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理论力学课程体系改革探索与实践
作者：李俊峰
关键词：理论力学：教学改革；课程体系；教学内容
理论力学是清华大学的重要基础课之一，目前由航空航天学院的理论力学课程组面向机械学院、土木水利学院、航空航天学院开设。自1987年以来，理论力学一直是校级一类课程，2002年入选学校首批“百门精品课”建设项目，2003年被评为北京市精品课程，2004年被评为国家精品课程。
一、课程体系改革的过程
1996年正逢四年一届的全国大学生力学竞赛，我在8月初突然接到任务：9月上旬用16个学时为参加竞赛的学生串讲理论力学。由于没有系统讲授过理论力学课程的经验，这是极大的挑战，也迫使我另辟蹊径，初步形成了现在的课程体系雏形。这次竞赛中，清华大学参赛学生获得了理论力学成绩第2名到第7名。
而后，我们在工程力学系95级、96级、98级连续进行课程体系改革试点。当时理论力学的课内学时为112，秋季学期48学时，讲静力学和运动学内容，春季学期64学时，讲动力学内容。使用的教材是清华大学理论力学教研组罗远祥等编写的《理论力学》。
促成新体系在全校推广的机遇是清华大学的学制由5年改为4年而大幅度压缩学时。用64学时讲完原有的教学内容，采用新体系是惟一出路。2000年，理论力学教学组的4位青年教师编写了讲义，在全校试用。2001年正式出版了新体系教材，并在后续几年内完成了教材的“立体化”。
二、课程体系改革的思路
在大幅度压缩学时之前，清华大学(以土木系为例)理论力学的学时1993年为128，后来减少到112，再减少到96，到1996年秋季减少到88。那段时间的教学改革主要是砍教学内容，先砍掉习题课，即“砍小不砍大”。再就是按“静、运、动”的教学顺序砍掉后面的内容，即“砍高不砍低”。教师们认为这种做法值得商榷。
在2000年学时减到64了，如果还按照静、运、动的教学顺序砍掉后面的内容，就意味着动力学部分和分析力学完全被砍掉，学生就会感觉理论力学与普通物理的力学部分(注：这里指我国现在的教材，国外的教材可能完全不同差别不大。学生学起来“没劲”，有的理论力学教师建议普通物理不讲力学，反过来，也有人认为应该取消理论力学课。笔者曾经尝试过给没学过大学普通物理的一年级下学期的学生讲理论力学，感觉就像给高中生讲课，师生都感觉困难。因此，理论力学教师不能低估普通物理打基础的重要性。
我们必须明确理论力学与中学物理、大学普通物理的不同分工。不能在理论力学课程中简单重复物理的内容，而应该在物理的基础上，讲授理论力学的核心内容。那么，哪些属于理论力学的核心内容?很多理论力学教师研究过这个问题。
通过分析理论力学课程的任务，我们认为理论力学的核心内容是建立研究力学对象的数学模型所需的原理和方法，既包括普通物理中讲过的牛顿力学，也包括学生在理论力学中第一次接触的分析力学。理论力学是工科大学生的第一门力学课程，也第一门技术基础课，是后续课程的重要基础。这是课程的第一个任务。理论力学能培养学生综合运用数学工具和力学原理定量地研究实际工程问题的能力，不是停留在定性地解释物理现象和揭示机理方面。这是理工科人才的基本素质要求。理论力学介绍的研究问题的基本思路、基本理论和基本方法，可以应用于很多研究自然界和工程技术的问题。
然而，理论力学不是直接面向工程应用的专业课，重点不是去解决一个个具体工程问题。众所周知，解决工程问题一般要有三个步骤。第一是将工程对象简化为力学模型，如质点、刚体、弹性体、流体等，做简化既需要力学知识，又需要工程经验，还要了解工程要求和约束。这个步骤不适合作为理论力学教学内容，对教师和学生来说都是无法胜任的。第二是针对力学模型，利用力学知识建立相应的数学模型(数学方程)，这正是理论力学的任务。第三是对数学方程进行分析计算。一般来说，这个内容也不适合大学低年级的学生。
另外，我们可以借助高等数学工具，采用演绎的方法讲授，既节省学时又加强系统性。
根据上述分析和认识，我们在实践中逐渐形成了新的理论力学体系，用64学时完成理论力学的核心内容(详见表1)。表1是2007—2008学年秋季学期给清华大学航天航空学院讲课的教学日历，从中可以看出具体教学内容的编排情况。
从2000年至今进行了8年的实践，全体任课教师均为青年教师，其中3名教授、博导，2名副教授，4人先后获得过清华大学青年教师教学优秀奖。这些任课教师的教学评估成绩均为优秀，其中3位教授多次进入全校前5％。难能可贵的是，1名新上岗的副教授第一次讲课即取得了92分的好成绩。更让人欣慰的是，现在我们的学生喜欢学理论力学，也不觉得难学了。清华大学每年组织全校应届毕业生对大学期间所上课程的教学质量进行调查，让学生对心目中的好教师及课程提名，结果按提名率排序(“提名率”定义为某系或某专业对某教师及课程的提名数与该系或该专业参加答卷的学生数之比)。近几年来理论力学课程经常名列前茅，说明它给学生留下了深刻印象。
三、新课程体系特点
理论力学新课程体系有四个主要特点。第一，将矢量力学与分析力学相互融合，加强经典力学两大理论体系的联系，加深学生对基本概念的全面理解，事实上加强了分析力学。第二，重视理论力学体系的系统性、逻辑性，突出与大学物理课中力学部分的区别。过去学生觉得从初中到大学的物理课都在学力学，理论力学就是炒冷饭。现在学生觉得理论力学很新鲜。第三，贯彻以动力学为核心，运动学为先导，静力学为动力学特例的思想。这是因为动力学既综合理论力学的全面知识，又在实际应用中最有价值。第四，静力学和运动学部分都是从一般到特殊讲解。图1是运动学结构，图2是动力学和静力学结构。
可以看出，按照以前划分静力学、运动学、动力学的习惯，新体系用于静力学、运动学、动力学的授课学时之比为2:3:5。扣除节假日、习题课和期中考试，实际讲课52学时，每学时为45分钟。动力学专题可以选讲非惯性系、变质量系统、三维刚体动力学和振动，如果实际讲课学时能有64，则可以全讲。可见，该体系涵盖了理论力学的所有基本内容。
四、几个教学相关问题
1．教师和学生的三个层次
无论什么教学思想和课程体系，都需要教师和学生在教与学的互动中去实践。教师和学生的素质是非常关键的。清华大学理论力学课程组注重教师队伍建设，通
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