知識(shí)遷移能力在《材料力學(xué)》課程學(xué)習(xí)中的培養(yǎng)

劉燦昌　剛憲約　許英姿　云海　李磊

摘要：學(xué)生知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的重要途徑，知識(shí)遷移能力的提高對(duì)學(xué)習(xí)效果有顯著的影響。本文以材料力學(xué)課程中拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力理論學(xué)習(xí)過(guò)程為例，探討如何培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力，提高學(xué)生自身的學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)遷移；材料力學(xué)；桿件變形

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）50-0226-02

學(xué)生學(xué)習(xí)是一個(gè)知識(shí)累積的過(guò)程，基于已有知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，在意志力約束和興趣等因素的引導(dǎo)下，記憶和理解新知識(shí)，再通過(guò)對(duì)知識(shí)的應(yīng)用訓(xùn)練，內(nèi)化為學(xué)習(xí)者自身知識(shí)，達(dá)到學(xué)習(xí)知識(shí)、培養(yǎng)能力的目的。在利用舊知識(shí)學(xué)習(xí)新知識(shí)的過(guò)程中，需要用到不同的學(xué)習(xí)能力，其中，知識(shí)遷移能力是其中一種重要的學(xué)習(xí)能力。

一、什么是知識(shí)遷移能力

知識(shí)遷移能力是指利用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)去主動(dòng)獲取新知識(shí)的能力，新舊知識(shí)之間具有一定的聯(lián)系和區(qū)別，利用知識(shí)學(xué)習(xí)的類似性，降低新知識(shí)學(xué)習(xí)難度，是一種具有較高學(xué)習(xí)效率的學(xué)習(xí)方法。

二、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力

以材料力學(xué)桿件軸向拉壓、軸的扭轉(zhuǎn)和梁的彎曲應(yīng)力公式推導(dǎo)為例，說(shuō)明遷移能力在材料力學(xué)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，闡明基于學(xué)習(xí)遷移能力的教學(xué)過(guò)程。

1.建構(gòu)完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)遷移。遷移能力培養(yǎng)是一個(gè)學(xué)習(xí)程序化過(guò)程。首先，讓學(xué)生具有某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)，從該知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，遷移到與該知識(shí)點(diǎn)具有類似知識(shí)結(jié)構(gòu)的新的知識(shí)區(qū)域?qū)W習(xí)。其次，要指導(dǎo)學(xué)生了解新舊知識(shí)間的聯(lián)系，由已知知識(shí)去學(xué)習(xí)新知識(shí)，降低學(xué)生理解的門檻，提高學(xué)習(xí)效率。最后，還要明確新舊知識(shí)間的區(qū)別，避免機(jī)械遷移的發(fā)生，做到舉一反三，而不是機(jī)械的照貓畫(huà)虎。例如，材料力學(xué)中，首先要把軸向拉壓的應(yīng)力分析講解清楚，讓學(xué)生學(xué)會(huì)軸向拉壓應(yīng)力的分布和由來(lái)，清楚理解應(yīng)力和應(yīng)變物理關(guān)系，全面掌握軸向拉壓的強(qiáng)度理論，學(xué)會(huì)利用應(yīng)力理論分析和解決問(wèn)題。然后，以該知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和梁的彎曲受力理論，桿件破壞準(zhǔn)則等知識(shí)點(diǎn)。因?yàn)檫@三者在知識(shí)結(jié)構(gòu)和理論本質(zhì)規(guī)律上有相同點(diǎn)，可以遷移學(xué)習(xí)，通過(guò)簡(jiǎn)單地分析桿的拉壓應(yīng)力分布，經(jīng)學(xué)習(xí)遷移，就可得知軸的扭轉(zhuǎn)和梁的彎曲的應(yīng)力分布。降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了學(xué)習(xí)效率。

