力學相關課程教學過程中的解構與重構

李麗君, 剛憲約, 許英姿, 沈玉鳳

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博　255049)

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力學相關課程教學過程中的解構與重構

李麗君, 剛憲約, 許英姿, 沈玉鳳

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博255049)

對理論力學、材料力學、彈性力學等課程知識點的分解重組等教學方法進行了探索研究。針對力學課程的特點,建立最優化的教學理念和教學方法,有助于提高普通工科院校力學課程的課堂教學質量,培養學生的工程能力與創新思想。

力學課程； 知識點分解重組； 教學理念

近年來,各高校都在大力推進課程教學改革,圍繞傳遞知識、提高素質、培養能力等方面,對教學體系、教學方法、教學手段進行改革,培養有創新意識的創造型人才。教育的改革主要通過課程的開發和實施來進行。很多學科根據本專業的培養目標,提出“寬口徑、厚基礎”的教學要求[1-2],精簡很多課程的課時和內容。在現有學時下,保證教學的基本要求和基本內容,對教學內容和形式進行改革,研究如何在減少課時的同時又強化能力培養。

力學自身的理論體系特點決定了課程具有“內容多,學時少,計算繁,理解難”的特點,涉及到的許多公式和計算均以數學方程形式出現,教學及學習的難度較大。本文針對理論力學、材料力學、流體力學、彈性力學等力學基礎課程,進行了教學方法的研究和實踐,提出力學課程的分解與重組在教學過程中的重要性[3-6]。

1　力學課程解構與重構的意義

一門課程的設計必須解決2個問題,一是選擇什么樣的內容,二是這些內容如何講解。課程設計要跳出學科體系的束縛,根據社會行業的客觀需求,圍繞能力目標對課程進行分解重組,按照學生具體的認知情況進行內容的編排和序化。對學生要進行分類教學,因材施教,從力學知識結構、基本能力和重點難點出發,結合現代教育學、心理學、課外活動、網絡信息等,研究針對不同學生的最優化的教學方法。

龍馭球提出的學習方法:“加——廣采厚積,織網生根；減——去粗取精,棄形取神；問——知惑解惑,開啟迷宮；用——實踐檢驗,多用巧生；創新——覓真理立巨人肩上,出新意于法度之中。”這些對于力學的課程教學同樣適用。教師不能簡單地原封不動地按教材傳授知識,要對其進行解構和重構,包括對教材內容進行增減、調整、變通和轉換等。解構有分步走、分層次、分模塊等方法；重構有知識點的順序安排以及內容擴展等[7-8]。力學知識的解構與重構有助于學生對抽象的知識點的理解,有助于因材施教,有助于學生脫離教材束縛,建立完整的力學知識體系。

2　力學課程的解構

力學知識的解構,可以把原有的知識點分為3個層次:可記憶的基本知識；可思考質疑的問題與方法；可實踐創新的工程應用。

對于基本知識的教學,要做到“信”,準確精煉,使絕大多數學生掌握力學的基本概念、基本原理、基本方程、基本問題和基本解法。對于一些重點難點,要做到“達”,要以問題為載體,促使學生去質疑討論。“學起于思,思源于疑”,課程學習過程是教師與學生,學生與學生相互作用的過程。教師一般都有較高的學術水平和自己的思維方式,學生也不乏獨到見解,多種思維風格和學術觀點的交叉融合,能夠活躍課堂氣氛,有助于學生邏輯思維與發散思維的培養。由于學生容易誤解為力學只能進行枯燥的理論分析計算,距離工程實際問題比較遙遠,因此對與工程應用直接相關的知識點的教學,要做到“雅”。教師可以將身邊的力學現象或工程實際問題進行抽象簡化,注重例題和習題的作用,借助一定的知識背景提出一些學生感興趣的課題,還可以采用情境化教學方式,讓學生進入工程師的角色,合理引導學生對問題加以思考和解釋,從專業角度進行一些初步的科研訓練,幫助學生理解課本知識與實際應用之間的密切聯系。

3　力學課程的重構

力學教學首先要確立課程的教學體系。例如材料力學桿件變形的講解,有的教材分成桿件的拉壓、扭轉、彎曲基本變形,每種基本變形分別講解內力、應力和變形；有的教材分成桿件的內力、應力與變形3部分,每一部分分別講解各種變形。各種體系有各自的優點,應該根據學生的具體情況,結合專業要求進行選擇,或者以一種為主、一種為輔的方式進行比較教學。

3.1耦合知識的教學

力學一門課程內部或者不同課程之間都存在知識點的耦合。對于耦合部分需要格外重視。如果將上課比作下棋,走一步至少看三步,教師應該具有宏觀的專業課程體系與清晰的知識脈絡,從學生的專業知識及綜合思維出發,前瞻后顧,使學生知道知識點之間的區別與聯系,做好各門課程的銜接工作,從而增強學生對知識的理解和掌握,使知識形成環環相扣的網絡。

例1:理論力學研究剛體,材料力學與彈性力學研究變形體,材料力學研究桿件,結構力學研究桿系,彈性力學研究所有彈性體。力學課程各自的研究對象是什么、研究方法是什么、各自的數學工具是什么、各自的工程問題應用領域是什么。

