автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Научные основы проектирования учебной механической лаборатории и психолого-дидактический анализ процесса изучения дисциплин прочностного цикла

/

у

Санкт-Петербургский Машиностроительный институт /ВТУЗ-ЛМЗ/

Зайцев Геннадий Денисович

.Научные основы проектирования учебной'механической лаборатории и психолого-дидактический анализ

у процесса изучения дисциплин прочностного цшсда

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

13.00.02 - Теория и методы обучения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Тананайко О.Д. Научный консультант: д. философ, н. проф. Едфимов Г.М.

На правах рукописи

Санкт-Петербург 1999г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВВДЕНИЕ....................................................3

1. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ УЧЕБНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

1.1. Классификация машин, оборудования и приборов заводского изготовления................................7

1.2. Разрывная машина РМ-55.................................9

1.3. Установки для испытаний на сжатие и изгиб.............14

1.4. Другие виды лабораторного оборудования..............4.22

1.5. Выводы по главе 1.....................................29

2. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В УПРУГИХ СИСТЕМАХ

2.1. Лемма о площади параболического сегмента..............31

2.2. Вывод обобщенной формулы Верещагина.....'..............34

2.3. Некоторые частные случаи применения

обобщенной формулы Верещагина. ........................37

3. ЛОГИКО-ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПРЕПОДАВАНИЯ

ДИСЦИПЛИН ПРОЧНОСТНОГО ЦИКЛА 3.1. О значении логики в учебном процессе высшей школы.....40

3.2. О некоторых особенностях вечерне-заочной формы обучения студентов технических вузов..................44

3.3. Соотношение психического и логического в восприятии информации при чтении лекции..........................46

3.4. Блок-схема управления учебным процессом...............50

3.5. Схема процесса управления элементами некоторых сочлененных инженерных систем........................ .52

4. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБУЧЕНИЯ НА ВЕЧЕРНЕ-ЗАОЧНОМ ФАКУЛЬТЕТЕ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

4.1. Опыт классификации методических ошибок в преподавании сопротивления материалов

и строительной механики...............................54

4.2. Методические рекомендации по организации процесса преподавания дисциплин прочностного цикла.............64

-24.3. Рекомендации по последовательности решения задач на практических занятиях по курсу "Сопротивление

материалов"................................. +. * 6?

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................ .72

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................. ........... 73

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Примеры использования обобщенной

формулы Верещагина......................79

Приложение 2 Площади эпюр изгибающих моментов........88

Приложение 3 Таблица интегралов......................89

Приложение 4 Задачи творческого типа.................91

ВВЕДЕНИЕ

Целью.диссертации является разработка методологических основ рациональной организации процесса обучения по некоторым важнейшим разделам дисциплин прочностного цикла.

Актуальность темы. Совершенствование методики преподавания дисциплин прочностного цикла является одним из важнейших направлений учебной работы кафедр сопротивления материалов, строительной механики и родственных им. Статьи, посвященные методическим вопросам, регулярно публикуются в научно-технических сборниках, методические' доклады включаются в повестку дня научно-технических семинаров и конференций.

Вопросы оптимизации учебных планов и способов изложения различных разделов учебных курсов особенно актуальны в настоящее время, в условиях значительного сокращения числа учебных часов, отводимых на преподавание прочностных дисциплин, Актуален и вопрос создания простых, недорогих лабораторных установок для испытания материалов и элементов конструкций, так как современная высокоточная измерительная аппаратура имеет, стоимость, недоступную для вузовских кашедр или, тем более, для учебно-консультационных пунктов, а приобретенное ранее оборудование, как правило, морально и физически устарело.

Несмотря на важность перечисленных вопросов, в известной отечественной (а также зарубежной) научной литературе отсутствуют обобщающие, монографические труды по методике преподавания механики материалов и конструкций. До сих пор практически не разрабатывались психолого-дидактические аспекты преподавания прочностных дисциплин, особенно в применении к такой специфической форме обучения, как вечерне-заочная. Следует отметить, что в течение долгого времени в вузах страны не было представлено к защите ни одной диссертационной работы по указанным проблемам.

Таким образом, постановка задач, разрабатываемых в диссертации, может быть признана своевременной, а ее тема - актуальной как в' теоретическом, так и в прикладном отношениях.

-А -

для реализации поставленной цели потребовалось разрешить, в частности, следующие задачи:

- конструктивная разработка и практическое внедрение испытательного оборудования, которое может быть смонтировано в условиях кафедральной лаборатории или учебно-консультационного пункта без значительных затрат финансовых средств и материалов;

- усовершенствование практических приемов определения перемещений в упругих системах и на этой основе значительное расширение таблицы формул для вычисления интегралов Мора;

- рассмотрение психолого-дидактических аспектов процесса обучения дисциплинам прочностного цикла и разработка рекомендаций по совершенствованию этого процесса, в первую очередь, при вечерне-заочной форме обучения,

Научная новизна работы заключается:

- в использовании нового кинематического принципа для создания усилия в испытуемом образце (принципа инверсии вместо применяемого в стандартном оборудовании принципа рычага);

- в обобщении формулы Верещагина на случай "перемножения" линейной эпюры на параболу любой степени, а также на случай определения площадей плоских фигур и объемов сферических, цилиндрических и призматических оболочек:

- в разработке некоторых проблем, относящихся к педагогике и психологии высшей школы применительно, главным образом, к сопротивлению материалов и строительной механике (исследование соотношения психологического и логического в этих дисциплинах; анализ и классификация характерных ошибок, допускаемых студентами при решении задач; составление и обоснование блок-схемы управления учебным процессом).

