基于力学教学的探究式教学模式探究

基于力学教学的探究式教学模式探究

侯蕾

沈阳城市建设学院  辽宁省沈阳市 110000

摘要：目前，倡导学生主动参与的探究式教学已成为基础教育课程改革的重要内容。所谓探究式教学模式，就是为学生提供真实的问题情境，让学生通过探究事物、现象和观点而自主地获得科学知识并形成探究技能和态度的过程，在教师指导下学生运用探究的方法进行学习，并主动获取知识，发展能力的实践活动。

关键词：力学探究；教学模式

引言

理论力学是工科生的一门技术基础课，也是第一门力学基础课，它主要开设在大学二年级，是系统地研究物体运动的变化和受力之间相互关系的课程。理论力学的主要研究内容分为三部分，分别是静力学、运动学及动力学。理论力学是经典牛顿力学的代表，它以牛顿力学公理为研究基础，建立运动量和力学量之间的相互关系。在理论力学中，静力学可以看成是力系平衡时的一种特殊动力学问题。运动学是通过几何的观点研究物体在空间中的运动，主要的研究对象是点或者刚体。动力学是全面地研究物体运动的变化和受力之间的相互关系。继动力学之后，将开展一部分动力学专题内容，其中包括达朗贝尔原理、虚位移原理、碰撞及振动专题的学习，为后续力学课程打下坚实的基础，因此，理论力学起到基础课与专业基础课重要桥梁的作用。

1工程力学课程中的价值引领

高校工程力学课程不仅要传授知识，还要培养学生的科学精神，使得课程既有深度、广度，也有态度和温度，既有知识性也有价值引领性。工程力学课程要注重培养学生力学科学思维和科学伦理，加强学生工程伦理教育，树立精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国、工程强国的情怀和担当。教师要善于总结工程力学中的能够体现科学精神、工匠精神的素材。例如:讲述静力学时，将静力学的发展与文艺复兴时期如伽利略(GalileoGalilei)、虎克(ＲobertHook)、牛顿(IssacNewton)及达芬奇(LeonardodaVinci)等科学家的贡献简要讲述。由于工程力学中的静力学难度并不大，所以可以适当加入一些有趣的科学史内容，以科学人物为线索，一定程度上激发学生的学习欲望，提升课程的有趣度，同时可以向学生讲述15—17世纪科学家们的科学精神及科学信仰;还可以引导学生在工程力学的学习中体会如何辩证客观地认识、思考和描述物体之间的作用与物体的变形，建立利用数学表达定量描述客观规律的思维方式;向学生讲述我国老一辈力学家如钱学森、钱伟长、郭永怀、周培源等的人生态度、科学精神及家国情怀。过程中要避免大而空的介绍，尽量挖掘选取一两件贴近学生生活、适合学生理解力，同时学生易于接受的、不老套的小事例来凸显大力学家的人生观、做事风格、治学精神和家国担当，力求用小的事例对学生产生大的震撼，在学生脑海中打下深刻烙印。在某工业大学建校70周年时，学校汇总了许多老一辈优秀教师学者的事例，从70多年的校史及力学系的发展历程中可以挖掘丰富的且发生在学生身边不同时空的学长学姐们的优秀事迹，是很好的教学素材。在讲解压杆稳定时，也可以举一些事例激励学生，培养其工程师认真负责的精神。

2引出问题

落体偏东现象：地球不仅有自转，同时还围绕太阳公转，所以是非惯性参考系。地球自转角速度约为7.3×10-5rad/s，尽管非常小，但有些力学现象还是能觉察到地球自转的影响。例如，质量为m的质点自高度为h处自由下落，由于在下落过程中受到科里奥利力的作用，即Ｆ珝＝-2mw珗×υ珒′，可定性判断出落地点总是偏向东方，而并不沿铅垂线降落，同时一些教材及文献上也对地球自转的动力学效应进行了研究。提出问题：对在地球上竖直上抛的物体，科里奥利力对其运动产生什么影响呢？因为抛射体在上升和下落的过程中分别受到方向相反的科里奥利力的作用（物体在上升阶段受到的科里奥利力方向向西，在下落阶段受到的科里奥利力方向向东），那么物体的落地点与抛射点是否重合？竖直上抛物体在整个过程中运动轨迹如何？针对上述问题的解决，首先应该明确研究对象（抛射体），在非惯性参照系（地球）上建立坐标系，同时确定出对象的初始条件（质点的初始位置和初始速度）；其次，分析对象在运动过程中所受到的所有力，建立对象在非惯性系中的动力学方程；最后，求解在非惯性系中质点的运动微分方程，并对结果加以分析和讨论。

