知識遷移能力在《材料力學》課程學習中的培養(yǎng)

劉燦昌　剛憲約　許英姿　云海　李磊

摘要：學生知識遷移能力的培養(yǎng)是提高學生學習效率的重要途徑，知識遷移能力的提高對學習效果有顯著的影響。本文以材料力學課程中拉壓、扭轉和彎曲應力理論學習過程為例，探討如何培養(yǎng)學生的知識遷移能力，提高學生自身的學習能力。

關鍵詞：學習遷移；材料力學；桿件變形

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0226-02

學生學習是一個知識累積的過程，基于已有知識，通過學習能力培養(yǎng)，在意志力約束和興趣等因素的引導下，記憶和理解新知識，再通過對知識的應用訓練，內化為學習者自身知識，達到學習知識、培養(yǎng)能力的目的。在利用舊知識學習新知識的過程中，需要用到不同的學習能力，其中，知識遷移能力是其中一種重要的學習能力。

一、什么是知識遷移能力

知識遷移能力是指利用已有的知識經驗去主動獲取新知識的能力，新舊知識之間具有一定的聯(lián)系和區(qū)別，利用知識學習的類似性，降低新知識學習難度，是一種具有較高學習效率的學習方法。

二、培養(yǎng)學生的學習遷移能力

以材料力學桿件軸向拉壓、軸的扭轉和梁的彎曲應力公式推導為例，說明遷移能力在材料力學教學過程中的應用，闡明基于學習遷移能力的教學過程。

1.建構完善的知識結構，幫助學生學習遷移。遷移能力培養(yǎng)是一個學習程序化過程。首先，讓學生具有某個知識點的完整知識結構，從該知識點出發(fā)，遷移到與該知識點具有類似知識結構的新的知識區(qū)域學習。其次，要指導學生了解新舊知識間的聯(lián)系，由已知知識去學習新知識，降低學生理解的門檻，提高學習效率。最后，還要明確新舊知識間的區(qū)別，避免機械遷移的發(fā)生，做到舉一反三，而不是機械的照貓畫虎。例如，材料力學中，首先要把軸向拉壓的應力分析講解清楚，讓學生學會軸向拉壓應力的分布和由來，清楚理解應力和應變物理關系，全面掌握軸向拉壓的強度理論，學會利用應力理論分析和解決問題。然后，以該知識點為基礎，分析軸的扭轉應力和梁的彎曲受力理論，桿件破壞準則等知識點。因為這三者在知識結構和理論本質規(guī)律上有相同點，可以遷移學習，通過簡單地分析桿的拉壓應力分布，經學習遷移，就可得知軸的扭轉和梁的彎曲的應力分布。降低了學習的難度，提高了學習效率。

2.設計合理的教學程序，引導學生學習遷移。知識遷移能力培養(yǎng)要符合學生的認知規(guī)律。教學過程中，一方面要注意遷移前知識的學習，對知識點有全面深入學習，讓學生熟練掌握和理解，另一方面教學過程要按照提出問題、分析問題、實驗驗證、得出結論和應用推廣的認知規(guī)律展開。例如，在分析軸向拉壓桿的拉壓應力分布情況時，對桿兩側施加沿軸向的拉力，為了便于觀察仿真實驗效果，在桿上畫上三條橫向線和縱向線，通過仿真實驗可以發(fā)現所有的縱向線均伸長，并且伸長量相等，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。在分析仿真實驗基礎上，提出變形橫截面為平面的假設，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；根據平面假設，可知所有縱向纖維具有相同的伸長量。再根據材料的均勻性，所有縱向纖維具有相同的力學性能，因此，各縱向纖維受力相等。經過以上分析，得出軸力與橫截面垂直，軸力會在橫截面上產生正應力，橫截面上各點的應力相等的結論。以桿件應力分析過程為模板，采用同樣的分析方法分析扭轉變形應力分布和梁彎曲變形正應力的分布。通過利用知識遷移能力，降低了學習扭轉和梁的彎曲變形應力分析的難度，提高學生學習效率，并培養(yǎng)了學生學習的興趣。

