力學(xué)相關(guān)課程教學(xué)過程中的解構(gòu)與重構(gòu)

李麗君, 剛憲約, 許英姿, 沈玉鳳

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博　255049)

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力學(xué)相關(guān)課程教學(xué)過程中的解構(gòu)與重構(gòu)

李麗君, 剛憲約, 許英姿, 沈玉鳳

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博255049)

對(duì)理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等課程知識(shí)點(diǎn)的分解重組等教學(xué)方法進(jìn)行了探索研究。針對(duì)力學(xué)課程的特點(diǎn),建立最優(yōu)化的教學(xué)理念和教學(xué)方法,有助于提高普通工科院校力學(xué)課程的課堂教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的工程能力與創(chuàng)新思想。

力學(xué)課程； 知識(shí)點(diǎn)分解重組； 教學(xué)理念

近年來,各高校都在大力推進(jìn)課程教學(xué)改革,圍繞傳遞知識(shí)、提高素質(zhì)、培養(yǎng)能力等方面,對(duì)教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行改革,培養(yǎng)有創(chuàng)新意識(shí)的創(chuàng)造型人才。教育的改革主要通過課程的開發(fā)和實(shí)施來進(jìn)行。很多學(xué)科根據(jù)本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo),提出“寬口徑、厚基礎(chǔ)”的教學(xué)要求[1-2],精簡(jiǎn)很多課程的課時(shí)和內(nèi)容。在現(xiàn)有學(xué)時(shí)下,保證教學(xué)的基本要求和基本內(nèi)容,對(duì)教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行改革,研究如何在減少課時(shí)的同時(shí)又強(qiáng)化能力培養(yǎng)。

力學(xué)自身的理論體系特點(diǎn)決定了課程具有“內(nèi)容多,學(xué)時(shí)少,計(jì)算繁,理解難”的特點(diǎn),涉及到的許多公式和計(jì)算均以數(shù)學(xué)方程形式出現(xiàn),教學(xué)及學(xué)習(xí)的難度較大。本文針對(duì)理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)等力學(xué)基礎(chǔ)課程,進(jìn)行了教學(xué)方法的研究和實(shí)踐,提出力學(xué)課程的分解與重組在教學(xué)過程中的重要性[3-6]。

1　力學(xué)課程解構(gòu)與重構(gòu)的意義

一門課程的設(shè)計(jì)必須解決2個(gè)問題,一是選擇什么樣的內(nèi)容,二是這些內(nèi)容如何講解。課程設(shè)計(jì)要跳出學(xué)科體系的束縛,根據(jù)社會(huì)行業(yè)的客觀需求,圍繞能力目標(biāo)對(duì)課程進(jìn)行分解重組,按照學(xué)生具體的認(rèn)知情況進(jìn)行內(nèi)容的編排和序化。對(duì)學(xué)生要進(jìn)行分類教學(xué),因材施教,從力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)、基本能力和重點(diǎn)難點(diǎn)出發(fā),結(jié)合現(xiàn)代教育學(xué)、心理學(xué)、課外活動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)信息等,研究針對(duì)不同學(xué)生的最優(yōu)化的教學(xué)方法。

龍馭球提出的學(xué)習(xí)方法:“加——廣采厚積,織網(wǎng)生根；減——去粗取精,棄形取神；問——知惑解惑,開啟迷宮；用——實(shí)踐檢驗(yàn),多用巧生；創(chuàng)新——覓真理立巨人肩上,出新意于法度之中?！边@些對(duì)于力學(xué)的課程教學(xué)同樣適用。教師不能簡(jiǎn)單地原封不動(dòng)地按教材傳授知識(shí),要對(duì)其進(jìn)行解構(gòu)和重構(gòu),包括對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行增減、調(diào)整、變通和轉(zhuǎn)換等。解構(gòu)有分步走、分層次、分模塊等方法；重構(gòu)有知識(shí)點(diǎn)的順序安排以及內(nèi)容擴(kuò)展等[7-8]。力學(xué)知識(shí)的解構(gòu)與重構(gòu)有助于學(xué)生對(duì)抽象的知識(shí)點(diǎn)的理解,有助于因材施教,有助于學(xué)生脫離教材束縛,建立完整的力學(xué)知識(shí)體系。

2　力學(xué)課程的解構(gòu)

力學(xué)知識(shí)的解構(gòu),可以把原有的知識(shí)點(diǎn)分為3個(gè)層次:可記憶的基本知識(shí)；可思考質(zhì)疑的問題與方法；可實(shí)踐創(chuàng)新的工程應(yīng)用。

