归因理论\自主研学型实验教学法和旋转矢量在工程力学教学中的应用

摘要 就如何提高工程力学的教学质量问题展开讨论,分别涉及归因理论、自主研学型实验教学法和旋转矢量等方法的应用。

关键词 工程力学;归因理论;自主研学型实验教学法;旋转矢量

中图分类号:G642.423 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)06-0086-03

工程力学作为工科专业中,尤其力学专业的重要技术基础课之一,有着非常强的实际工程应用性。工程力学的实验环节也是其中的一个重要的构成元素,除了在土木和机械等大众型的工程专业中占据重要地位,而且已经开始延伸至众多的交叉学科中。因此,自身具备工程力学理论与实验方面的能力,是工程技术人员必须要提高自身素质的一个重要方面。但是目前在工程力学专业的教学中,包括实践能力和适应能力方面的培养还存在些许欠缺。为了解决这方面问题,必须对当前的工程力学教学模式和方法进行有效改革。

1 归因理论的应用

1.1 概念归因理论(causal attribution)指的是对行为和事件的结果进行分析,并推理出应该会归属于某一种或多种相关因素或原因。

在心理学中,归因指的是人们对自己或者别人的行为所造成的结果给出合理解释的过程;而归因理论就是基于这种理论基础上的,它是关于人们如何解释自己与其他人的行为,并且为这种解释是如何影响他们动机、情绪和行为的作辩解的心理学理论。

归因理论最重要的应用领域之一就是在教育中,韦纳(B. Weiner)提出归因三维度模型,即控制源、稳定性和控制性,他认为一个人成功或失败的原因取决于上述三者的相互作用。这种相互之间的关系可以用图1表示。

1)能力归因因素。如果学生把自己学习的失败这个结果归因到自身的学习基础差和学习能力差等这些内在原因上的话,在无形中就会对他们的自尊造成不好的消极影响,进而打击学生进行学习的自主性和积极性。2)努力归因因素。它具有重要的积极作用,无论学生的考试结果是怎么样的,归因于努力相对于归因于能力对学生来说,会在他们的内心产生更加强烈的感受。3)难度归因因素。学生对自己失败进行分析,如果归因于认为是任务难度比较大的话,也就是威胁到外部稳定的不可控因素,那么就可能使得学生怀疑主观努力。

1.2 在工程力学教学中的应用对于工程力学的教学,基于该课程具有较强的系统性和连贯性的特点,讲课时,应该注意到以下方面:1)应该对此课程进行全面分析,并找出重点、难点和关键点等关键环节;2)理出中心线索及其内部的相关联系,对该课程和其他课程的关系进行初步分析;3)注意本学科专业知识运用在实际中的效果,进而让学生对学习该课程的重要意义有更深刻的认识。可按图2所示流程进行教学。

基于以上论述,应该充分重视工程力学的教学,应让学生掌握其主要的基本概念和理论等。在进行每一章节的讲解的时候,又要根据每一章节的特点及其需要解决的主要问题,选择合适的例题来进行分析和讲解,然后基于对学生原有的知识水平和掌握程度的了解,对学生分组,再由简单到复杂,并由易到难地进行练习和测验,在练习和测验中对遇到的问题认真地进行分析,得出结论。

尤其是对在测验和练习中表现和成绩都比较差的学生,多用鼓励性语言疏导,使其认识到学好公理、掌握好概念的重要性,还应该给学生指出清晰的出错原因和今后明确的努力方向,有侧重地进行改正和纠错。

在进行有针对性的练习和测验的时候,把当前的成绩与前一次的成绩作比较,通过这种比较,发现学生的闪光点,用来肯定学生在测验中所取得的成绩,促使其进步。把学生之所以能够取得这些好的成绩、大的进步的原因与“掌握好公理,学会分析方法”建立联系,并让学生知道这种联系,学生心理就会产生一个明确的努力方向,即如果再努力点,就能更好地掌握更多工程力学专业的理论知识,进而也就能取得更大的进步,获得更好的学习成绩。另外,需要注意的是,还要根据每组学生的实际情况的不同,设计符合他们各自情况的练习和测验,在经过这种锻炼和努力之后,以期能做得更好。这样使学生慢慢地学会正确地进行归因,并主动积极地进行归因。

