基于思維導(dǎo)圖和反向思維的“材料力學(xué)”教學(xué)設(shè)計

1、基于思維導(dǎo)圖和反向思維的材料力學(xué)”教學(xué)設(shè)計摘要:針對學(xué)時減少、課程內(nèi)容繁多、學(xué)習(xí)難度較大等問題，對材料力學(xué)”理論課程的教學(xué)模 式進(jìn)行探索和設(shè)計。在教學(xué)中引入思維導(dǎo)圖，凸顯各知識點間的內(nèi)在聯(lián)系，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力和 邏輯思維能力在案例教學(xué)中，將反向思維與思維導(dǎo)圖相結(jié)合，強(qiáng)化重點和難點，引導(dǎo)學(xué)生自我評 估，改進(jìn)教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；思維導(dǎo)圖；反向思維;教學(xué)設(shè)計Application of Mind Mapping and Reverse Thinkingin the Teaching of Material MechanicsAbstract: Aiming at the problems

2、existing in Material Mechanics, such as difficult and abundant curriculum content and limited credit hours, this paper explores and proposes a new teaching mode for material mechanics curriculum. The mind mapping method is introduced in classroom teaching. It can not only highlight the intrinsic rel

3、ationship among knowledge points, but also improve studentsself-learning ability and logical thinking ability. In case teaching, the reverse thinking method is combined with mind mapping to strengthen the key and difficult teaching points. Students can also self-assess according to the mind map to e

4、nhance teaching effect and quality.Key words： material mechanics; mind mapping; reverse thinking; teaching design0引言“材料力學(xué)”是本科高校機(jī)械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,其任務(wù)就是在滿 足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計既經(jīng)濟(jì)又 安全的構(gòu)件提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。 “材料力學(xué)”在機(jī)械專業(yè)課程體系中起著承上啟 下的作用，對培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程問題的能力 和提高專業(yè)素養(yǎng)等方面具有重要的作用。有研究 表明,機(jī)械問題上升到科學(xué)問題絕大部分都是力 學(xué)問題，如：軸承的疲

5、勞損傷E、橋梁的安全設(shè) 計和汽車飛輪剎車所受到的沖擊載荷等。 因此，學(xué)好“材料力學(xué)”對機(jī)械類專業(yè)學(xué)生后續(xù)專 業(yè)課的學(xué)習(xí)及工作都有重要的意義?！安牧狭W(xué)”一直被認(rèn)為是機(jī)械設(shè)計制造及 其自動化專業(yè)學(xué)生頭頂?shù)摹叭W(xué)大山”之 一，是學(xué)生“掛科率%比較多的一門課程嘰 其原因總結(jié)如下：1）針對目前“卓越工程師”和 “應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)目標(biāo)，各高校紛紛調(diào)整機(jī) 械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體 系，相同的學(xué)時下，更強(qiáng)調(diào)實踐教學(xué)比例，這勢 必導(dǎo)致“材料力學(xué)”理論學(xué)時被大幅壓縮。2） “材料力學(xué)”課程是一門內(nèi)容較多、理論性強(qiáng)、知 識點分散的學(xué)科，是學(xué)生普遍反映較難學(xué)的課 程之一。如何在有限的學(xué)時內(nèi)，提

6、高教學(xué)效果， 是確保理論知識的完整性與系統(tǒng)性的關(guān)鍵，因 此必須對現(xiàn)有的教學(xué)方法和模式進(jìn)行改進(jìn)。3） 傳統(tǒng)教學(xué)方式多為灌輸式教學(xué)方法，教師為確 保在有限的學(xué)時內(nèi)完成教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容， 多采取以教師講解、學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主的教學(xué) 方式，學(xué)生缺乏參與感。久而久之，會導(dǎo)致學(xué)生 學(xué)習(xí)態(tài)度消極，課堂教學(xué)質(zhì)量下降。因此，探究 一種新的適應(yīng)新工科培養(yǎng)方案背景下的“材料 力學(xué)”理論課程教學(xué)模式顯得十分迫切。針對目前“材料力學(xué)”理論教學(xué)的所面臨的 問題，本文將思維導(dǎo)圖引入教學(xué)，通過課前繪 制、課后完善該章節(jié)的思維導(dǎo)圖，提高學(xué)生的自 主學(xué)習(xí)和邏輯思維能力。輔以案例教學(xué)，強(qiáng)化 知識難點，引入反向思維,并繪制該案例的知

