知识迁移能力在《材料力学》课程学习中的培养

刘灿昌　刚宪约　许英姿　云海　李磊

摘要：学生知识迁移能力的培养是提高学生学习效率的重要途径，知识迁移能力的提高对学习效果有显著的影响。本文以材料力学课程中拉压、扭转和弯曲应力理论学习过程为例，探讨如何培养学生的知识迁移能力，提高学生自身的学习能力。

关键词：学习迁移；材料力学；杆件变形

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）50-0226-02

学生学习是一个知识累积的过程，基于已有知识，通过学习能力培养，在意志力约束和兴趣等因素的引导下，记忆和理解新知识，再通过对知识的应用训练，内化为学习者自身知识，达到学习知识、培养能力的目的。在利用旧知识学习新知识的过程中，需要用到不同的学习能力，其中，知识迁移能力是其中一种重要的学习能力。

一、什么是知识迁移能力

知识迁移能力是指利用已有的知识经验去主动获取新知识的能力，新旧知识之间具有一定的联系和区别，利用知识学习的类似性，降低新知识学习难度，是一种具有较高学习效率的学习方法。

二、培养学生的学习迁移能力

以材料力学杆件轴向拉压、轴的扭转和梁的弯曲应力公式推导为例，说明迁移能力在材料力学教学过程中的应用，阐明基于学习迁移能力的教学过程。

1.建构完善的知识结构，帮助学生学习迁移。迁移能力培养是一个学习程序化过程。首先，让学生具有某个知识点的完整知识结构，从该知识点出发，迁移到与该知识点具有类似知识结构的新的知识区域学习。其次，要指导学生了解新旧知识间的联系，由已知知识去学习新知识，降低学生理解的门槛，提高学习效率。最后，还要明确新旧知识间的区别，避免机械迁移的发生，做到举一反三，而不是机械的照猫画虎。例如，材料力学中，首先要把轴向拉压的应力分析讲解清楚，让学生学会轴向拉压应力的分布和由来，清楚理解应力和应变物理关系，全面掌握轴向拉压的强度理论，学会利用应力理论分析和解决问题。然后，以该知识点为基础，分析轴的扭转应力和梁的弯曲受力理论，杆件破坏准则等知识点。因为这三者在知识结构和理论本质规律上有相同点，可以迁移学习，通过简单地分析杆的拉压应力分布，经学习迁移，就可得知轴的扭转和梁的弯曲的应力分布。降低了学习的难度，提高了学习效率。

2.设计合理的教学程序，引导学生学习迁移。知识迁移能力培养要符合学生的认知规律。教学过程中，一方面要注意迁移前知识的学习，对知识点有全面深入学习，让学生熟练掌握和理解，另一方面教学过程要按照提出问题、分析问题、实验验证、得出结论和应用推广的认知规律展开。例如，在分析轴向拉压杆的拉压应力分布情况时，对杆两侧施加沿轴向的拉力，为了便于观察仿真实验效果，在杆上画上三条横向线和纵向线，通过仿真实验可以发现所有的纵向线均伸长，并且伸长量相等，所有的横向线变形后仍为直线，仍然垂直于轴线，只是发生了沿轴线方向的平移。在分析仿真实验基础上，提出变形横截面为平面的假设，即：变形前为平面的横截面，变形后仍保持为平面；横截面仍与杆件的轴线垂直；根据平面假设，可知所有纵向纤维具有相同的伸长量。再根据材料的均匀性，所有纵向纤维具有相同的力学性能，因此，各纵向纤维受力相等。经过以上分析，得出轴力与横截面垂直，轴力会在横截面上产生正应力，横截面上各点的应力相等的结论。以杆件应力分析过程为模板，采用同样的分析方法分析扭转变形应力分布和梁弯曲变形正应力的分布。通过利用知识迁移能力，降低了学习扭转和梁的弯曲变形应力分析的难度，提高学生学习效率，并培养了学生学习的兴趣。

3.创设问题情境，启发学生学习迁移。在学习某些新知识的过程中，还需要创设良好的问题情境，做好新旧知识内容之间衔接，降低知识难点理解的难度，逐步启发完成学习迁移。例如，在学习杆的扭轉特性之前，创设与拉压猜想同样的问题：在扭转的情况下，需要假设等直圆杆的什么特性，实验特点是什么，得出什么结论。让学生发散思维，开放思想，按研究杆的拉压特性的步骤学习迁移到轴的扭转特性中。提出等直圆杆的应力如何分布问题。进行仿真实验，实验表明各圆周线的大小、形状、间距保持不变，半径仍保持为直线，轴向无伸缩，纵向线变形后仍近似为直线，只是倾斜了一个角度。由扭转仿真实验得到扭转的平面假设。得出切应力分布公式，符合试验结果。