對(duì)于基本知識(shí)的教學(xué),要做到“信”,準(zhǔn)確精煉,使絕大多數(shù)學(xué)生掌握力學(xué)的基本概念、基本原理、基本方程、基本問題和基本解法。對(duì)于一些重點(diǎn)難點(diǎn),要做到“達(dá)”,要以問題為載體,促使學(xué)生去質(zhì)疑討論。“學(xué)起于思,思源于疑”,課程學(xué)習(xí)過程是教師與學(xué)生,學(xué)生與學(xué)生相互作用的過程。教師一般都有較高的學(xué)術(shù)水平和自己的思維方式,學(xué)生也不乏獨(dú)到見解,多種思維風(fēng)格和學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的交叉融合,能夠活躍課堂氣氛,有助于學(xué)生邏輯思維與發(fā)散思維的培養(yǎng)。由于學(xué)生容易誤解為力學(xué)只能進(jìn)行枯燥的理論分析計(jì)算,距離工程實(shí)際問題比較遙遠(yuǎn),因此對(duì)與工程應(yīng)用直接相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)的教學(xué),要做到“雅”。教師可以將身邊的力學(xué)現(xiàn)象或工程實(shí)際問題進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化,注重例題和習(xí)題的作用,借助一定的知識(shí)背景提出一些學(xué)生感興趣的課題,還可以采用情境化教學(xué)方式,讓學(xué)生進(jìn)入工程師的角色,合理引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題加以思考和解釋,從專業(yè)角度進(jìn)行一些初步的科研訓(xùn)練,幫助學(xué)生理解課本知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的密切聯(lián)系。

3　力學(xué)課程的重構(gòu)

力學(xué)教學(xué)首先要確立課程的教學(xué)體系。例如材料力學(xué)桿件變形的講解,有的教材分成桿件的拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲基本變形,每種基本變形分別講解內(nèi)力、應(yīng)力和變形；有的教材分成桿件的內(nèi)力、應(yīng)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(yōu)點(diǎn),應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的具體情況,結(jié)合專業(yè)要求進(jìn)行選擇,或者以一種為主、一種為輔的方式進(jìn)行比較教學(xué)。

3.1耦合知識(shí)的教學(xué)

力學(xué)一門課程內(nèi)部或者不同課程之間都存在知識(shí)點(diǎn)的耦合。對(duì)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(yīng)該具有宏觀的專業(yè)課程體系與清晰的知識(shí)脈絡(luò),從學(xué)生的專業(yè)知識(shí)及綜合思維出發(fā),前瞻后顧,使學(xué)生知道知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系,做好各門課程的銜接工作,從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握,使知識(shí)形成環(huán)環(huán)相扣的網(wǎng)絡(luò)。

例1:理論力學(xué)研究剛體,材料力學(xué)與彈性力學(xué)研究變形體,材料力學(xué)研究桿件,結(jié)構(gòu)力學(xué)研究桿系,彈性力學(xué)研究所有彈性體。力學(xué)課程各自的研究對(duì)象是什么、研究方法是什么、各自的數(shù)學(xué)工具是什么、各自的工程問題應(yīng)用領(lǐng)域是什么。

例2:理論力學(xué)與彈性力學(xué)都用到了靜力平衡,但理論力學(xué)以質(zhì)點(diǎn)為對(duì)象,彈性力學(xué)以彈性體中的微元體為對(duì)象分別建立靜力平衡方程。

例3:機(jī)械學(xué)科與土木學(xué)科對(duì)于材料力學(xué)中的彎矩正負(fù)號(hào)有不同規(guī)定,材料力學(xué)與彈性力學(xué)中的應(yīng)力正負(fù)號(hào)也有不同規(guī)定。

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

其他諸如量綱法在流體力學(xué)與彈性力學(xué)中都有應(yīng)用,理論力學(xué)會(huì)講到一些振動(dòng)力學(xué)和分析力學(xué)的知識(shí)、材料力學(xué)中會(huì)講到一些結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)、彈性力學(xué)中會(huì)講到材料力學(xué)與有限元的知識(shí)等。力學(xué)教學(xué)注重知識(shí)上的連續(xù)性,在講授各門課程時(shí)需要注意聯(lián)系區(qū)分,鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論和對(duì)比總結(jié),有助于學(xué)生明確課程學(xué)習(xí)的目的,明確課程的地位和作用,建立宏觀的力學(xué)知識(shí)架構(gòu),從整體高度來領(lǐng)悟課程,促進(jìn)各門課程知識(shí)的融會(huì)貫通,為今后學(xué)習(xí)后續(xù)課程奠定良好基礎(chǔ)。所講授的知識(shí)點(diǎn)與其他知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系,以及學(xué)生在遇到相關(guān)知識(shí)時(shí)的反應(yīng)和處理方式,都是教師上課應(yīng)該注意的地方。知識(shí)的耦合教學(xué),有助于學(xué)生調(diào)動(dòng)所有的知識(shí)資源去解決各類工程中的問題。