7、識 點思維導(dǎo)圖，將零散的知識點形成清晰的邏輯 關(guān)系。該方法可使學(xué)生積極參與到課程的預(yù) 習(xí)、復(fù)習(xí)之中，提高學(xué)生的參與感，在有限的學(xué) 時內(nèi)掌握更多的理論知識。對比分析可以看 出，該教學(xué)方法的教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的灌輸式 教學(xué)方法。1思維導(dǎo)圖簡介及課前準(zhǔn)備1.1思維導(dǎo)圖簡介思維導(dǎo)圖又稱樹狀概念思維地圖、腦圖、心智 圖等，是一種表達(dá)發(fā)散思維的圖像式思維工具，通 過繪圖的方法，將人的思維進(jìn)行可視化表達(dá)。圍 繞一個中央關(guān)鍵詞,把各級主題的關(guān)系用相互隸 屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，形成脈絡(luò)清楚的思 路頂。思維導(dǎo)圖能充分運用左右腦的機(jī)能，更 好地對所學(xué)知識進(jìn)行分類,幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)知 識內(nèi)容，使抽象知識具體化、零碎

8、知識系列化及復(fù) 雜問題簡明化，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和能力。 思維導(dǎo)圖自提出以來被應(yīng)用到物理化學(xué)、醫(yī)學(xué)、計 算機(jī)科學(xué)等各個學(xué)科門類的課程教學(xué)之中，推動 著這些課程的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)改革的發(fā)展，并取 得了較好的理論和實踐成果am。為此本文將 思維導(dǎo)圖引入“材料力學(xué)”理論課程的教學(xué)之中， 充分挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)積極性，提高“材料力學(xué)”的 教學(xué)質(zhì)量。1.2課前準(zhǔn)備為使學(xué)生能夠熟練進(jìn)行“材料力學(xué)”思維導(dǎo) 圖的繪制，在“材料力學(xué)”課程正式開始之前，教 師應(yīng)花一至兩節(jié)課的時間對學(xué)生進(jìn)行思維導(dǎo)圖知 識和軟件使用的介紹和培訓(xùn)?，F(xiàn)有的思維導(dǎo)圖軟件有很多，如Mind Master Free Mind、XMind等，軟件

9、為用戶提供了豐富 的素材和模板，學(xué)生可根據(jù)自己的喜好及學(xué)習(xí)內(nèi) 容靈活地選擇并設(shè)計自己的思維導(dǎo)圖。學(xué)生在思 維導(dǎo)圖繪制過程中需注意以下幾點：1）以要解決 的問題作為關(guān)鍵詞即中心節(jié)點;2）由中心節(jié)點向 周圍呈放射狀擴(kuò)展，連接至下一節(jié)點，依此原則逐 漸向外發(fā)散;3）每條線上只寫一個關(guān)鍵詞，同時 注意各節(jié)點之間的關(guān)系。在學(xué)生熟練掌握思維導(dǎo) 圖軟件后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基于思維導(dǎo)圖和反向思 維相結(jié)合的“材料力學(xué)”理論課程的學(xué)習(xí)。2基于思維導(dǎo)圖和反向思維相結(jié)合 的“材料力學(xué)”教學(xué)設(shè)計2 -1總體教學(xué)思路基于思維導(dǎo)圖和反向思維相結(jié)合的“材料力 學(xué)”教學(xué)思路，如圖1所示。首先教師監(jiān)督學(xué)生進(jìn) 行課前預(yù)習(xí)，學(xué)生根據(jù)自己

