工程力學(xué)課探究式教學(xué)設(shè)計探討*

林毅貞

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 陽江 529500）

工程力學(xué)課探究式教學(xué)設(shè)計探討*

林毅貞

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 陽江 529500）

結(jié)合高職學(xué)生的特點，從探究式教學(xué)的理論出發(fā)，對《工程力學(xué)》教材中的“提高梁的強度與剛度的措施”內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計進行了探討。

工程力學(xué)；措施；探究；教學(xué)設(shè)計

實驗探究與理論探究相結(jié)合的教學(xué)模式是當(dāng)前教育改革的一種新的教學(xué)模式，它是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，運用已有的知識與技能，充當(dāng)新知識的探索者和發(fā)現(xiàn)者，通過自己設(shè)計方案，將實驗與理論相結(jié)合，去探索問題和解決問題的一種教學(xué)模式。這種教學(xué)模式需要創(chuàng)設(shè)探究情境，通過學(xué)生的猜想和設(shè)計實驗進行實驗操作，運用理論分析驗證，獲得新知識。其基本結(jié)構(gòu)是：問題——實驗事實、理論推導(dǎo)——結(jié)論——應(yīng)用。

采取“實驗探究與理論探究”相結(jié)合的教學(xué)模式進行高職力學(xué)課堂教學(xué)是力學(xué)教育工作者積極研究的問題，本文擬對高職《工程力學(xué)》教材中的“提高梁的強度與剛度的措施”內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計進行探討。

教學(xué)特點分析

教學(xué)內(nèi)容分析 “提高梁的強度與剛度的措施”是高職高專《工程力學(xué)（少學(xué)時）》（張定華主編）第八章“平面彎曲梁的強度與剛度”第七節(jié)的內(nèi)容，學(xué)生在此之前已學(xué)習(xí)過了強度與剛度的概念，本課屬于解決工程力學(xué)問題的內(nèi)容。

學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析 高職生入學(xué)成績參差不齊，文化基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)困難較大，若采取“滿堂灌”的教學(xué)方法，難免會使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，達不到良好的學(xué)習(xí)效果。但高職學(xué)生樂于動手，勇于探究，自我表現(xiàn)意識較強，這些特點為開展探究式教學(xué)提供了重要的基礎(chǔ)。

設(shè)計思想 為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決實際問題的能力，本課采用實驗探究與理論論證相結(jié)合的科學(xué)研究方法，通過提出問題，然后分組探究，在實驗、觀察、分析、比較、歸納的基礎(chǔ)上得出實驗結(jié)果，再進一步通過理論分析、論證，得到提高梁的強度與剛度的措施，實現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 理解提高梁的強度與剛度的措施；能應(yīng)用實驗與理論分析和解決一些工程問題。

過程和方法 培養(yǎng)學(xué)生提出科學(xué)猜想和假設(shè)的能力；通過理論分析與論證的過程，使學(xué)生受到理性思維的訓(xùn)練；學(xué)會用控制變量法研究問題；提高學(xué)生分析、解決實際問題的能力。

情感態(tài)度和價值觀 體驗實驗和理論對科學(xué)探究的作用，培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、科學(xué)精神。

教學(xué)過程

（一）演示實驗，引出問題

演示實驗 如圖1所示，一條橫截面是矩形的細長木梁，放在兩個支座上。在梁上施加載荷F(如圖2)，學(xué)生觀察現(xiàn)象并描述現(xiàn)象：梁變得彎曲了。繼續(xù)增大載荷（如圖3），學(xué)生觀察現(xiàn)象并描述現(xiàn)象：隨著F的增大，梁的彎曲程度增大，最后梁發(fā)生斷裂。教師引導(dǎo)：梁彎曲和斷裂的原因是什么?學(xué)生回答：力F太大；梁太細，木材容易斷；支座間的距離太長等。教師引導(dǎo)：以上的原因可以歸結(jié)為什么？學(xué)生：梁的強度與剛度不夠。

圖1 演示圖

圖2 在梁上施加載荷F圖

圖3 粱斷裂圖

引出問題 （1）要提高梁的強度與剛度，可采取哪些措施？（2）如何用實驗或理論來驗證猜想？由演示實驗開門見山提出問題，引入所要研究的課題，引發(fā)學(xué)生設(shè)計解決問題的欲望。

（二）提出猜想，探索問題

教師鼓勵學(xué)生大膽猜想，對于提高梁的強度與剛度，可采取哪些措施？學(xué)生提出不同想法：（1）增大梁的橫截面積；（2）縮短支承間的距離；（3）使梁加固加粗；（4）改變梁的形狀，做成拱形；（5）在梁中間多加支承；（6）改變梁的構(gòu)成材料；（7）把載荷分散；（8）改變梁的橫截面形狀；（9）改變外力作用點的位置。當(dāng)學(xué)生認(rèn)為已提出足夠多的觀點時，教師鼓勵他們進一步思考，在這些觀點中，有哪些是用來提高梁的強度與剛度，并且在滿足梁的抗彎能力前提下盡量減少消耗材料。學(xué)生根據(jù)已有的知識，分析（1）、（3）是可以提高梁的強度與剛度，但是如果梁太粗的話，會浪費材料，增加成本。

