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理论力学教材建设的若干思考(2002)

已有 1623 次阅读 2022-12-6 22:55 |个人分类:教学行思|系统分类:教学心得

理论力学是门理论性较强的技术基础课。它不仅是各门力学课程的基础,也是多门其它工程技术基础课的基础并在工程技术中有广泛应用。因此它是机械、仪器仪表、能源动力、土建、航空航天、农业工程等工学专业类的重要技术基础课之一,在相关工程专业的本科生培养中起到不可替代的承前启后作用。特别是现代工程技术的发展对学生的基础知识包括理论力学提出了较高的要求。然而,目前各门课程的学时都在减少,理论力学也不例外。多学时理论力学已由原来90~100学时减少为80学时左右。这就要求以教材建设入手对理论力学的教学体系进行调整,合理取舍,优化内容,以提高教学质量。

 

为实现上述目标,我们正在着手编写新教材。该项工作受到上海市普通高等学校教材建设经费资助。通过调整教学体系和优化教学内容,在有限的70学时左右,完成《高等工业学校理论力学课程教学基本要求(100~110)》规定的内容,并在某些方面有所更新和加深。重点解决的教学问题是教学内容的合理取舍。既也回应现代工程技术发展的需要,又要考虑本门课程的基础性质和学生的接受能力。既要大体保持本门课程内容的完整性,又要注意与先修数学、物理课程的衔接,尤其是要充分应用先修课知识,提高本课程起点。设想中的新教材将有下列特点:(1) 在教学内容方面,汲取现有新教材的某些长处,同时尽可能遵循理论力学教学中已形成的惯例。(2) 篇幅较小,30万字达到多学时课程的最基本要求。(3) 体系开放,以文献注记的形式建议并指导学有余力的学生阅读其它理论力学教材和文献。(4) 通用性强,同时便于不同学时理论力学课程选用。

 

本文先简要概述现有新教材的若干特点和局限(详细内容可参阅在力学系科研和教学研讨会上的报告《工程专业多学时理论力学教材调研)。然后说明我们正在建设中的理论力学教材内容和形式上的若干特点。

 

现有出版教材的共同特点

 

我们广泛阅读了10余种本科生多学时理论力学教材,特别是认真研读近3年出版的教材。主要包括北京航空航天大学谢传锋主编《静力学》和《动力学》(高教1998),上海交通大学洪嘉振等编著《理论力学》(高教1999),天津大学贾启芳等编《工程静力学》和《工程动力学》(天大1999),清华大学范钦珊主编《理论力学》(高教2000),清华大学李俊峰等编著《理论力学》(清华2000),中国科技大学徐燕侯等编著《理论力学》(科大2000),上海交通大学刘延柱等编著《理论力学》(高教2001),清华大学贾书惠编著《理论力学》(高教2002)。这些教材尽管在内容选择和处理方面各有特色,但具有下列共同特点:

 

(1) 教学起点的提高,数学中的矢量、矩阵等充分运用,与物理重复的质点动力学内容基本删去。

 

(2) 静力学精简基本形成共识,静力学的篇幅均有显著减少,由一般到特殊地处理力系简化和平衡的教学体系基本定型。

 

(3) 运动学内容更新有所突破,解析方法普遍加强,相对导数广泛采用。分析运动学、刚体系运动学等新内容开始引入。

 

(4) 考虑计算机的广泛应用,从内容选择、仿真演示、习题安排、程序设计、软件应用等不同侧面,回应计算机的迅速发展和普及。

 

2 现有出版教材的若干局限

 

在深入学习上述新教材而受益匪浅的同时,我们也注意到已出版的新教材也存在若干局限,主要包括:

 

(1) 对学生的素质要求较高,现已出版新教材均是由清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等名牌大学的教授编著,他们的教学经验使得对学生的学习动机、学习能力和基础知识均有较高预期。相当多普通院校的学生可能达不到这些教材作者的预期。随着高等院校扩招,这一问题可能日趋突出。

 

(2) 教材的篇幅均较大,与传统教材60余万字相比,现已出版新教材的篇幅已大为减小,多学时理论力学教材一般为45余万字。但与目前实际教学时数相比,篇幅仍嫌太大,一般院校通常难以完成。

 