10、的理解繪制初始的思 維導(dǎo)圖;然后通過課堂理論講解和案例教學(xué)，學(xué)生 對自己的思維導(dǎo)圖進(jìn)行完善和改進(jìn)；同時在案例 教學(xué)中，運用反向思維，從待求解問題反推出所應(yīng) 用的知識點，突出并強(qiáng)化知識重點，引導(dǎo)學(xué)生自我 評估，找到復(fù)習(xí)要點。2. 2思維導(dǎo)圖在材料力學(xué)”理論教學(xué)中的應(yīng)用材料力學(xué)一般分為上、下兩冊。其中上冊 的基本內(nèi)容包括:緒論、軸向拉伸與壓縮變形、剪 切變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲內(nèi)力、應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng) 力應(yīng)變分析、強(qiáng)度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定以及 平面圖形的幾何性質(zhì)等。下冊主要包括動載荷、交變應(yīng)力、能量方法、超靜定結(jié)構(gòu)等內(nèi)容?？梢? 其課程理論內(nèi)容較多且知識點比較分散。如何在 有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生掌握如

11、此繁多的教學(xué)內(nèi)容是 學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”的關(guān)鍵。思維導(dǎo)圖作為一種思 維過程可視化的教學(xué)工具,根據(jù)內(nèi)在邏輯，將復(fù)雜 繁多的教學(xué)內(nèi)容變成一幅脈絡(luò)清晰的圖畫，能激 發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能,提高其自主學(xué)習(xí)和邏輯思維 能力,是提高學(xué)習(xí)效果的一個有效手段。圖1總體教學(xué)思路在學(xué)習(xí)每一章節(jié)之前，要求學(xué)生根據(jù)課本的 大綱目錄制訂初步的思維導(dǎo)圖。以“材料力學(xué)” 第二章軸向拉伸壓縮變形為例，圖2是某學(xué)生在 課前根據(jù)自己的理解，繪制的思維導(dǎo)圖?？梢钥?出，該生進(jìn)行了一定的預(yù)習(xí)，自己搭建起了相應(yīng)的 知識框架。但因為沒有老師系統(tǒng)的講解,各知識 點之間都是孤立的,體現(xiàn)不出各章節(jié)之間內(nèi)在的 邏輯關(guān)系,所對應(yīng)的重點、難點也不明確。圖2課

12、前思維導(dǎo)圖繪制教師通過學(xué)生繪制的思維導(dǎo)圖可以看出學(xué) 生對各章節(jié)的初步預(yù)習(xí)程度，適時調(diào)整教學(xué)方 案。課堂上教師與學(xué)生就思維導(dǎo)圖中各知識點 的理解與疑問進(jìn)行講解討論，引發(fā)進(jìn)一步思考。 課后，學(xué)生根據(jù)教師的講授以及自己對該章節(jié) 內(nèi)容的掌握情況，對思維導(dǎo)圖進(jìn)行優(yōu)化，不斷地 進(jìn)行更新完善；或者重新設(shè)計一個新的思維導(dǎo) 圖，更新原有的思路，并與前面或后續(xù)課程內(nèi)容 知識點建立關(guān)聯(lián)。圖3是該生通過課堂學(xué)習(xí)之后補充完善的思 維導(dǎo)圖?？梢钥闯?，通過課堂上有目的的講授，各 知識點及其內(nèi)在的聯(lián)系一目了然。由思維導(dǎo)圖可 以看出，學(xué)習(xí)軸向拉壓變形時，首先要掌握該變形 形式的概念,然后根據(jù)截面法由外力得到內(nèi)力即 軸力，并畫出

13、其軸力圖。由軸力可進(jìn)而推導(dǎo)出應(yīng) 力和變形公式，從而對構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校 核。同時在超靜定問題的求解上還建立起了與靜 力學(xué)之間的聯(lián)系。更進(jìn)一步，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生通過各章節(jié)思維 導(dǎo)圖的繪制，找出“材料力學(xué)”課程各知識點的通 用學(xué)習(xí)方法和內(nèi)在聯(lián)系,提高邏輯思維能力。如, 應(yīng)力公式的推導(dǎo)是“材料力學(xué)”的重點和難點，也 是理論性非常強(qiáng)的一部分內(nèi)容,學(xué)生普遍反映比 較難理解。利用思維導(dǎo)圖可以很直觀地描繪出應(yīng) 力推導(dǎo)過程的基本思路，對知識體系的形成和問 題的簡化起到很大的作用。圖4是該生在學(xué)習(xí)完 “材料力學(xué)”基本變形形式即拉壓、彎、扭、剪切變 形之后繪制的關(guān)于桿件應(yīng)力公式推導(dǎo)基本思路的 思維導(dǎo)圖。在此思維