Практическое значение диссертационной работы:

- спроектированы и использованы в учебном процессе простые и дешевые в изготовлении, легкие по весу, компактные переносные установки для опытного определения прочностных и деформативных характеристик пластичных материалов, для исследования работы хрупких материалов на сжатие (а древесины - также и на скалывание), для лабораторного изучения изгиба балок и мембран, для уотановле-

ния критических нагрузок, для испытания на удар, для наблюдения свободных колебаний механических систем;

- для облегчения вычислений перемещений (без использования ЭВМ) при решении студентами задач по курсам' сопротивления материалов и строительной механики составлен наиболее полный из всех известных список табличных интегралов;

- сформулированы дидактические рекомендации по методике изложения наиболее сложных разделов дисциплин прочностного цикла; о педагогической и психологической точек зрения рассмотрены особенности изучения этих дисциплин при вечерне-заочной форме обучения; разработана серия задач, решение которых должно мобилизовать творческие способности студента.

Внедрение результатов работы. В 1968-1970 гг.. на базе Мурманского УКП ЛМИЖТ создана учебная механическая лаборатория, ос-, нащенная испытательным оборудованием, смонтированным силами студентов-заочников по проекту и под руководством автора диссертации. Лаборатория успешно функционирует на том же оборудовании по настоящее время (имеется справка о внедрении).

Кроме того, разрывная машина РМ-55 и переносной гидравлический пресс ПГП-200, сконструированные автором, используются для контроля качества материалов в Красносельском строительном тресте .

Обобщенная формула Верещагина и основанная к" ней, составленная автором, таблица пятидесяти интегралов Мора нашли применение при преподавании сопротивления материалов в ПГУПО и Санкт-Петербургском машиностроительном институте. Результаты автора использованы в методических указаниях "Справочные материалы для расчета сооружении на прочность, жесткость и устойчивость" (автор Г.Д.Зайцев, 1986) и "Решение задач по устойчивости и.динамике сооружений" (ч, 1-Е; автор Б.М.Аллахвердов, 1996).

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной

работы обсуждались на научных семинарах кафедры сопротивления материалов и теории упругости Санкт-Петербургского машиностроитель-ноге ккстмитута, (сентябрь-октябрь 1995 г.), кафедры сопротивления материалов Санкт-Петербургской государственной академии холо-

да и пищевых технологий (март 1У98 г.), Петербургского государственного университета путей сообщения (апрель 1997 г,, сентябрь • -1_рч8 у V "

Публикации, По теме диссертации опубликовано 12 печатных ра-

т

и и А »

Структура и объем работы. Работа состоит ив введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4-Х; приложений; изложена, на 93 стр. машинописного текста, включая 26 рис. и 5 таблиц. Список литературы содержит 139 источников.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ УЧЕБНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ.

'1.1. Классификация машин, оборудования и приборов заводского изготовления

Все способы экспериментального исследования напряженных конструкций (см., например, [573, [653, [983 и др.) сводятся, так или иначе, к непосредственному нахождению деформаций, возникающих в испытуемом об'екте, а напряжения определяются косвенно - через деформации - по закону Гука. Для замера деформаций применяется несколько различных методов, из которых наибольшее распространение получили методы измерения при помощи тензометров с механическим или электрическом принципом действия, В условиях учебной лаборатории крайне желательно, чтобы оборудование было простым по устройству и наглядным в работе.

Эксплуатируемое в настоящее время демонстрационно-испытательное оборудование для проведения лабораторных работ по сопротивлению материалов, как правило, отличается значительными габаритами и весом, высокой стоимостью. В таблице 1.1 приводится детальная классификация существующих машин, оборудования и приборов с указанием их назначения, области применения и положенного в основу конструкции кинематического принципа.

Использование такого оборудования во вновь создаваемых лабораториях (особенно в условиях учебно-консультационного пункта, удаленного от базового вуза) оказывается практически невозможным. Серия лабораторных установок, разработанных автором диссертации, позволяет во многом снять сложности, связанные с необходимостью приобретения нового оборудования или замены старого. На установках могут быть проведены экспериментальные исследования по всем разделам вузовского курса сопротивления материалов. Заметим, что (по соображениям простоты изготовления и экономичности новых установок) нам пришлось полностью отказаться от таких специфических-методов измерения деформаций, как оптический и•рентгенографический методы, метод муаровых полос, метод лаковых покрытий.

