力学教改和力学精品课程建设的探索与实践

1、力学教改和力学精品课程建设的探索与实践* 卢新平 （闽江学院物理学与电子信息工程系 福建 福州 350108 ）摘 要：在开展力学教改和力学精品课程建设的探索与实践的基础上，阐述力学教学内容、教学内容组织方式与教学方法等方面改革的思路、措施以及所取得的初步效果。当前，国内各个高等院校都在大力开展三级（校级，省级，国家级）精品课程建设，以面向21世纪教学内容和课程体系改革为重点，努力探索与构建符合中国国情并体现现代教学思想的课程体系和教学内容。我们闽江学院是新开办的本科院校，即将面临省和教育部对我们的专业质量合格性评估。没有精品课程，专业评估就必然缺乏力度。根据21世纪人才培养模式的需要，我们开

2、展了力学教学改革的尝试。我们在广泛吸取近年来出版的国内外一些较为优秀的力学教材的成功经验后，结合我校专业特点与学生实际，编写和使用了自己的力学讲义，在教学实践中取得了比较好的效果。因此，笔者主讲的力学被确认为我校精品课程之一。下面简单介绍我们的实践与探索。1. 力学教改与力学精品课程建设的基本思路本科教育与专科教育的主要区别之一就在于，本科层次要培养具有一定创新意识和创新能力的新型人才。作为物理类专业力学教学新目标之一，应当把培养学生研究能力和创新思维能力提到十分突出的位置。著名物理学家李政道博士在访问中国科技大学时对学生说：“最重要的是创造能力，是要能带头，而不是人家带了头你跟在后面走。”爱

3、因斯坦说：“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。” 物理学是一门带头学科，它的研究方法和研究思想具有很大的普遍性，它的最大特点就是永不褪色的开拓和创新。创新能力，无论对一个人的发展还是对一个国家、民族的兴旺发达乃至全人类的进步，都产生及其重要的深远的影响。创新教育在素质教育中的作用举足轻重，它深刻地影响着下一代的创造力的培养以及智力的开发。所谓创新教育，就是旨在培养面向新世纪具

4、有创新意识、创新精神、创新能力的新一代高素质人才的教育。力学作为一门大学物理基础课程，不仅要帮助同学积累知识，而且特别要提倡智能的培养。所谓智能，是指人们运用知识的才能。培养智能，主要是培养思维能力、研究能力、自学能力、表达能力等等。如果只专注于知识的积累，而不* 本文被录用参加了2005年10月的全国高等学校首届“大学物理课程报告论坛”的书面报告，被收入大学物理课程报告论坛2005年文集（高等教育出版社出版）。注意发展智能，那么，即使在头脑中有了一大堆公式、定理、概念，也不会灵活应用，不会独立地去积累更多的新知识，更不会有所创新。大学教学是否成功的标志之一，是看绝大多数同学是否经常在积极地思

5、考，看他们在智能培养方面是否有明显的进步。 “有其师，必有其徒”，教师示范的力量是伟大的。要培养高素质创新型的学生，教师本身必先是高素质创新型的，教材必先是高素质创新型的。教师的创新应该是在教学与备课基础上的创新，这样教学才能深入浅出，融会贯通。精品课程的关键之处在于“精品”二字。何谓精品？就是“一流教学队伍，一流教学内容，一流教学方法，一流教材，一流教学管理”，也就是说，精品课程必须是示范性课程，是学校课程建设的龙头。作为精品课程建设，力学的教学改革必须围绕着两个内容：一是首先要考虑通过力学这门课程培养学生什么素质，而不只是考虑教给学生什么知识；二是如何处理好传统内容和现代内容的关系。作为精

6、品课程的建设者，就必须深刻领会课程建设的内涵，不断更新观念。2. 力学教学内容取舍的探索与实践 力学精品课程建设应从内容入手。素质培养问题必然影响着教学内容的取舍，离开内容而谈素质的培养只能是空谈。物理学的目的是解释“为什么”。问题在于什么叫做解释了“为什么”？一代人有一代人的标准。力学基础的内容是三百多年来物理学的成果，是“过去”的东西；然而过去的东西并非死的东西。人总是从现在回头看过去，现在不同了，对过去的看法也会不同。可以不断地从新的高度回头看基础的东西而得到新的启示。同样基础性的内容，应当而且可以采取不同的语言来表述，应当而且可以采取不同的观点加以组织。一代一代的教科书不相同，正是表示

7、一代一代对基础采取了不同的表述。本书试图采取一些“与时俱进”的观点和方法来组织和表述经典力学。例如，采取易于同相对论和量子力学相对比的方式来表述。我们在力学教材结构体系方面作了某些改革，例如，把狭义相对论作为力学的一部分，并且融为一体，一开篇就讲力学与物理学中最基本的时空与物质的概念，展示现代时空观和物质观，使力学在比较高的起点上开始；我们又把力学作为整个物理学的一部分，分为宏观实物的运动、三大守恒定律与时空对称性、机械振动与波动力学三篇；狭义相对论、刚体力学和流体力学都不自成一章，而分解到有关章节和三个守恒量的框架之中； 。使用广义坐标是力学研究中的最重要方法之一。在普通力学中，我们提前引入