4.运用比较方法，促进学生学习迁移。理清相关知识点间的联系与区别，增强认知结构中知识概念的可利用性、清晰性和稳定性，才能促进学习迁移的完成。因而要注重比较方法的应用，有鉴别的进行知识迁移，深入理解知识应用环境，概念的内涵与外延，自觉形成迁移能力，避免机械式照抄照搬，张冠李戴。《材料力学》课程中，在学习拉压和扭转特性后，通过比较，分析弯曲与前两者的不同之处和相同之处，便可得出弯曲的应力分布情况，仍然需要按照拉压和扭转的思路分析弯曲情形。首先观察仿真实验现象，对梁施加一对正弯矩，可观察到，纵向线的长度发生变化、两横截面的夹角发生变化、横截面的宽度发生变化，纵向线由直线变成曲线、横向线相对旋转一个角度，但仍然与纵向弧线垂直。其次，提出杆件变形基本假设，采用平面假设，即变形前为平面的横截面变形后仍保持为平面，横截面绕某一轴线发生了偏转。进行杆件应力分布推想，因观察到纵向纤维之间有无相互作用力，所以推想纵向纤维之间没有相互挤压，各纵向纤维只是发生了简单的轴向拉伸或压缩。最后得出应力分布结论，因弯曲情况比较复杂，梁不仅有正应力作用，也存在切应力，因此，再引入中性层这一概念，通过变形几何关系、物理关系和静力学关系公式，可以得出梁的正应力与点到中性轴的距离成正比，沿截面高度线性分布；沿截面宽度均匀分布；正弯矩作用下，上压下拉；危险点的位置，离开中性轴最远处。通过对比学习，学生能调取已有的知识，学习梁弯曲与杆件拉压和轴的扭转等相同规律的知识点，再利用对比分析，学习与杆件拉压和轴的扭转等不同的知识点，全面掌握梁的应力分布规律。

三、学习迁移能力与总结能力相配合

由于学生的认知结构、思维定式以及教师的教学观念、教学方法等導致学习知识的单向性，即学生可正向推出结论，而不知方法的应用。这影响或干扰新的学习，易造成知识点碎片化，无法建立起整体的知识构架，因此，在运用学习迁移能力的构成中，需要学会总结方法。例如，在对比、统一地分析拉压、扭转、弯曲应力分布之后，总结出推导正应力方法：①理想模型法：通过纯弯曲（剪力为零，弯矩为常数）得出横力弯曲；②通过“实验—观察—假设”，提出梁弯曲假设；③通过外力判断内力的大小和方向，然后运用应力法；④运用三关系法，即变形几何关系、物理关系、静力学关系；⑤用数学方法计算应力，即可通过积分计算应力，再通过应力公式计算得到内力。

1.强化基本概念内涵与外延的教学。教师应加强学生对基本概念的理解，注重概念的内涵与外延教学，学生只有在清楚理解概念的基础上，才能发挥知识迁移的作用，自觉的扩大新知识的范围，克服“死记硬背、生搬硬套”的现象，防止学习负迁移的产生。

2.运用比较方法，防止知识的错误迁移。教学中有许多相近的概念或原理，虽本质不同，但有共同点，在教学中若忽视这些概念或原理之间的混同性、交错性干扰，势必产生负迁移。因此要针对一些容易混淆的概念或原理，让学生通过比较、鉴别、识别真伪，并让学生说出错误的原因和正确的理由。

3.培养灵活迁移能力，防止定式思维干扰。教学中必须指导学生从横向和纵向、正向和负向的角度来分析和思考问题，掌握灵活的迁移能力，特别是解题过程中不能生搬已掌握的解题模式去解题，致使形成思维定式，产生干扰，得出错误的解答。

四、结论

教学中教师要帮助学生理清新旧知识间的相互关系，强化基本概念和原理的教学，通过多种方法来提高学生自我学习的能力，从而促进学生形成学习的正迁移能力，增强总结能力，以不断提高学生的能力，促进学生的全面发展。

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