(3) 教材的通用性较差,尽管目前在教学实践中多、中、少学时的理论力学课程差别已经很小,现已出版新教材通常仍较强调这种区别。因此课程不同学时之间教材不能通用,给教师备课带来不便。

 

(4) 教材之间配合不足,现已出版新教材在与先修课配合方面已有很大改进,避免了传统教材过分强调自成体系的弊端。但这些教材在同门课程不同教材间仍缺乏配合,虽然这些教材与传统教材不同均附参考文献,但仅是说明作者在编著过程中曾参考。新教材各有特色,应建议并指导部分学生阅读不同教材和较简单的文献。

 

教学内容的调整和处理方法的改进

 

我们建设中新教材在内容选取和处理方面有下列特点:

 

(1) 静力学强调由一般到特殊的处理方式。在力和约束性质的基础上,统一处理各种力系的等效简化,然后建立平衡条件。理论教学从一般空间力系展开,解题仍侧重平面问题,包括带摩擦的问题和平面桁架的静力计算。避免以往教学中由平面到空间逐个讨论力系简化和平衡产生的不必要重复。可以达到节约课时、调动学生学习积极性和培养学生学习能力的目的。

 

(2) 运动学强调程式化较强而不依赖特殊技巧的解析方法。在理论推导中,基于坐标表示证明平面运动刚体上速度和加速度公式,通过引入相对导数证明速度和加速度合成定理。在例题安排中,对于较复杂的问题采用解析解法。为使学生更好地掌握平面运动刚体的角速度等概念,先讨论刚体平面运动再讨论复合运动。这种处理方式避免了以往偏重几何方法而使公式推导不严谨、解题过于依赖特殊技巧的不足。这样可以在相同学时内,掌握运动分析较现代的内容,同时提高学生解题能力。

 

(3) 动力学建模强调矢量方法和分析方法并重。两种方法各用两章。这样可以避免以往教学内容中对分析方法重视不足的缺陷。质点系动力学建模的矢量方法讲了两遍,即动量()定理和动静法,而通常70学时不能讲拉格朗日方程使得分析方法没有完整的叙述。功和能的概念及虚位移原理中引入自由度等概念也没有充分利用。因此,可以提高教学效率,使学生对于现代动力学的基础知识有初步但不失全面的掌握。

 

(4) 动力学的重点仍是建模,但对分析也有所涉及,而且不限于传统的精确求解,还包括基本的几何方法和数值算例,通过例题简要介绍分岔和混沌等现代非线性动力学概念。

 

(5) 强调从现代力学观点叙述动力学。例如列写运动微分方程和求解等提法换为动力学建模和分析。

 

(6) 力求教学内容少而精。刚体的空间运动限于定轴转动;对定点运动和一般运动仅作非常简略的介绍。不涉及刚体定点运动和一般运动的动力学问题。振动问题不专设一章,部分内容归入质点动力学分析一节。碰撞问题也不专设一章,归入质点系动力学:矢量方法一章。全部内容可在70学时内完成,但达到《高等工业学校理论力学课程教学基本要求(100~110)》。经适当删减也可用用于60学时左右的理论力学课程。

 

编写形式的特色

 

(1) 教学体系开放,注意与先修课和后续课的衔接。同时,也强调与本课程其它教材的互相配合。本教材的基本使用对象为非名牌大学的学生,本教材中包括推荐读物可供学有余力的学生深入学习其它教材的相关章节或文献,培养优秀学生的自学能力。推荐读物也可供教师备课尤其在扩展教学内容时参考。

 

(2) 注意教材的模块化,以便于不同学时的课程选用。教材内容以多学时课程基本要求为限。在章节安排上,考虑便于为中少学时课程使用。

 

(3) 注意与现有试题库、CAI课件的配合。但考虑到本教材对象的实际情况,本教材不依赖于任何电子教材。

 

(4) 在具体写法方面,力求概念清晰,论证严谨,叙述简洁,便于自学。

 

(5) 精选例题、习题。每章附有习题和解题指导。全书有160余道习题,包括概念题、简单证明题、基本运算题、综合分析题和上机计算题。附有全部习题解答的光盘。

 

与徐凯宇老师合作,发表于:上海大学学报(高教管理版), 2002, (2): 61-62




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