14、導(dǎo)圖的幫助下，學(xué)生無論是在預(yù)習(xí) 還是在復(fù)習(xí)中遇到此類相關(guān)問題時，均可做到有 方法、有針對性的學(xué)習(xí)，起到事半功倍的效果。綜上所述，基于思維導(dǎo)圖的教學(xué)模式能夠讓 學(xué)生積極參與到“材料力學(xué)”課程的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí) 之中，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，形成有系統(tǒng)、有 邏輯的知識體系有很大的促進(jìn)作用。變形關(guān)系物理關(guān)系I（應(yīng)力公式）變形關(guān)系物理關(guān)系I（應(yīng)力公式）I受力特點I變形特點應(yīng)變靜力關(guān)系I截面法I軸力圖變形尹計算|/ I溫度應(yīng)力|超靜定|,氣I、裝配應(yīng)力|靜力學(xué)平衡方程圖3課后思維導(dǎo)圖完善圖4知識點總結(jié)思維導(dǎo)圖2. 3基于反向思維和思維導(dǎo)圖相結(jié)合的“材料 力學(xué)”案例教學(xué)設(shè)計要做到對“材料力學(xué)”知識內(nèi)容融會貫通，

15、僅 僅只有理論教學(xué)并不夠,案例教學(xué)必不可少。案 例教學(xué)不僅可以凸顯知識重點，還可以考察學(xué)生 對知識點的掌握程度。在案例教學(xué)中，我們提出 了反向思維和思維導(dǎo)圖相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式。首 先,根據(jù)案例中帶求解的問題及已知條件,反推出 所需要的知識點；然后根據(jù)該知識點再反推出其 關(guān)聯(lián)的知識點;最后,根據(jù)反推過程繪制該案例的 思維導(dǎo)圖，強(qiáng)化知識要點。以此案例為例:階梯形圓軸直徑J =70 mm,軸 上裝有3個帶輪，已知輪3輸入功率P3 =30 kW , 輪1輸出功率P=14 kW，軸作勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速 + =200 r/min,材料的剪切許用應(yīng)力=600 MPa,2 =80 GPa,許用扭轉(zhuǎn)角 虹=2/m。試

16、驗 證軸的安全性。根據(jù)反向思維,要驗證構(gòu)件的安全性，需要 從3個方面進(jìn)行校核:強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。由已 知條件可知，該構(gòu)件發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。因此，只需 校核軸的強(qiáng)度和剛度即可，而軸的強(qiáng)度和剛度 條件就是本案例的知識重點。要校核強(qiáng)度剛度 還需繪制軸的扭矩圖、計算軸的極慣性矩和抗 扭截面系數(shù)?？梢钥闯?，由反向思維反推出了 所涉及的知識要點。這些知識點可形成如圖5 所示的思維導(dǎo)圖。圖5該案例的思維導(dǎo)圖可以看到,重點難點進(jìn)一步突出，學(xué)生可根據(jù) 思維導(dǎo)圖進(jìn)行自我評估，有針對性地進(jìn)行相關(guān)內(nèi) 容的復(fù)習(xí)，鞏固并強(qiáng)化知識要點。3教學(xué)效果對比題能力，節(jié)省了有限的課堂時間。對比實驗表明 該教學(xué)模式對材料力學(xué)的教學(xué)效果起到了積極 作用。為驗證實際的教學(xué)效果，對比分析了采用該 教學(xué)方法的2017級安徽大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其 自動化專業(yè)學(xué)生與采用普通教學(xué)方法的2016級 學(xué)生的“材料力學(xué)”期末成績，如表1。表1“材料力學(xué)”期末考試成績對比分?jǐn)?shù)段2017級各分?jǐn)?shù)段人