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力学相关课程教学过程中的解构与重构
2016-06-22 14:19 山东理工大学 李丽君 刚宪约 许英姿 沈玉凤 

 

近年来,各高校都在大力推进课程教学改革,围绕传递知识、提高素质、培养能力等方面,对教学体系、教学方法、教学手段进行改革,培养有创新意识的创造型人才。教育的改革主要通过课程的开发和实施来进行。很多学科根据本专业的培养目标,提出“宽口径、厚基础”的教学要求,精简很多课程的课时和内容。在现有学时下,保证教学的基本要求和基本内容,对教学内容和形式进行改革,研究如何在减少课时的同时又强化能力培养。

力学自身的理论体系特点决定了课程具有“内容多,学时少,计算繁,理解难”的特点,涉及到的许多公式和计算均以数学方程形式出现,教学及学习的难度较大。本文针对理论力学、材料力学、流体力学、弹性力学等力学基础课程,进行了教学方法的研究和实践,提出力学课程的分解与重组在教学过程中的重要性。

1力学课程解构与重构的意义

一门课程的设计必须解决2个问题,一是选择什么样的内容,二是这些内容如何讲解。课程设计要跳出学科体系的束缚,根据社会行业的客观需求,围绕能力目标对课程进行分解重组,按照学生具体的认知情况进行内容的编排和序化。对学生要进行分类教学,因材施教,从力学知识结构、基本能力和重点难点出发,结合现代教育学、心理学、课外活动、网络信息等,研究针对不同学生的最优化的教学方法。龙驭球提出的学习方法:“加——广采厚积,织网生根;减——去粗取精,弃形取神;问——知惑解惑,开启迷宫;用———实践检验,多用巧生;创新——觅真理立巨人肩上,出新意于法度之中。”这些对于力学的课程教学同样适用。教师不能简单地原封不动地按教材传授知识,要对其进行解构和重构,包括对教材内容进行增减、调整、变通和转换等。解构有分步走、分层次、分模块等方法;重构有知识点的顺序安排以及内容扩展等。力学知识的解构与重构有助于学生对抽象的知识点的理解,有助于因材施教,有助于学生脱离教材束缚,建立完整的力学知识体系。

2力学课程的解构

力学知识的解构,可以把原有的知识点分为3个层次:可记忆的基本知识;可思考质疑的问题与方法;可实践创新的工程应用。

对于基本知识的教学,要做到“信”,准确精炼,使绝大多数学生掌握力学的基本概念、基本原理、基本方程、基本问题和基本解法。对于一些重点难点,要做到“达”,要以问题为载体,促使学生去质疑讨论。“学起于思,思源于疑”,课程学习过程是教师与学生,学生与学生相互作用的过程。教师一般都有较高的学术水平和自己的思维方式,学生也不乏独到见解,多种思维风格和学术观点的交叉融合,能够活跃课堂气氛,有助于学生逻辑思维与发散思维的培养。由于学生容易误解为力学只能进行枯燥的理论分析计算,距离工程实际问题比较遥远,因此对与工程应用直接相关的知识点的教学,要做到“雅”。教师可以将身边的力学现象或工程实际问题进行抽象简化,注重例题和习题的作用,借助一定的知识背景提出一些学生感兴趣的课题,还可以采用情境化教学方式,让学生进入工程师的角色,合理引导学生对问题加以思考和解释,从专业角度进行一些初步的科研训练,帮助学生理解课本知识与实际应用之间的密切联系。

3力学课程的重构

力学教学首先要确立课程的教学体系。例如材料力学杆件变形的讲解,有的教材分成杆件的拉压、扭转、弯曲基本变形,每种基本变形分别讲解内力、应力和变形;有的教材分成杆件的内力、应力与变形3部分,每一部分分别讲解各种变形。各种体系有各自的优点,应该根据学生的具体情况,结合专业要求进行选择,或者以一种为主、一种为辅的方式进行比较教学。

3.1耦合知识的教学

力学一门课程内部或者不同课程之间都存在知识点的耦合。对于耦合部分需要格外重视。如果将上课比作下棋,走一步至少看三步,教师应该具有宏观的专业课程体系与清晰的知识脉络,从学生的专业知识及综合思维出发,前瞻后顾,使学生知道知识点之间的区别与联系,做好各门课程的衔接工作,从而增强学生对知识的理解和掌握,使知识形成环环相扣的网络。

1:理论力学研究刚体,材料力学与弹性力学研究变形体,材料力学研究杆件,结构力学研究杆系,弹性力学研究所有弹性体。力学课程各自的研究对象是什么、研究方法是什么、各自的数学工具是什么、各自的工程问题应用领域是什么。