3.創(chuàng)設問題情境，啟發(fā)學生學習遷移。在學習某些新知識的過程中，還需要創(chuàng)設良好的問題情境，做好新舊知識內容之間銜接，降低知識難點理解的難度，逐步啟發(fā)完成學習遷移。例如，在學習桿的扭轉特性之前，創(chuàng)設與拉壓猜想同樣的問題：在扭轉的情況下，需要假設等直圓桿的什么特性，實驗特點是什么，得出什么結論。讓學生發(fā)散思維，開放思想，按研究桿的拉壓特性的步驟學習遷移到軸的扭轉特性中。提出等直圓桿的應力如何分布問題。進行仿真實驗，實驗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，軸向無伸縮，縱向線變形后仍近似為直線，只是傾斜了一個角度。由扭轉仿真實驗得到扭轉的平面假設。得出切應力分布公式，符合試驗結果。

4.運用比較方法，促進學生學習遷移。理清相關知識點間的聯(lián)系與區(qū)別，增強認知結構中知識概念的可利用性、清晰性和穩(wěn)定性，才能促進學習遷移的完成。因而要注重比較方法的應用，有鑒別的進行知識遷移，深入理解知識應用環(huán)境，概念的內涵與外延，自覺形成遷移能力，避免機械式照抄照搬，張冠李戴?！恫牧狭W》課程中，在學習拉壓和扭轉特性后，通過比較，分析彎曲與前兩者的不同之處和相同之處，便可得出彎曲的應力分布情況，仍然需要按照拉壓和扭轉的思路分析彎曲情形。首先觀察仿真實驗現象，對梁施加一對正彎矩，可觀察到，縱向線的長度發(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、橫向線相對旋轉一個角度，但仍然與縱向弧線垂直。其次，提出桿件變形基本假設，采用平面假設，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。進行桿件應力分布推想，因觀察到縱向纖維之間有無相互作用力，所以推想縱向纖維之間沒有相互擠壓，各縱向纖維只是發(fā)生了簡單的軸向拉伸或壓縮。最后得出應力分布結論，因彎曲情況比較復雜，梁不僅有正應力作用，也存在切應力，因此，再引入中性層這一概念，通過變形幾何關系、物理關系和靜力學關系公式，可以得出梁的正應力與點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；危險點的位置，離開中性軸最遠處。通過對比學習，學生能調取已有的知識，學習梁彎曲與桿件拉壓和軸的扭轉等相同規(guī)律的知識點，再利用對比分析，學習與桿件拉壓和軸的扭轉等不同的知識點，全面掌握梁的應力分布規(guī)律。

三、學習遷移能力與總結能力相配合

由于學生的認知結構、思維定式以及教師的教學觀念、教學方法等導致學習知識的單向性，即學生可正向推出結論，而不知方法的應用。這影響或干擾新的學習，易造成知識點碎片化，無法建立起整體的知識構架，因此，在運用學習遷移能力的構成中，需要學會總結方法。例如，在對比、統(tǒng)一地分析拉壓、扭轉、彎曲應力分布之后，總結出推導正應力方法：①理想模型法：通過純彎曲（剪力為零，彎矩為常數）得出橫力彎曲；②通過“實驗—觀察—假設”，提出梁彎曲假設；③通過外力判斷內力的大小和方向，然后運用應力法；④運用三關系法，即變形幾何關系、物理關系、靜力學關系；⑤用數學方法計算應力，即可通過積分計算應力，再通過應力公式計算得到內力。

1.強化基本概念內涵與外延的教學。教師應加強學生對基本概念的理解，注重概念的內涵與外延教學，學生只有在清楚理解概念的基礎上，才能發(fā)揮知識遷移的作用，自覺的擴大新知識的范圍，克服“死記硬背、生搬硬套”的現象，防止學習負遷移的產生。

2.運用比較方法，防止知識的錯誤遷移。教學中有許多相近的概念或原理，雖本質不同，但有共同點，在教學中若忽視這些概念或原理之間的混同性、交錯性干擾，勢必產生負遷移。因此要針對一些容易混淆的概念或原理，讓學生通過比較、鑒別、識別真?zhèn)?，并讓學生說出錯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。教學中必須指導學生從橫向和縱向、正向和負向的角度來分析和思考問題，掌握靈活的遷移能力，特別是解題過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，產生干擾，得出錯誤的解答。

四、結論

教學中教師要幫助學生理清新舊知識間的相互關系，強化基本概念和原理的教學，通過多種方法來提高學生自我學習的能力，從而促進學生形成學習的正遷移能力，增強總結能力，以不斷提高學生的能力，促進學生的全面發(fā)展。

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