1.2 Сопротивление материалов и его место в учебном процессе при компетентностном подходе в обучении

Информация о материале
Родительская категория: Главная
Категория: Раздел 1 СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ В КОНТЕКСТЕ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА В ОБУЧЕНИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Опубликовано: 17.10.2016 11:42
Просмотров: 564

Человек, как и все живое в природе, неотделим от силовых конструкций. Будучи сам конструкцией, доведенной природой до достаточной степени совершенства [95], он и производит конструкции - орудия труда, с помощью которых, в свою очередь, либо создаются, либо разрушаются другие конструкции. Созданная человеком любая конструкция, будь то автомобиль, станок, сельскохозяйственная машина, здание, дорожное полотно, бытовая техника, мебель, должна быть надежна в использовании, прежде всего, была бы прочной и безопасной, изготовлена с наименьшими затратами. Таким образом, прочность и опасность разрушения материалов и конструкций в той или иной степени касаются каждого из нас.

При разработке любой конструкции, в том числе строительной и технической, приходится определять размеры их отдельных элементов. Эти задачи решаются на основе расчетов и опытов, цель которых - создание прочного, устойчивого, долговечного и одновременно экономичного сооружения и технического средства.

Все эти вопросы рассматриваются в комплексе дисциплин прочностного цикла, среди которых основной, определяющей является «Сопротивление материалов» [2].

«Сопротивление материалов» является экспериментально - теоретической наукой, так как она широко использует опытные данные и теоретические исследования [162].

В сопротивлении материалов изучают равновесие внутренних и внешних сил в твердых телах - в элементах конструкций. Основная задача этой науки - теоретическая и экспериментальная проверка выполнения условий статического равновесия, а также определение значений деформаций и напряжений, возникающих в конкретных точках элемента конструкций под действием внешних сил.

Материал любого реального элемента конструкции, изучаемого в сопротивлении материалов, обладает различными физико-механическими свойствами, своеобразными признаками, иногда и случайными пороками. Попытка учесть все перечисленные особенности материалов типовых элементов при решении задач сопротивления материалов привела бы к сложным методам решения и сделала бы невозможным построение единой теории для основных конструкционных материалов [6,163].

При решении практических задач сопротивления материалов необходима достаточная точность, удовлетворяющая запросам практики. В этой связи методы теоретического и экспериментального решения технических задач должны быть по возможности простыми и удобными. Разработка таких методов оказалась возможной благодаря введению в сопротивление материалов необходимых и достаточных предположений (гипотез) и принципов о свойствах и строении материалов, а также о характере деформаций.

С учетом большой практической необходимости знаний о прочности элементов конструкций и конструкций в целом во всех отечественных высших и среднеспециальных технических учебных заведениях образовательным стандартом предусмотрено изучение дисциплины «Сопротивление материалов», цель которого формирование у обучающихся инженерной, творческой основы [111].

Основные положения сопротивления материалов развивались трудами Г.Галилея, Р. Гука, Т. Юнга, О. Кулона, Пуассона, Д. И. Журавского, А. В. Гадолина, Ф. С. Ясинского, В. И. Кирпичева, И. Г. Бубнова, С. П. Тимошенко, А. Н. Крылова, В.З. Власова, Н. М. Беляева, А. А. Уманского, В. П. Горячкина, С. Д. Понамарева, А. А. Гвоздева, М. М. Филоненко-Бородича, С. В. Серенсена, В.     В. Болотина, Г. С. Писаренко, В. И. Феодосьева, И. А. Цурпал, А. В. Александрова и многих других ученых.

Благодаря теоретическим и экспериментальным работам выдающихся русских и зарубежных ученых-механиков нескольких поколений создана научная теория сопротивления материалов, на базе которой составлены учебные программы образовательного стандарта по дисциплине «Сопротивление материалов» для подготовки инженерно-технических специалистов. Издано достаточное количество учебников и пособий. При этом авторами большинства учебников по сопротивлению материалов являются авторитетные ученые-механики деформируемого твердого тела.

Теоретические положения сопротивления материалов, изложенные в учебной литературе, рекомендованной для изучения в вузах и техникумах, базируются на вышеупомянутые гипотезы и допущения.

Фундаментальные положения сопротивления материалов - механики деформируемого твердого тела - составляют предметные компетенции и одинаково необходимы для инженеров любого профиля, так как без глубокого знания вопросов прочности элементов конструкций невозможно создавать современные долговечные и безопасные машины и механизмы, технологическое оборудование, строительные конструкции и сооружения, а также эффективно их эксплуатировать и восстанавливать их дальнейшую работоспособность [78,92].

По горизонтальным междисциплинарным связям «Сопротивление материалов» объединяет теоретическую и прикладную механику и содержит компетенции для дальнейшего изучения других программных курсов. 