例2:理論力學與彈性力學都用到了靜力平衡,但理論力學以質點為對象,彈性力學以彈性體中的微元體為對象分別建立靜力平衡方程。

例3:機械學科與土木學科對于材料力學中的彎矩正負號有不同規定,材料力學與彈性力學中的應力正負號也有不同規定。

例4:圣維南原理在材料力學中簡單提及,沒有在具體問題上適用,在彈性力學中則應用于邊界條件的等效處理。

其他諸如量綱法在流體力學與彈性力學中都有應用,理論力學會講到一些振動力學和分析力學的知識、材料力學中會講到一些結構力學的知識、彈性力學中會講到材料力學與有限元的知識等。力學教學注重知識上的連續性,在講授各門課程時需要注意聯系區分,鼓勵學生進行討論和對比總結,有助于學生明確課程學習的目的,明確課程的地位和作用,建立宏觀的力學知識架構,從整體高度來領悟課程,促進各門課程知識的融會貫通,為今后學習后續課程奠定良好基礎。所講授的知識點與其他知識點的關系,以及學生在遇到相關知識時的反應和處理方式,都是教師上課應該注意的地方。知識的耦合教學,有助于學生調動所有的知識資源去解決各類工程中的問題。

3.2知識點的補充與拓展

力學與數學有密切的關系,數學是力學的重要支柱,力學理論的建立又促進了數學的發展。力學教學要注重數學基礎知識的補充,包括泛函、變分法、偏微分、線性代數等。力學教學中知識點的拓展與深入,使知識點的意義用途更加明確，比如拉格朗日方程與分析力學的關系、達朗貝爾原理與動載荷的關系、能量法與有限元法的關系等。教學中應通過對知識點的拓展啟發學生思考。

例1:一般認為越粗糙摩擦力越大,越光滑摩擦力越小。有實驗表明,物體表面過于光滑時,物體的實際接觸面積就會過大,又會因分子間吸引力的增大而表現出摩擦力的增大，最常見的例子就是照相機的光學鏡頭。照相機的光學鏡頭實際上是由多片相鄰表面吻合很好的單片透鏡靠分子間作用力黏合而成,這種分子力的作用表現為摩擦力。量變引起質變,宏觀問題變成了微觀問題。

例2:力是矢量,符合矢量計算的所有規則,速度、電流密度等矢量也是同樣情況。有的理論力學課程對于力的講解從平面到空間,從簡單到復雜,有的理論力學課程則直接講解矢量相關的數學知識,先從力學概念擴展到通用的數學概念,再從數學回到力學的內容。

例3:實際生活中階梯軸加圓弧過渡,能夠減緩截面變化,從而減小應力集中,但是理論解析解無法計算,而有限元法計算時則由于圓弧的形狀容易在畫網格時產生質量不好的單元,從而導致應力集中的產生,這是理論現實與虛擬仿真相違背的地方。

因此,知識點的補充與拓展有助于學生鞏固基礎知識,對所學知識進行延伸和應用,并培養其全面辯證的思維方式[9-10]。

4　建立力學課程與工程實際結合的知識體系

教學的目的除了傳授知識,還應該培養學生有獨立的學習和科研能力,以及科學的思維習慣和認知品質。教師的專業素質對教學質量起著重要的作用,教師要廣泛了解本專業發展趨勢和最新的學術成果,保持課程內容的先進性和前沿性,讓學生在課堂上不僅學到教學計劃所涉及的知識,同時還了解到本學科的發展現狀及新的研究方法。

培養學生的科研能力首先要培養學生的科研興趣。教師可以鼓勵學生閱讀相關書籍,如《力學與未來生活》、《時間簡史》等,組織關于力學應用的學術講座,使學生認識到力學知識來源于生活和工程實踐,能夠增強學生對力學課程的認同感,明確學習目的。

在教學過程中學生充分利用已有的知識,通過教師的正確引導,就能從專業角度開展一些初步的科研訓練。有限元法的出現為力學開拓了廣闊的前景,也為力學注入了新的活力。基于有限元法的CAE軟件具有廣泛的適用性,成為工程師解決實際復雜工程問題的有力工具。指導學生用有限元軟件開展一些計算工作,如圖1所示的梁彎曲變形內力分析與圖2所示的鳥巢結構分析,不僅有助于學生對理論的認識、理解和領悟,更有助于增強參與意識,提高學習興趣,增強解決實際力學問題的能力,提升發散性思維能力和科學研究能力[11-13]。

圖1　梁彎曲變形內力分析

圖2　鳥巢有限元結構分析

5　結語

本文針對工科基礎力學課程的教學方法進行了研究,提出不照搬教材、對知識體系進行分解重組的重要性及相應的方法,經過多年的教學探索與實踐,有效地提高了學生的學習興趣,培養了學生的工程能力。

References)

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[10] 薛江紅.對彈性力學課程教學改革的思考[J].高等理科教育,2008(6):84-87.

[11] 李麗君,沈玉鳳,許英姿.力學教學中的引申觸類[J].實驗技術與管理,2012, 29(4):180-184.

[12] 李麗君,許英姿.CAE 軟件在力學教學與實踐中的應用[J].實驗技術與管理, 2010, 27(10):113-115.

[13] 孔艷平.彈性力學課堂教學中學生科研創新能力培養研究[J].中國電力教育, 2013(35):121-122.

Deconstruction and reconstruction in teaching process of mechanics courses

Li Lijun, Gang Xianyue, Xu Yingzi, Shen Yufeng

(School of Traffic and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Research of teaching methods to the knowledge of Theoretical Mechanics, Material Mechanics, Elastic Mechanics was developed, such as decomposition and recombination. According to characteristics of mechanics courses, optimized teaching ideas and teaching methods are established, which can help to improve the teaching quality of mechanics courses in general engineering colleges, and cultivate the students’ innovation thought and engineering ability.

mechanics courses; deconstruction and reconstruction of knowledge points; teaching ideas

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.054

2015- 08- 06修改日期:2015- 09- 23

2015年山東省屬本科高校教學改革研究項目“基于國家級特色專業的車輛工程應用型人才培養”

李麗君(1977年—),女,山東淄博,博士,副教授,研究方向為工程力學、結構分析.

E-mail:lilijun@sdut.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0214- 03