2.設(shè)計(jì)合理的教學(xué)程序，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)遷移。知識(shí)遷移能力培養(yǎng)要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。教學(xué)過(guò)程中，一方面要注意遷移前知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有全面深入學(xué)習(xí)，讓學(xué)生熟練掌握和理解，另一方面教學(xué)過(guò)程要按照提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論和應(yīng)用推廣的認(rèn)知規(guī)律展開(kāi)。例如，在分析軸向拉壓桿的拉壓應(yīng)力分布情況時(shí)，對(duì)桿兩側(cè)施加沿軸向的拉力，為了便于觀察仿真實(shí)驗(yàn)效果，在桿上畫(huà)上三條橫向線和縱向線，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)所有的縱向線均伸長(zhǎng)，并且伸長(zhǎng)量相等，所有的橫向線變形后仍為直線，仍然垂直于軸線，只是發(fā)生了沿軸線方向的平移。在分析仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出變形橫截面為平面的假設(shè)，即：變形前為平面的橫截面，變形后仍保持為平面；橫截面仍與桿件的軸線垂直；根據(jù)平面假設(shè)，可知所有縱向纖維具有相同的伸長(zhǎng)量。再根據(jù)材料的均勻性，所有縱向纖維具有相同的力學(xué)性能，因此，各縱向纖維受力相等。經(jīng)過(guò)以上分析，得出軸力與橫截面垂直，軸力會(huì)在橫截面上產(chǎn)生正應(yīng)力，橫截面上各點(diǎn)的應(yīng)力相等的結(jié)論。以桿件應(yīng)力分析過(guò)程為模板，采用同樣的分析方法分析扭轉(zhuǎn)變形應(yīng)力分布和梁彎曲變形正應(yīng)力的分布。通過(guò)利用知識(shí)遷移能力，降低了學(xué)習(xí)扭轉(zhuǎn)和梁的彎曲變形應(yīng)力分析的難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，并培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)遷移。在學(xué)習(xí)某些新知識(shí)的過(guò)程中，還需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)良好的問(wèn)題情境，做好新舊知識(shí)內(nèi)容之間銜接，降低知識(shí)難點(diǎn)理解的難度，逐步啟發(fā)完成學(xué)習(xí)遷移。例如，在學(xué)習(xí)桿的扭轉(zhuǎn)特性之前，創(chuàng)設(shè)與拉壓猜想同樣的問(wèn)題：在扭轉(zhuǎn)的情況下，需要假設(shè)等直圓桿的什么特性，實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)是什么，得出什么結(jié)論。讓學(xué)生發(fā)散思維，開(kāi)放思想，按研究桿的拉壓特性的步驟學(xué)習(xí)遷移到軸的扭轉(zhuǎn)特性中。提出等直圓桿的應(yīng)力如何分布問(wèn)題。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明各圓周線的大小、形狀、間距保持不變，半徑仍保持為直線，軸向無(wú)伸縮，縱向線變形后仍近似為直線，只是傾斜了一個(gè)角度。由扭轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)得到扭轉(zhuǎn)的平面假設(shè)。得出切應(yīng)力分布公式，符合試驗(yàn)結(jié)果。

4.運(yùn)用比較方法，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)遷移。理清相關(guān)知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系與區(qū)別，增強(qiáng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中知識(shí)概念的可利用性、清晰性和穩(wěn)定性，才能促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移的完成。因而要注重比較方法的應(yīng)用，有鑒別的進(jìn)行知識(shí)遷移，深入理解知識(shí)應(yīng)用環(huán)境，概念的內(nèi)涵與外延，自覺(jué)形成遷移能力，避免機(jī)械式照抄照搬，張冠李戴。《材料力學(xué)》課程中，在學(xué)習(xí)拉壓和扭轉(zhuǎn)特性后，通過(guò)比較，分析彎曲與前兩者的不同之處和相同之處，便可得出彎曲的應(yīng)力分布情況，仍然需要按照拉壓和扭轉(zhuǎn)的思路分析彎曲情形。首先觀察仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)梁施加一對(duì)正彎矩，可觀察到，縱向線的長(zhǎng)度發(fā)生變化、兩橫截面的夾角發(fā)生變化、橫截面的寬度發(fā)生變化，縱向線由直線變成曲線、橫向線相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，但仍然與縱向弧線垂直。其次，提出桿件變形基本假設(shè)，采用平面假設(shè)，即變形前為平面的橫截面變形后仍保持為平面，橫截面繞某一軸線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。進(jìn)行桿件應(yīng)力分布推想，因觀察到縱向纖維之間有無(wú)相互作用力，所以推想縱向纖維之間沒(méi)有相互擠壓，各縱向纖維只是發(fā)生了簡(jiǎn)單的軸向拉伸或壓縮。最后得出應(yīng)力分布結(jié)論，因彎曲情況比較復(fù)雜，梁不僅有正應(yīng)力作用，也存在切應(yīng)力，因此，再引入中性層這一概念，通過(guò)變形幾何關(guān)系、物理關(guān)系和靜力學(xué)關(guān)系公式，可以得出梁的正應(yīng)力與點(diǎn)到中性軸的距離成正比，沿截面高度線性分布；沿截面寬度均勻分布；正彎矩作用下，上壓下拉；危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，離開(kāi)中性軸最遠(yuǎn)處。通過(guò)對(duì)比學(xué)習(xí)，學(xué)生能調(diào)取已有的知識(shí)，學(xué)習(xí)梁彎曲與桿件拉壓和軸的扭轉(zhuǎn)等相同規(guī)律的知識(shí)點(diǎn)，再利用對(duì)比分析，學(xué)習(xí)與桿件拉壓和軸的扭轉(zhuǎn)等不同的知識(shí)點(diǎn)，全面掌握梁的應(yīng)力分布規(guī)律。

