材料力学研讨式四步教学法研究_李斌

材料力学研讨式四步教学法研究

李 斌, 陈积光, 钟 豪

(湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006)

摘 要: 材料力学是土建类、机械类、材料类等工科专业关键性专业基础课, 是学生走进科学技术领域的先导课程. 本文提出“创设问题情境—师生互动”研讨式四步教学法, 以“计算线弹性结构位移的能量方法”专题为例介绍了该方法在材料力学课程中的应用情况和实施效果, 并指出研讨式教学应该注意和有待完善的问题. 实践证明, 材料力学课程研讨式四步教学法优于传统教学法, 有助于培养学生的各项能力.

关键词: 研讨式四步教学法; 材料力学; 自主和协作学习; 创新能力

中图分类号: G642.41; G644 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2017)01-0078-04

Research on Four-step Discussing Teaching and

Studying Method in Material Mechanics Teaching

LI Bin, CHEN Jiguang, ZHONG Hao

(Collelge of Civil Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Abstract : As an important specialized basic course in the civil engineering specialty, enginery specialty and material specialty, material mechanics is a forerunner course which is to lead students into the fields of science and technology. In this paper, a

discussing teaching and studying method of “Creating the question context—Teacher-student interaction” is presented. The effect and application status of the method with special subject on “Calculation of displacement of linear elastic structure with energy method” is introduced. And some problems and issues unresolved are pointed out. The practice shows that the four-step discussing teaching and studying method is more effective than traditional teaching method, which contributes to overall development of students.

Key words : four-step discussing teaching and studying method, material mechanics, autonomous and cooperative learning, innovative ability

材料力学是土建类、机械类、材料类等工科专业关键性专业基础课[1], 对培养学生的力学知识、工程

意识、实践创新能力和工作作风起着至关重要的作用[2]. 材料力学课程概念众多、

理论性强、内容抽象, 教学内容和教学方法相对固定. 如何优化课程体系, 优选教学内容, 使学生充分掌握力学基础知识、实现人才培养目标, 是在目前少学时教学体制下, 材料力学教学中应当重点关注的问题. 笔者于2014年5月获得了开展材料力学研讨课教学研究的资格, 在近2年的教学实践过程中, 以基本概念和基本原理为主线, 缩减或删除课程中不必要的内容, 充分调整课程体系. 对研讨式教学模式进行了积极探索与实践, 取得了一定的成效.

1 材料力学研讨式四步教学法

研讨式教学法源于早期的德国大学[2], 是以探索问题、解决问题为核心的教学方式. 在材料力学课程中, 将“教师提出问题—学生回答问题”转变为“创设问题情境—师生互动”, 在教学目标上变“授人以鱼”为“授人以渔”, 由学生自主查找资料、学习研究、实践探索, 提出解决问题的方法. 形成了一套较为稳定的教学活动结构框架和教学活动程序(图1), 具体分为以下四个步骤:

(1) 精选内容,创设问题情境. 研讨课程的情景创设及其新颖性是研讨式教学取得良好效果的前提. 并非每一章节的内容都适合研讨式教学, 也并非每一个研讨内容适合每一位学生. 这就需要教师充分了

收稿日期: 2016-09-12

基金项目: 湖南省教改课题(教科规xjk014cgd036); 湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(湘教通[2015]269号)

作者简介: 李 斌(1981− ), 男, 浙江绍兴人, 博士生, 湖南理工学院土木建筑工程学院讲师. 主要研究方向: 基础力学与工程应用

第30卷 第1期 湖南理工学院学报(自然科学版) Vol.30 No.1 2017年3月 Journal of Hunan Institute of Science and Technology (Natural Sciences) Mar. 2017DOI:10.16740/43-1421/n.2017.01.015

第1期 李 斌, 等: 材料力学研讨式四步教学法研究 79 解授课班级学生的基本情况以及不同层次学生的需求和差异性, 研讨内容和研讨过程应有机会融合教师在该课程及相关领域中的研究成果, 其深度、广度、难易程度和新颖程度应当符合绝大部分学生的基础知识、智力水平、学习习惯以及心理特点等[3, 4]. 恰当地挠到学生的“痒”处, 让学生在问题情境中触发思考、有所领悟.

材料力学研讨课精选了理想变形体三个基本假设、杆件拉压胡克定律的内容及应用、薄壁圆筒扭转应力公式与空心圆筒扭转应力公式误差对比及原因分析、绘制梁剪力图和弯矩图的综合方法、计算线弹性结构位移的能量方法[5]、应力状态和强度理论之间的关系、复杂应力状态下的连接件实用计算方法、实际压杆的稳定计算等八个研讨专题.

(2) 情境导讲, 引领研讨进程. 情境导讲是研讨式教学过程中的重要环节. 由教师和学生共同对问题情境的研究前提和现状进行综述, 明确研讨任务及其必要性. 然后由教师讲授必备的力学知识、数学知识、基本原理等, 打下研讨的理论基础. 同时对学生的研究方法和研究路线进行指导, 保证研讨的可行性. 从而引领他们正确、快速、积极地进入学习和研讨进程.

(3) 自主协作, 探究力学知识. 按照力学问题

情境的内容和性质, 采用课后作业、个人学习报告、

小组报告等形式, 展开自主学习. 其中小组报告形

式, 需要将全班学生按照其特点分为多个探究小组.

利用各自所学的知识和特长, 合理分工, 集体讨论,

共同给出解决方案. 在这个过程中, 学生以问题为

中心, 积极主动地参与学习的整个过程, 动脑想、动

手做、动口说. 主动查阅资料、分析研究、提出课

题解决方法, 形成研究成果. 把学习的过程转变成

发现的过程, 教师仅起辅助作用.

(4) 研讨总结, 拓宽创新思维. 师生共同就课

题成果进行讨论, 着重培养学生独立思考、语言表

达、自我评价等能力. 重点探讨学生在学习过程中

对知识理解的合理性、系统性. 遇到新问题, 视难易

程度即时研讨解决或作为下一个新的问题情境进行

研讨. 2 研讨式四步教学法实施案例

这里以“计算线弹性结构位移的能量方法”为例介绍研讨式教学的实施情况.

材料力学课程用于结构位移的求解, 主要介绍了利用梁的挠曲线近似微分方程、叠加法以及能量法等三种方法[6]. 其中, 利用梁的挠曲线近似微分方程求解位移, 求解思路清晰简明, 但是需要通过(分段)积分并求解(多元)线性方程组. 该方法容易掌握, 但求解过程复杂. 通过充分利用现有“简单荷载作用下梁的转角和挠度表”结合线弹性结构小变形假设下叠加原理成立的条件计算结构的位移, 即为叠加法. 但是由于“简单荷载作用下梁的转角和挠度表”荷载和结构形式有限, 因而往往需要充分利用力和位移的协调条件对结构进行拆分及等价处理, 但这种处理能力往往是学生所欠缺的. 因此, 尽管该方法求解原理简明, 但很难正确实施. 而且以上方法一般只适用于梁和简单刚架的位移计算, 对于复杂刚架、桁架以及组合结构等结构的位移计算则存在困难.

能量法是指利用功能原理求解问题的方法. 在材料力学课程中, 采用能量法计算结构位移的方法包括简单功能原理、卡氏定理、虚位移原理等. 其中, 简单的功能原理W V ε=可以求解单个集中荷载作用下, 图1 材料力学研讨式四步教学法