（三）收集證據(jù)，進行解釋

根據(jù)教師的提示，學(xué)生兩人一組，挑出自己認(rèn)為正確的措施，根據(jù)桌子上的實驗器材，擬定實驗方案，進行實驗。教師提示學(xué)生，在實驗過程中要注意控制變量。教師在巡視過程中，注意學(xué)生設(shè)計是否合理。學(xué)生做完實驗后，教師進一步要求學(xué)生上升到理論探究高度。學(xué)生一邊查資料，一邊討論，氣氛熱烈。教師走到學(xué)生當(dāng)中，仔細傾聽他們的想法。然后，教師要求小組向全班學(xué)生解釋他們的想法。主要是培養(yǎng)學(xué)生的獨立操作能力和理論聯(lián)系實際的方法，造就一種和諧、親密、積極參與的教學(xué)氣氛。

（四）分析與論證

教師要求小組向全班學(xué)生解釋他們的想法。一組學(xué)生走上講臺，邊演示邊介紹。

圖4 示意圖

圖5 支承位置改變前后的梁的彎矩圖

措施二：增加支座 實驗很簡單，在原簡支梁中點增加一支座，變成靜不定梁。梁的彎曲程度明顯減少（如圖6所示）。這說明增加支座也能提高梁的強度與剛度。教師引導(dǎo)學(xué)生進一步用理論論證，學(xué)生畫出梁的彎矩圖，發(fā)現(xiàn)最大彎矩為0.03125ql2，比簡支梁減小了75%，說明梁的強度顯著增加。教師充分肯定學(xué)生的探究過程和理論論證過程，并進一步總結(jié)這個措施是可行的。第三組學(xué)生走上講臺，邊演示、邊講解。

措施三：調(diào)整外力作用點位置 實驗儀器：一把30cm的直尺，一個200g的砝碼，兩個支座。實驗時，把直尺放在兩個支座上面，在直尺的中間加砝碼，直尺彎曲的程度大；把砝碼靠近支座時，直尺彎曲的程度?。ㄈ鐖D7所示）。可見把外力從梁的中間移向靠近支座處，可提高梁的強度與剛度。教師鼓勵學(xué)生進行理論論證，學(xué)生大膽地在黑板上畫出上面兩種情況的彎矩圖（如圖8所示）并分析：把外力從梁的中點移向靠近支座處0.1l，最大的彎矩由0.25Fl降低為0.09Fl，再向左移最大彎矩更低，梁的強度與剛度更大。教師指出在實驗與理論的證明下，這種措施是可行的；同時鼓勵學(xué)生繼續(xù)探討。第四組學(xué)生走上講臺，邊講解、邊演示。

圖6 加一支座彎曲程度減少

圖7 砝碼靠近支座 直尺彎曲程度對比圖

圖8 彎矩圖

措施四：分散集中力 實驗儀器：一把30cm的直尺，一個200g的砝碼，兩個100 g的砝碼，兩個支座。實驗時，把直尺放在兩個支座上面，在直尺的中間加一個200g砝碼，直尺彎曲的程度大；再把200g砝碼去掉，等距離放上兩個100g的砝碼，直尺彎曲的程度?。ㄈ鐖D9所示）?？梢?，分散集中力可以提高梁的強度與剛度。學(xué)生進行理論論證：畫出上面兩種情況的彎矩圖（如圖10所示），將一個集中力分散為兩個F/2，最大彎矩值由Fl/4降低為Fl/8，將顯著提高梁的強度和剛度。教師在全體學(xué)生認(rèn)同了這種方法后，提出下一個問題：兩根形狀、大小、材料相同的梁，支承情況相同，承載能力是否相同？學(xué)生積極討論后，有兩種看法，一種是“相同”，另一種是“不同”。教師鼓勵學(xué)生驗證自己的猜想。第五組學(xué)生走上講臺，先進行理論論證，再實驗證明。

圖9 砝碼位置變化對直尺彎曲度的影響圖

圖10 兩種情況的彎矩圖

圖11 情況示意圖

措施六：把矩形截面梁改造成槽形。實驗儀器：一塊長條形紙板，兩個支座 先把長條形紙板放在兩個支座上，在重力的作用下，紙板彎曲的程度較大；再把長條形紙板折成槽形，放在兩個支座上，槽形紙板幾乎沒彎（如圖12所示）。教師提問：除了把橫截面改成槽型外，還可以改成什么形狀?學(xué)生：工字形、箱形、空心圓環(huán)形。教師引導(dǎo)學(xué)生通過查資料，知道在截面積相同的情況下，彎曲截面系數(shù)Wz從大到小的排列順序是：工字形截面、空心截面、矩形截面。另外，教師引導(dǎo)學(xué)生從正應(yīng)力的角度分析：梁彎曲時，中性軸的正應(yīng)力等于零，遠離中性軸的截面邊緣正應(yīng)力最大，平放矩形截面中性軸附近分布材料最多，工作應(yīng)力低，材料沒有得到充分利用，工字形和空心截面在中性軸附近分布材料少，材料多分布在遠離中性軸的邊緣，是合理截面。教師再次提問：提高梁的強度與剛度還有別的措施嗎？有很多學(xué)生舉手，教師請一位學(xué)生回答。