2:理论力学与弹性力学都用到了静力平衡,但理论力学以质点为对象,弹性力学以弹性体中的微元体为对象分别建立静力平衡方程。

3:机械学科与土木学科对于材料力学中的弯矩正负号有不同规定,材料力学与弹性力学中的应力正负号也有不同规定。

4:圣维南原理在材料力学中简单提及,没有在具体问题上适用,在弹性力学中则应用于边界条件的等效处理。

其他诸如量纲法在流体力学与弹性力学中都有应用,理论力学会讲到一些振动力学和分析力学的知识、材料力学中会讲到一些结构力学的知识、弹性力学中会讲到材料力学与有限元的知识等。力学教学注重知识上的连续性,在讲授各门课程时需要注意联系区分,鼓励学生进行讨论和对比总结,有助于学生明确课程学习的目的,明确课程的地位和作用,建立宏观的力学知识架构,从整体高度来领悟课程,促进各门课程知识的融会贯通,为今后学习后续课程奠定良好基础。所讲授的知识点与其他知识点的关系,以及学生在遇到相关知识时的反应和处理方式,都是教师上课应该注意的地方。知识的耦合教学,有助于学生调动所有的知识资源去解决各类工程中的问题。

3.2知识点的补充与拓展

力学与数学有密切的关系,数学是力学的重要支柱,力学理论的建立又促进了数学的发展。力学教学要注重数学基础知识的补充,包括泛函、变分法、偏微分、线性代数等。力学教学中知识点的拓展与深入,使知识点的意义用途更加明确,比如拉格朗日方程与分析力学的关系、达朗贝尔原理与动载荷的关系、能量法与有限元法的关系等。教学中应通过对知识点的拓展启发学生思考。

1:一般认为越粗糙摩擦力越大,越光滑摩擦力越小。有实验表明,物体表面过于光滑时,物体的实际接触面积就会过大,又会因分子间吸引力的增大而表现出摩擦力的增大,最常见的例子就是照相机的光学镜头。照相机的光学镜头实际上是由多片相邻表面吻合很好的单片透镜靠分子间作用力黏合而成,这种分子力的作用表现为摩擦力。量变引起质变,宏观问题变成了微观问题。

2:力是矢量,符合矢量计算的所有规则,速度、电流密度等矢量也是同样情况。有的理论力学课程对于力的讲解从平面到空间,从简单到复杂,有的理论力学课程则直接讲解矢量相关的数学知识,先从力学概念扩展到通用的数学概念,再从数学回到力学的内容。

3:实际生活中阶梯轴加圆弧过渡,能够减缓截面变化,从而减小应力集中,但是理论解析解无法计算,而有限元法计算时则由于圆弧的形状容易在画网格时产生质量不好的单元,从而导致应力集中的产生,这是理论现实与虚拟仿真相违背的地方。

因此,知识点的补充与拓展有助于学生巩固基础知识,对所学知识进行延伸和应用,并培养其全面辩证的思维方式。

4建立力学课程与工程实际结合的知识体系

教学的目的除了传授知识,还应该培养学生有独立的学习和科研能力,以及科学的思维习惯和认知品质。教师的专业素质对教学质量起着重要的作用,教师要广泛了解本专业发展趋势和最新的学术成果,保持课程内容的先进性和前沿性,让学生在课堂上不仅学到教学计划所涉及的知识,同时还了解到本学科的发展现状及新的研究方法。

培养学生的科研能力首先要培养学生的科研兴趣。教师可以鼓励学生阅读相关书籍,如《力学与未来生活》、《时间简史》等,组织关于力学应用的学术讲座,使学生认识到力学知识来源于生活和工程实践,能够增强学生对力学课程的认同感,明确学习目的。

在教学过程中学生充分利用已有的知识,通过教师的正确引导,就能从专业角度开展一些初步的科研训练。有限元法的出现为力学开拓了广阔的前景,也为力学注入了新的活力。基于有限元法的CAE软件具有广泛的适用性,成为工程师解决实际复杂工程问题的有力工具。指导学生用有限元软件开展一些计算工作,如图1所示的梁弯曲变形内力分析与图2所示的鸟巢结构分析,不仅有助于学生对理论的认识、理解和领悟,更有助于增强参与意识,提高学习兴趣,增强解决实际力学问题的能力,提升发散性思维能力和科学研究能力。

 

 

1梁弯曲变形内力分析

 

 

2鸟巢有限元结构分析

5结语

本文针对工科基础力学课程的教学方法进行了研究,提出不照搬教材、对知识体系进行分解重组的重要性及相应的方法,经过多年的教学探索与实践,有效地提高了学生的学习兴趣,培养了学生的工程能力。


 

 

(来源:2016年第3期《实验技术与管理》)

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