2 自主研学型实验教学法在工程力学教学中的尝试

2.1 当前的工程力学实验中仍存在的主要问题1)用于验证理论的偏多,而涉及工程实际的很少,且实验内容编排单一和落后;2)对实验的演示较多,而动手较少,多以教师操作和学生看为主要内容和形式,勉强有少部分的学生做实验,而大部分的学生还是一种看实验的状况;3)实验的内容较少,且实验操作时间很短,仍旧被压在传统教学观念之下,认为实验只是附属于理论课的,不能合理恰当地认识其重要的地位和作用。

2.2 自主研学型实验教学法以及在工程力学教学中的应用实例

1)概念。在工程力学实验教学中,通过引入多交叉学科的专业知识,如材料学、实验力学和断裂力学等,在融合这些知识的基础上,使学生通过自主研究,切身体会自主进行实验研究的乐趣。实验大致包括自行设计方案,自行设计相关的硬软件,最后通过亲身进行实验,研究相关的力学现象和理论。

2)在工程力学中应用实例——自主研学型实验项目。动态应变实验:在自行车骑行水平撞击时,对前叉和后叉等处动应变的实验研究;在自行车骑行垂直撞击(即跳车)时,对前叉和后叉等处动应变的实验研究,(如图3所示)。

通过上述实验,学生亲自参加操作,即亲自设计实验的流程。学生可以组成一个团队,安排一个人骑自行车做上述动作,另外的学生可以自行运用相关仪器(包括软硬件两方面)进行前叉和后叉着地点的应力的测量,进而得出此次实验的仿真图。通过这种自行设计并自行操作,再加上自行分析实验结果的实验方法,使得学生能够更加深入地对工程力学中各个部分的内容做到深刻的理解和有效的运用。

3 旋转矢量在工程力学教学中的利用

3.1 传统教学中的难点工程力学课程是相关工科学生学习的重要技术基础课之一,既具有逻辑性较强,能够密切联系实际工程等优点,又有公式繁多等诸多问题,初学者尤其容易前后混淆,难于掌握学习要领。

3.2 旋转矢量记忆法它能够使得工程力学中比较繁多和难于掌握的易混淆公式变得十分简单和直观,并容易掌握其规律。该方法的建立也使数学和物理等基础学科与工程力学等这类技术基础课及专业课紧密衔接。

在振动基础理论和材料力学课程的一些公式中,有的不是矢量,但是含有三角函数,而且这些三角函数存在正交性现象。基于此,利用公式中各项非矢量作旋转矢量定义的方法,也就是定义绕着某一个固定点并以一个固定的频率进行旋转的矢量,再根据此矢量的合成与矢量投影相关定理对公式中各个力学量之间的关系进行描述。

接下来介绍具体步骤。将三角函数定义为直角坐标系中同一点的旋转矢量(i=1,2),其矢量的模等于对应三角函数前的系数值。设矢量在第一象限,矢量指向第二象限,且⊥,并与可以随自变量以同一频率旋转。

以无阻尼系统自由振动方程的解析为例,表达式为x(t)=x0cos(pnt)+sin(pnt)=Asin(pnt+α)。其中,A=,α=arctan,x0、、pn、A、α分别为系统的初始位移、初始速度、固有频率、最大振幅和初始相位。下面根据旋转矢量的方法进行分析。

设旋转矢量的模等于初始速度,旋转矢量的模等于初始位移,即=,=,且⊥,和随时间t绕O点以相同频率逆时针旋转,如图4所示。

从图4可知,A=+,=,α=arctan=arctan。

又由矢量投影定理知,x(t)=sin(pnt+α)=Asin(pnt+α)=cos(pnt)+sin(pnt)=x0cos(pnt)+sin(pnt)。

至此,由旋转矢量得到的式子就可以完全代表最初的解析式,这全都是由图4分析而来的。

4 小结

无论是哪种方法,目的都是希望把工程力学的教学质量提上来。诸多方法的运用都还只是一种尝试,开端是好的,方向也是有研究前景的,在实际中的效能有待发展。而且最好的教学改革是诸多方法的有机融合,在无形无法之中进行工程力学的教学,这还有待进一步的研究。

参考文献

[1]赵业,李明岩.归因理论对培养学生自信心的启示[J].北京教育,2005(3)

[2]纪武瑜,王天佐,孔繁明.工程力学[M].北京:中国劳动和社会保障出版社,2001

[3]刘习军,贾启芬.工程振动理论与测试技术[M].北京:高等教育出版社,2004