圖12 把矩形截面梁改造成槽形效果圖

措施七:改變梁的構(gòu)成材料 由經(jīng)驗知道，用鋼材代替木材，可提高梁的強度與剛度。教師：你能否根據(jù)所學(xué)的知識來說明？學(xué)生：鋼材具有良好的強度和剛度指標(biāo)，有利于提高構(gòu)件的承載能力。教師引導(dǎo)：選擇具有良好的強度和剛度指標(biāo)的材料，如用鋼材代替木材，有利于提高構(gòu)件的承載能力，這是不言而喻的道理。但是對于優(yōu)質(zhì)鋼和普通鋼，剛度指標(biāo)E≈200GPa差別不大，而且優(yōu)質(zhì)鋼往往價格昂貴，在滿足承載能力的前提下，應(yīng)盡可能選用價格低廉的普通鋼材。學(xué)生表示還有一種措施。

措施八：采用變截面梁 實驗儀器：八條木條，一個砝碼，兩個支座。實驗時，把四條木條疊放在一起，置于支座上，在上面加一個砝碼；再把三根木條折斷，折成長短不一的三段，再與一條原長的木條疊放一起，用透明膠固定，放于支座上（如圖13所示）。教師引導(dǎo)學(xué)生通過理論來說明：等截面梁在彎曲時各截面的彎矩是不相等的，如果以最大彎矩來確定截面尺寸，則除彎矩最大的截面外，其余截面的應(yīng)力均低于彎矩最大的截面，這時材料就沒有得到充分利用，為了減輕自重，并充分發(fā)揮單位材料的抗彎能力，可使梁截面沿軸線變化，以達到各截面上的最大正應(yīng)力都近似相等，這種梁被稱為等強度梁。又有一學(xué)生提出他的一種措施，教師鼓勵他把措施和實驗展現(xiàn)出來。

措施九：把直梁改成拱形梁 學(xué)生走上講臺，做起了實驗，他把一張紙條放在兩支座上，在紙上放一個10g的砝碼，紙和砝碼跌落下來；他把紙彎成拱形，再在紙中央放10g的砝碼，砝碼被紙托住了。這說明把直梁做成拱形梁，會提高其強度與剛度，增大其承載能力。教師詢問學(xué)生能否通過理論來證明？學(xué)生回答不出來，教師提示由學(xué)生課后進行理論探索。

圖13 采用變截面梁示意圖

結(jié)語

提高梁的強度與剛度的措施有：（1）適當(dāng)縮短支承間的距離；（2）增加支座；（3）把外力從梁的中間移向靠近支座處；（4）分散集中力；（5）矩形截面梁，采用豎放的放置方式；（6）把矩形截面梁改造成槽形、工字形梁；（7）改變梁的構(gòu)成材料；（8）采用變截面梁；（9）把直梁改成拱形梁。同時對以下三個問題進行討論：（1）龍門吊車和鍋爐筒體，支座都內(nèi)移（如圖14），是什么原因？（2）在傳動軸之間再增加一個中間支座；車制細長工件時，在卡盤和尾座之間再增加一個中間支架 （如圖15），目的是什么？（3）大梁式吊車將電動葫蘆移到靠近立柱處可以吊起更大的重物（如圖16），為什么？

圖14 龍門吊車和鍋爐筒體，支座都內(nèi)移圖

圖15 示意圖

圖16 吊車示意圖

實踐表明，探究式教學(xué)可以更好地促進學(xué)生主動思考，改善課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，并使學(xué)生得到愉快的學(xué)習(xí)體驗；探究式教學(xué)還可以提高學(xué)生的交流合作能力、解決實際問題的能力及實踐能力。

[1]科學(xué)探究附屬讀物編委會.科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)——教與學(xué)的指南[M].羅星凱，等，譯.北京:科學(xué)普及出版社，2004.

[2]靳玉樂.探究教學(xué)論[M].重慶:西南師范大學(xué)出版社，2001.

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[5]張定華.工程力學(xué)(少學(xué)時)[M].北京:高等教育出版社，2000.

林毅貞（1972—），女，碩士，陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系講師，研究方向為物理教育。

*本文系陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題《項目教學(xué)法在機械設(shè)計與制造教學(xué)中的應(yīng)用研究》（課題編號：2010jgyb04)的階段性研究成果

G712

A

1672-5727（2010）11-0085-03