3理论分析并得出结论

下面就研究在北半球上抛物体的运动情况。设在北半球纬度为λ处，一个质量为ｍ的物体以初速度υ０从地面Ｏ点沿铅垂线竖直向上抛出，初始条件为：t＝0时，x＝y＝z＝0，x＝y＝0，z＝uo。下面讨论落地点相对铅直线与地面的交点Ｐ（0）的偏离。选取地球（视为球体）为参考系，0ｘ切经线（圈）向南；oy切纬线（圈）向东；oz垂直地面向上。忽略空气阻力，则物体在竖直上抛过程中的动力学方程为ｍａ′珗＝Ｆ珝＋ｍｇ珝＋Ｑ珝c上式中Ｆ代表重力以外的所有真实的力，q珝c＝－2mw珗×υ珒′为科里奥利力。υ珒′为物体的相对速度。质点在x，y，z三个方向上的运动微分方程为m¨x＝2mwysin＋Fm¨y＝－2mw＋Ｆｙｍ¨ｚ＝2mwycos－mg＋f烅烄烆ｚ由于物体除受重力外不受其它外力作用，即fx＝fy＝fz＝0，所以质点的动力学方程可简化为¨x＝2wysin¨y＝－2w¨z＝－g＋2wycos烅烄烆λ烅烄烆２精确解的形式还是较复杂的，不容易看出竖直上抛物体是如何运动的，通过计算机编程可获得物体的运动轨迹，进而分析出其运动过程。在北半球竖直上抛过程中，物体在上升阶段做偏西运动，在下落阶段仍做偏西运动，因此竖直上抛物体的落地点是偏西的，同时物体还要向北偏移，因此落地点偏向西北方向，但是向北偏移量与向西偏移量相比非常之小。

4工程力学教学促进措施

提高课程生动可参与性保证课堂教学质量是工程力学教学改革的核心和基础。教师要对自己严格要求，努力吃透工程力学课程中静力学及材料力学部分所涉及全部知识，同时通过观摩线上线下优秀教师课程，领会课程内容讲授方法和学生的学习理解规律。对于青年教师，特别要利用自身优势使工程力学课程更为生动，调动学生的学习积极性。同时，也不妨充分地借鉴一些国外的优秀教学视频及软件，其在数学原理的可视化方面做了很多工作，可以借鉴来为学生讲解工程力学所涉及的数学原理，其发布的视频也用非常形象的动画直观地展示了材料力学中应力、应变、轴的扭转及梁的弯曲等知识;在工程力学涉及数学原理方面，让学生更好地深刻理解工程力学中的定理及公式。每一位教师要不断地吸取新的知识技能为我所用，提高知识传授效率，善于对抽象的力学问题进行可视化和形象化讲解，站在学生角度，深入浅出地让抽象的力学原理落地，避免理论灌输。

结束语

教师应选取恰当的教学内容用于探究式教学，学生对所选取的材料教学内容具有极大的兴趣，如受科里奥利力的影响，在自然中形成许多奇特的现象，北半球河流右岸的冲刷甚于左岸；北半球的双轨铁路右轨的磨损明显大于左轨。在理论力学中有许多这方面材料都可用作探究性教学，如质点力学中的有心力运动、质点组力学中的多体问题、刚体力学中的陀螺运动等。

参考文献

［1］丁晓红，刘风艳，刘宇星．大学物理互动式探究型教学模式的探讨［J］．物理与工程，2010，20(6)：1-3．

［2］张向战．探究式教学模式构建及其理论探源［J］．晋中学院学报，2005，22(2)：86-88．

［3］郭易圆，彭慧莲，王琪．理论力学探究型教学模式的探索与实践［J］．力学与实践，2111，338(3)：70-72．

作者简介 ：

侯蕾，女，1978.10，汉，辽宁省海城市，硕士研究生，高级工程师，研究方向：钢结构与混凝土。