8、了广义坐标，并且使用了量子力学中的Dirac矢量符号，提出了一种沿广义坐标基投影的形式新颖的“动量定理”和“矩阵形式的经典力学方程”，试图填补矢量力学与标量分析力学之间的空白点。当前科学计算中，几乎无处不用矩阵运算，使这种矩阵形式方程的优势得到了充分体现。MATLAB （“矩阵实验室”的缩写）是一种优秀的计算机计算软件，它是以矩阵运算为基础的交互式程序语言。在MATLAB中，每一个变量代表一个矩阵；所有的运算都对矩阵有效，包括加减乘除和函数运算，而且只要键入算式，立即就得到结果，颇为方便。矩阵形式的动力学方程最适宜于引用MATLAB计算软件求解。20世纪60年代取得突破并蓬勃发展起来的非线性科

9、学，对于当前和未来的科学发展起着重要的作用。力学是引导学生步入非线性世界的最佳途径。为此，我们介绍了非线性力学与混沌。非线性科学的许多内容都是计算物理的重要成果，大量的非线性微分方程都是用计算机数值求解的。最好让学生直接学习用计算机的数值计算功能和可视化功能来揭示和探索非线性现象。因此，我们也初步介绍了力学的计算机方法。3. 力学教学方法的探索与实践我们不断转变教学观念，不断更新教学方法，时刻注重能力培养，经常激发学生的探索意识。我们改变课程过分注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程。教师作为学生活动的引导者、合作者

10、和参与者，可以采用多种教学方法。我们特别喜欢采用“发现法”教学，这是一种典型的启发性教学方法。“发现”的本质是进行“再发现”，把前人的发现创造过程从教育的角度加以改造、精简，引导学生沿着简化的思维路线去“寻找”解决方法。我们不特别注重于理论内容和形式上的系统性，例如，很早就用到某些概念，虽然它的严格定义在后面才给出。按照“培养智能”的编写意图，我们采用“既讲清楚，又不讲清楚”、“言犹未尽”的讲授方法，多留一些“伏笔”，在同学们心中多留下一些思考的问题，待到以后再作进一步解释或研究，或者留给他们在今后的工作中自己寻求答案。我们重视结合理论教学，加强学生素质教育，开展不同层次，不同要求的研究，让学

11、生及早获得研究能力的培养和创新思维的训练。在教学中，结合有关章节，经常提供“科学理论探索”、“应用技术方案”、“科学幻想曲”的课题与素材，作为提供给同学学习的“快餐”，以培养同学自学能力、理论研究能力和理论应用能力。在有关章节中，我们还提供英文习题，以培养学生专业阅读能力。物理的正确概念只有通过大量计算才能真正学到手，教学中，我们给出较多的例题和习题，要求学生动手算，多算算，算了再多想一想；经常开展“解题方法研究”，以启迪思维，介绍物理学方法，希望能起到举一反三的作用。 良好的创造环境和丰富的创造活动是创新教育的两个不可缺少的条件。为了创设环境，开展创造活动，我们组织学生当编委编辑物理时空、旗

12、山力学等刊物，激励学生撰写学习心得与科学论文，在他们自己的这些刊物上发表。每一年还定期举办一次“科技节”，组织论文比赛、科技小制作比赛，等等。这些活动，都列入期末考试参考成绩。4. 教材建设的探索与实践优秀教材是精品课程建设的核心。精品课程的主讲教师可以选用国家级优秀教材，也可以自编教材，使之更加适合教学需求，满足教师个性化需求。根据我校师范类物理专业教学改革的要求，并且考虑我校汽车系等理工科专业教学的需要，我们编写和使用了自己的力学讲义，在教学实践中取得了比较好的效果。我们编写的力学基础讲义的目录参见附录。5. 结束语 力学教改与力学精品课程建设任重道远。我们的工作仅仅是开始。只要我们不断努

13、力，坚持不懈，就一定能够实现力学精品课程的高质量、高水平、高档次，就一定能够为更好地培养学生素质发挥应有的作用。 【附录】 闽江学院力学基础讲义目录第一篇 时空与宏观实物的运动第一章 物质 时间与空间 5§11. 时空参考系与坐标系5 参考系及其作用； 坐标系及其作用； 时空观§12. 物质与质量8物质与质量； 质量的相对性； 质能关系 新力学的标志； 惯性质量与引力质量【科学幻想曲】 太阳还能“燃烧”多久？ 10§13. 时空及其相对性12经典的时空观; 狭义相对论时空观; 物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。【科学幻想曲】 星外旅行 18【科学家简介】

14、 爱因斯坦20第二章 宏观实物运动的描述 22§21 宏观粒子运动的描述 Dirac矢量符号22 质点（粒子）和刚体； 质点的位矢和运动函数； 质点的位移矢量；质点的速度（瞬时速度）；质点的加速度（瞬时加速度）； 用广义坐标表示的运动【科学理论探索】微观粒子在微观范围的运动没有轨道§22 从加速度到速度与坐标 匀加速运动27质点的直线运动； 位置公式与速度公式； 匀加速运动公式； 抛体运动【应用技术方案】 上抛法测重力加速度g值31§23 转动 极坐标与自然坐标32 角速度和角加速度； 质点在极坐标系中的加速度； 沿给定的轨道运动。§24 刚体运动的描述