3.2知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充與拓展

力學(xué)與數(shù)學(xué)有密切的關(guān)系,數(shù)學(xué)是力學(xué)的重要支柱,力學(xué)理論的建立又促進(jìn)了數(shù)學(xué)的發(fā)展。力學(xué)教學(xué)要注重?cái)?shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充,包括泛函、變分法、偏微分、線性代數(shù)等。力學(xué)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)的拓展與深入,使知識(shí)點(diǎn)的意義用途更加明確，比如拉格朗日方程與分析力學(xué)的關(guān)系、達(dá)朗貝爾原理與動(dòng)載荷的關(guān)系、能量法與有限元法的關(guān)系等。教學(xué)中應(yīng)通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)的拓展啟發(fā)學(xué)生思考。

例1:一般認(rèn)為越粗糙摩擦力越大,越光滑摩擦力越小。有實(shí)驗(yàn)表明,物體表面過于光滑時(shí),物體的實(shí)際接觸面積就會(huì)過大,又會(huì)因分子間吸引力的增大而表現(xiàn)出摩擦力的增大，最常見的例子就是照相機(jī)的光學(xué)鏡頭。照相機(jī)的光學(xué)鏡頭實(shí)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(xiàn)為摩擦力。量變引起質(zhì)變,宏觀問題變成了微觀問題。

例2:力是矢量,符合矢量計(jì)算的所有規(guī)則,速度、電流密度等矢量也是同樣情況。有的理論力學(xué)課程對(duì)于力的講解從平面到空間,從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,有的理論力學(xué)課程則直接講解矢量相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí),先從力學(xué)概念擴(kuò)展到通用的數(shù)學(xué)概念,再從數(shù)學(xué)回到力學(xué)的內(nèi)容。

例3:實(shí)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(yīng)力集中,但是理論解析解無法計(jì)算,而有限元法計(jì)算時(shí)則由于圓弧的形狀容易在畫網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生質(zhì)量不好的單元,從而導(dǎo)致應(yīng)力集中的產(chǎn)生,這是理論現(xiàn)實(shí)與虛擬仿真相違背的地方。

因此,知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充與拓展有助于學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行延伸和應(yīng)用,并培養(yǎng)其全面辯證的思維方式[9-10]。

4　建立力學(xué)課程與工程實(shí)際結(jié)合的知識(shí)體系

教學(xué)的目的除了傳授知識(shí),還應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生有獨(dú)立的學(xué)習(xí)和科研能力,以及科學(xué)的思維習(xí)慣和認(rèn)知品質(zhì)。教師的專業(yè)素質(zhì)對(duì)教學(xué)質(zhì)量起著重要的作用,教師要廣泛了解本專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和最新的學(xué)術(shù)成果,保持課程內(nèi)容的先進(jìn)性和前沿性,讓學(xué)生在課堂上不僅學(xué)到教學(xué)計(jì)劃所涉及的知識(shí),同時(shí)還了解到本學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀及新的研究方法。

培養(yǎng)學(xué)生的科研能力首先要培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。教師可以鼓勵(lì)學(xué)生閱讀相關(guān)書籍,如《力學(xué)與未來生活》、《時(shí)間簡(jiǎn)史》等,組織關(guān)于力學(xué)應(yīng)用的學(xué)術(shù)講座,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到力學(xué)知識(shí)來源于生活和工程實(shí)踐,能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)力學(xué)課程的認(rèn)同感,明確學(xué)習(xí)目的。

在教學(xué)過程中學(xué)生充分利用已有的知識(shí),通過教師的正確引導(dǎo),就能從專業(yè)角度開展一些初步的科研訓(xùn)練。有限元法的出現(xiàn)為力學(xué)開拓了廣闊的前景,也為力學(xué)注入了新的活力?；谟邢拊ǖ腃AE軟件具有廣泛的適用性,成為工程師解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的有力工具。指導(dǎo)學(xué)生用有限元軟件開展一些計(jì)算工作,如圖1所示的梁彎曲變形內(nèi)力分析與圖2所示的鳥巢結(jié)構(gòu)分析,不僅有助于學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)、理解和領(lǐng)悟,更有助于增強(qiáng)參與意識(shí),提高學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)解決實(shí)際力學(xué)問題的能力,提升發(fā)散性思維能力和科學(xué)研究能力[11-13]。

圖1　梁彎曲變形內(nèi)力分析

圖2　鳥巢有限元結(jié)構(gòu)分析

5　結(jié)語

本文針對(duì)工科基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究,提出不照搬教材、對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行分解重組的重要性及相應(yīng)的方法,經(jīng)過多年的教學(xué)探索與實(shí)踐,有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力。

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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(xué)改革研究項(xiàng)目“基于國家級(jí)特色專業(yè)的車輛工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)”

李麗君(1977年—),女,山東淄博,博士,副教授,研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)、結(jié)構(gòu)分析.

E-mail:lilijun@sdut.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0214- 03