度，会忽略学生对课程学习和掌握的效果。

二、探究式教学方法理论背景和实施

探究性教学方法开展由问题开始，采用探索性学习方式，发挥了学生的自主性，具有合作交流的特征；探索性教学要遵循适度、引发兴趣以及可操作原则；探索性教学通过教师创设情境、提出问题，学生分析问题、提出猜想、验证猜想、分析总结等环节来实施。由此可见，探究性学习是一种积极的学习过程。翻转课堂是近年来教育界关注的热点，翻转课堂教学过程中，教师提前制作学习任务的微视频，让学生在课前学习微视频课程，课内师生通过交流方式完成解惑和知识内化的过程。这种模式激发了学生的自主学习能力，有效改善了灌输式教育的弊端。翻转课堂教学模式中，微视频设计和制作是一项重要环节。微视频要求短小精悍，长度在3~30分钟为宜，方便学生利用移动终端如手机、平板电脑在碎片式的时间进行学习。教学微视频的内容必须是完整的，集中解决一个知识点，层次结构清晰，循序渐进。微视频要生动形象，图文并茂便于理解和记忆，长短适中，抓住学习者的注意力。可以借鉴网络科普微视频制作的优点，如画面简洁而灵动、知识点集中，但又要兼顾教学视频的严谨和避免过多的娱乐性。

三、理论力学适合探究式教学方法的设计流程

理论力学不同于数学课，研究实际问题，关注物理意义；又不同于物理课，研究既定性又定量，会有大量数学推导。探究式教学内容的设计可以是与生活息息相关的结构构件问题，这容易激发学生的学习兴趣。理论力学这门课程内容多而抽象，为了在较短的学时内让学生完成教学大纲所规定的内容，并充分利用课下时间进行知识点和题目的强化，所以借鉴探究式学习方法的新理念，采用翻转课堂教学新模式，借助微视频新媒体手段，具体的教学设计流程如图1所示。理论力学探究式教学流程中，课前教师围绕课程重点和难点，选择一个完整的知识点，结合例题，按照前述微视频制作的注意事项准备能吸引学生注意力的教学微视频。微视频并下达课前任务书，同时将学生分成若干学习小组，小组成员完成微视频的学习并查阅相关资料，通过QQ、微信等聊天工具进行交流，共同完成任务书中的学习任务。在这一过程中，小组组长负责监督，教师根据学习任务完成情况给予考核评分。课堂上主要由教师和学生互动完成教学任务，首先教师会针对微视频中所涉及的知识点进行提问，了解学生掌握情况。再在课堂上播放微视频，并针对重点难点进行强调和提醒，然后与知识点相关的举一反三题目进行随堂测试，教师走下讲台做巡回指导。在这一过程中，教师发现问题并进一步强调和讲解。在这一轮中似乎并没有节约课堂时间，但实际上由于学生主动参与，对问题反复认识和消化，使得课堂讲授变得容易和顺畅，会节约课堂讲授时间。课后，学生要完成作业，并把问题反馈给教师，教师对学习效果做进一步评价，学生如果还存在疑问，可以进行单独答疑，如果发现整体学习效果不好，还要返回课堂重新帮助学生解惑。

四、理论力学探究式教学方法案例

现结合一个教学案例来说明理论力学探究式教学方法的实施。点的合成运动中速度合成定理这部分内容是教学难点。本案例中假设已经讲过了点的合成运动中相关概念和定理，讨论过简单的例题。为了表述一个完整的知识点，在微视频中首先把速度合成定理相关概念和定理交代清楚，如动点动系选取，绝对运动、相对运动、牵连运动、绝对速度、相对速度、牵连速度概念、速度合成定理。注意微视频制作过程中充分利用生活实例使概念和公理通俗易懂。微视频中的单元包括：①引入单旋翼式直升机例子如图2（P73），分析螺旋桨上M点运动：在地面上看M点作螺旋线运动，在飞机上看M点作圆周运动，机身相对地面直线平移。②要弄清“一点二系三运动”，“一点”即动点，此例中选M点；二系所指固结于地面上的静坐标系“Oxy”，固结于相对于地面运动物体上的动坐标系O’x’y’，如机舱。三运动包括绝对运动，即动点相对于静系的运动，如：P点相对于地面的运动；相对运动，即动点相对于动系的运动，如：P点相对于飞机机身的运动；牵连运动，即动系相对于静系的运动，如：飞机相对于地面的运动。③将实例上升为理论模型。微视频中通过动画显示理论模型并配以解说来说明模型中各个量的物理量含义。用解析法推导和说明三大速度，并推导点的速度合成定理。④然后通过一道例题来生动的说明动点动系如何选取以及速度合成定理的应用。例题可选如图3所示机构的经典题目分析，但是要注意深入浅出的讲解，让学生容易理解。采取探究式的教学模式，由于微视频的制作中所挑选的例题具有一定的代表性，能很好地反映知识点难度，并且微视频是一个完整的知识点，学生可以通过自学来完成学习任务，在这一过程中学生会充分发挥学习的积极性，提高对知识的掌握度，并大量的节省课堂时间，改善学习效果。

作者:李英杰 左建平 张 芳 刘德军 单位:中国矿业大学

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