三、學(xué)習(xí)遷移能力與總結(jié)能力相配合

由于學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、思維定式以及教師的教學(xué)觀念、教學(xué)方法等導(dǎo)致學(xué)習(xí)知識(shí)的單向性，即學(xué)生可正向推出結(jié)論，而不知方法的應(yīng)用。這影響或干擾新的學(xué)習(xí)，易造成知識(shí)點(diǎn)碎片化，無(wú)法建立起整體的知識(shí)構(gòu)架，因此，在運(yùn)用學(xué)習(xí)遷移能力的構(gòu)成中，需要學(xué)會(huì)總結(jié)方法。例如，在對(duì)比、統(tǒng)一地分析拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力分布之后，總結(jié)出推導(dǎo)正應(yīng)力方法：①理想模型法：通過(guò)純彎曲（剪力為零，彎矩為常數(shù)）得出橫力彎曲；②通過(guò)“實(shí)驗(yàn)—觀察—假設(shè)”，提出梁彎曲假設(shè)；③通過(guò)外力判斷內(nèi)力的大小和方向，然后運(yùn)用應(yīng)力法；④運(yùn)用三關(guān)系法，即變形幾何關(guān)系、物理關(guān)系、靜力學(xué)關(guān)系；⑤用數(shù)學(xué)方法計(jì)算應(yīng)力，即可通過(guò)積分計(jì)算應(yīng)力，再通過(guò)應(yīng)力公式計(jì)算得到內(nèi)力。

1.強(qiáng)化基本概念內(nèi)涵與外延的教學(xué)。教師應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念的理解，注重概念的內(nèi)涵與外延教學(xué)，學(xué)生只有在清楚理解概念的基礎(chǔ)上，才能發(fā)揮知識(shí)遷移的作用，自覺(jué)的擴(kuò)大新知識(shí)的范圍，克服“死記硬背、生搬硬套”的現(xiàn)象，防止學(xué)習(xí)負(fù)遷移的產(chǎn)生。

2.運(yùn)用比較方法，防止知識(shí)的錯(cuò)誤遷移。教學(xué)中有許多相近的概念或原理，雖本質(zhì)不同，但有共同點(diǎn)，在教學(xué)中若忽視這些概念或原理之間的混同性、交錯(cuò)性干擾，勢(shì)必產(chǎn)生負(fù)遷移。因此要針對(duì)一些容易混淆的概念或原理，讓學(xué)生通過(guò)比較、鑒別、識(shí)別真?zhèn)危⒆寣W(xué)生說(shuō)出錯(cuò)誤的原因和正確的理由。

3.培養(yǎng)靈活遷移能力，防止定式思維干擾。教學(xué)中必須指導(dǎo)學(xué)生從橫向和縱向、正向和負(fù)向的角度來(lái)分析和思考問(wèn)題，掌握靈活的遷移能力，特別是解題過(guò)程中不能生搬已掌握的解題模式去解題，致使形成思維定式，產(chǎn)生干擾，得出錯(cuò)誤的解答。

四、結(jié)論

教學(xué)中教師要幫助學(xué)生理清新舊知識(shí)間的相互關(guān)系，強(qiáng)化基本概念和原理的教學(xué)，通過(guò)多種方法來(lái)提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力，從而促進(jìn)學(xué)生形成學(xué)習(xí)的正遷移能力，增強(qiáng)總結(jié)能力，以不斷提高學(xué)生的能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

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