15、38刚体的基本运动； 刚体的定轴转动； 刚体的平面运动 【科学理论探索】 落体偏东问题40§25. 相对运动与变换关系41 运动的相对性； 两个匀速平动参考系间运动变换； 光速不变性原理从伽利略变换到洛伦兹变换时空观的革命【科学理论探索】 洛仑兹变换的另一种推导方法47第三章 运动和力 49 §31 宏观粒子的运动和力49背景知识牛顿以前的力学； 牛顿运动定律； 力是从哪里来的？ 几种常见的力【应用技术方案】 公路与铁路弯道设计55§32 质心的运动和外力59物体与质点系 力的叠加原理； 质心运动和外力； 质心运动守恒定律 【解题方法研究】 用计算机软件MATLA

16、B求解动力学方程62§33. 万有引力 65从运动现象研究力万有引力定律的建立； 万有引力定律的表述； 称量地球和太阳； 引力与热； 潮汐现象.【科学理论探索】 万有引力的几何性弯曲时空69§34 惯性力和达朗伯惯性力 71等效原理惯性力； * 达朗伯原理； 转动系中的惯性力【科学理论探索】 对牛顿力学的再认识 混沌57第二篇 时空对称性与守恒定律第四章 空间平移对称性和动量守恒78§41 动量变化定理81动量; 质点动量变化定理; 质点系统动量变化定理; 流体的动量定理; 相对论中的动量§42 空间平移对称性与动量守恒定律87 动量守恒定律； 空间平移

17、对称性与动量守恒定律。 【解题方法研究】 归纳法89【应用技术方案】 航天技术中的弹弓效应91§43 火箭的运动92火箭飞行原理； 火箭在重力场中的运动； 变质量物体运动问题； 人类航天事业的发展【解题方法研究】 极限思维法95【应用技术方案】 多级火箭96 §44 质心坐标系与二体折合质量 101质心坐标系； 质心坐标系中的动量； 二体系统。【解题方法研究】 动量定理的运用103*§45 用广义坐标和Dirac符号表述的动量定理105 矢量符号约定； 用Dirac符号表述的动量定理； 广义坐标的引用第五章 空间旋转对称性与角动量守恒 109 §51 质

18、点角动量定理109质点运动的角动量概念； 质点的角动量定理； 有心力作用下的运动 §52. 质点系角动量定理113质点系的角动量； 轨道角动量与自旋角动量； 质点系角动量定理； 刚体转动惯量； 刚体定轴转动的角动量定理； 刚体定轴转动方程【科学理论探索】 原子中电子的角动量§53 空间旋转对称性与角动量守恒定律120质点系角动量守恒； 定轴转动的刚体角动量守恒； 空间各向同性与角动量守恒定律【应用技术方案】 宇宙飞船转动的控制122【实验观察与思考】 从转台实验探索科里奥利力123§54 刚体运动角动量定理125 刚体一般运动的动力学； 刚体平面运动动力学； 刚体

19、运动角动量定理【论文格式示范】 刚体系统无初速释放瞬时值问题128*§55 矩阵形式的经典力学方程 132 【应用技术方案】 经典力学的计算机方法136第六章 时间平移对称性与能量守恒 140§61 动能定理140质点的动能定理； 动能定理按自由度分解； 系统动能定理； 刚体的动能定理； 功的计算【解题方法研究】 功能观点在解题中的运用143【应用技术方案】 载重列车倒退启动法144§62 科尼希定理 内部动能 146科尼希定理； 二体系统动能； 二体碰撞。 【应用技术方案】 高能粒子对撞机150【科学发现案例】 中子的发现150§63 势能 机械能变化

20、定理 152 保守力； 势能； 机械能守恒定律； * 流体力学中的伯努利方程【应用技术方案】 伯努利方程的应用157*§64. 星际交通工程159卫星与航天器运行轨道问题； 卫星与航天器的速度问题； 发射技术问题； §65 时间平移对称性和能量守恒定律167热力学第一定律； 时间均匀性与能量守恒定律；相对论的能量与能量守恒定律； 黑 洞【应用技术方案】 a粒子散射 172【科学猜想与预言】 从零质量与负能量猜想负质量粒子173第三篇 机械振动和波动力学第七章 机械振动175 §71. 简谐振动的特征 175 两类简谐振动； 简谐振动的特征； 描述简谐振动参量。【科学幻想曲】 地下直通隧道交通工程179 §72 简谐振动的表示180 函数表示； 振动曲线； 简谐振动的旋转矢量表示； 简谐量与复数的对应§73 计算本征频率的能量法183 根据最大动能势能计算； 根据广义坐标与等效系数计算。【应用技术方案】 测量重力加速度g值的等值摆长法188*§74 两个自由度系统自由振动188