Некоторые междисциплинарные связи сопротивления материалов показаны на схеме (рисунок 1.1)  

Рисунок 1.1

Сопротивлению материалов принадлежит достойное место в формировании профессиональной компетентности будущего инженера-выпускника технического вуза по широкому спектру специальностей для добывающей и перерабатывающей промышленности, машиностроения, строительства и технологий.

По большому счету положения сопротивления материалов являются компонентами профессиональных компетенций инженеров, работающих в любой отрасли экономики (Рисунок 1.2)

Сопротивление материалов - уникальная техническая дисциплина, где в каждом разделе есть место для интересного эксперимента, а также возможность сравнения результатов опыта с теоретическими расчетами [83].

Нисколько не уменьшая значения теоретических выводов, в сопротивлении материалов наиболее ценными, близкими к истине результатами, являются данные хорошо поставленного эксперимента.

Учебные экспериментальные работы - эффективная форма отъема «живых» знаний - компонентов предметной и профессиональной компетенций. По этому поводу выдающийся ученый и педагог Н. Е. Жуковский утверждал [111], что механик должен решать реальные задачи механики, изучать вещи в самом себе, брать основания для теории из опыта и наблюдений.

Теоретические положения сопротивления материалов разработаны на основе известных допущений. Поэтому овладение его предметными компетенциями возможно при условии, когда ключевые теоретические положения курса инструментально подтверждаются результатами экспериментов на лабораторных занятиях.

Лабораторные занятия являются наиболее действенным дидактическим приемом компетентностного подхода в обучении, мобилизующим студентов на активное коллективное участие в учебном познавательном процессе. При этом знания и опыт, получаемые на лабораторных занятиях, нацелены на их прикладное использование в профессиональной деятельности.

Подготовка к экспериментальным работам, с одной стороны, обнаруживает наличие или отсутствие у обучающихся каких-либо компетенций, а с другой - обогащает его профессионально направленными знаниями и опытом. Одной из траекторий реализации учебного процесса в контексте компетентностного подхода в обучении был, является и надолго останется качественное лабораторное занятие [109].

По исследованиям [102], обучающая эффективность традиционных лабораторных занятий составляет 8,6 баллов по десятибальной системе и значительно превышает аналогичные показатели по лекциям и лабораторным работам, базирующимся на информационные технологии.

Анализ учебной литературы показывает, что в содержании большинства учебников и пособий по сопротивлению материалов, кроме [150] информация об экспериментальных способах определения деформаций и напряжений в элементах конструкций отсутствует. В учебном пособии [163] приведен обширный перечень используемой в учебном процессе литературы по сопротивлению материалов (учебники, учебные пособия и задачники) однако нет ни одного названия пособия к лабораторным работам. Этот факт говорит о недостаточном внимании к лабораторной составляющей сопротивления материалов в учебном процессе вузов и техникумов.

Методы, оборудование экспериментального исследования, измерительная аппаратура, применяемая в сопротивлении материалов, прошли длительный путь своего развития и усовершенствования [111].

Первая в России механическая лаборатория, ставшая центром исследований прочности и образцом для других лабораторий, была создана в Петербургском институте инженеров путей сообщения в 1853 году под руководством П. И. Собко [111].

С необходимостью унификации методов испытания материалов в 1895 году создается «Международное общество по испытанию материалов». Одновременно разрабатывалось испытательное оборудование. В 1895 году А. Г. Гагариным была изготовлена разрывная машина, которая успешно применяется в учебных целях и в настоящее время.

В 1856 году Т. Кельвиным было обнаружено, что относительное изменение сопротивления проволоки из большинства металлов и сплавов пропорционально ее относительному удлинению. Это свойство явилось основой электротензометрии. Практическое применение электротензометрии для обнаружения относительной деформации нагруженных элементов конструкций началось только в 1937 году.

Принципы функционирования, конструкции испытательной техники и измерительной аппаратуры постоянно совершенствуются.

В вузах и средних специальных учебных заведениях при изучении дисциплины «Сопротивление материалов» лабораторные занятия являются неотъемлемой частью учебного процесса. По учебным программам образовательного стандарта объем лабораторных занятий по сопротивлению материалов составляют одну третью часть общего объема аудиторного учебного времени по этой дисциплине [139].

Этот дидактический учебный процесс в вузе в контексте компетентностного подхода в обучении должен быть обеспечен материально современным лабораторным оборудованием и измерительной аппаратурой, эффективно организован и результативно проведен.

Для комплектования кафедр сопротивления материалов вузов имеется перечень типового лабораторного оборудования [114,135].

По согласованию с учебными программами вузов издан ряд пособий к лабораторным         работам     по     сопротивлению   материалов [4, 7, 18, 73, 117, 131, 154, 172].