Таблица 1.1. Классификация испытательного оборудования

Типы машин, оборудования и приборов в зависимости от

области применения вида деформации образца

1 Машины для статических Растяжение, сжатие, продо-

испытаний льный и поперечный изгиб

2 Машины для испытания на удар Кручение, кручение с растя-

жением (копры)

3 Машины для испытания при Выносливость при изгибе,

повторно-переменных нагрузках растяжении, кручении

4 Машины для специальных видов Упрочнение изделий спосо-

испытаний бом пластической деформации

токами ВЧ

5 Приборы для определения По Бринелю,

твердости Роквеллу,

Виккерсу

6 Приборы для определения усилий Силоизмерительные приборы

(динамометры, амперметры,

реохорды)

7 Контрольноизмерительные Механические и электриче-

(вольтметры, осциллографы. ские датчики

индикаторы, тензометры,

штангенциркули, микрометры)

8 Рычажно-механические, Марок

действующие по принципу Р-5 ГЗИП

рычага ИМ-4Р, ИМ-12А конструкции

ЦНШТМАШ, УМ-5, машины

конструкции А.П.Коробова

9 Гидравлические, Типа УИМ-50, ГМС-50,ГМС-100

основанные на законе Паскаля Р-2 (фирмы Риле,США,294 кН)

ИМЧ-30, ИМЧ-60

Прессы завода Армолит,

БКК-200М

Рис.

1.1.

Разрывная машина HVÍ-5S

1.2. Разрывная машина РМ-55

1.2.1. Принцип действия и общая характеристика Общий вид разрывной машины РМ-55, обеспечивающей получение растягивающего усилия в образце до 55 кН, показан на рис. 1.1, а ее кинематическая схема - на рис. 1.2.

Основные узлы и детали машины приведены в спецификации.

Спецификация 1

NN узло Наименование Материал Кол-во Масса,кг

1 Основание машины Сталь-3 1

2 Фасонная стойка Сталь-3 1

3 Тяга трехзвенника Сталь-3 1

4 Шарнир трехзвенника Сталь-3 1

5 Динамометр ДПУ-2500 Сталь-3 1

6 Тяговая штанга Сталь-3 1 60

7 Верхняя тяга захвата Сталь-3 1

8 Захваты Сталь-3 2

9 Образец диам. 45 мм Сталь-3 1(п)

10 Нижняя тяга захвата Сталь-3 1

11 Компенсатор удара Сталь-3 1

12 Тяговый трос Сталь-4 1

13 Прокладка Сталь-3 3

14 Силовой винт Сталь-4 1

15 Маховик Сталь-1 1

При создании усилий в растягиваемом образце использован кинематический принцип инверсии. Для сравнения на рис. 1.1 показана схема машины Р-5 ГЗИП заводского изготовления, в которой, как и в других применяемых обычно разрывных машинах, используется принцип рычага. Переход к принципу инверсии позволил упростить конструкцию в сравнении с прототипом и уменьшить момент, прикладываемый к силовому винту, в связи с чем нагружение образца, вплоть до его

а) <

к приводу 4

1- динамометр ДПУ-2500

2- захваты

3- шарнирный двухзвенник

4- жесткий двухзвенник

5- образец

б)

0-г

1 - неравноплечий

рычаг

2 - образец

3 - винт

4 - маятник

5 - пишущий прибор

Рис. 1.2.

Кинематические схемы разрывных машин

а) РМ-55 (принцип инверсии)

б) Р-5 ГЗИП (принцип рычага)

2

разрыва, выполняется вручную.

Принцип действия машины РМ-55 состоит в создании продольных усилий во всех узлах и деталях, исключая болты. Вращая силовой винт с помощью маховика, вызываем растяжение тяг трехзвенника и образца. "Игра сил", обусловленная наличием трехзвенника, такова, что показания динамометра дают истинные усилия в образце на каждом этапе его загружения. Статический расчет всех узлов машины подтвердил выдвинутую нами гипотезу: если исключить трение в шарнирном трехзвеннике и винтовой нарезке захватов, то показания по шкале динамометра дадут внутреннее усилие в образце. Это соответствует исследованиям немецкого инженера Ф.Елейха, который показал, что от замены в расчетной схеме мостовой фермы жестких узлов на шарнирные происходит ошибка, не превышающая 4 - 12 %.

При разрыве образца происходит удар вследствие рассеяния потенциальной энергии. Для восприятия этого воздействия предусмотрен компенсатор удара.

1.2.2. Статический расчет элементов машины РМ-55 При расчете прочности элементов машины РМ-55 нами обнаружено, что шарнирный трехзвенник обладает "квазистатической неопределимостью". В качестве простейшего примера "квазистатичеоки" неопределимой

системы рассмотрим систему, показанную на рис. 1.3, а. Формальный подсчет (основанный на обычном сопоставлении числа статических неизвестных с числом независимых уравнений равновесия) показывает, что система один раз статически неопределима. В то же время, приняв в. качестве лишней неизвестной усилие в среднем стержне, получим очевидным образом Д-ip = и и, следовательно (поскольку отлично от нуля 6ц), Х-1 = = 0. Естественно (и легко проверяется), что при этом выполняется и деформационная проверка. Таким образом, формально статически неопределимая система фактически оказалась статически определимой.

Более сложный пример показан на рис. 1.3, б, где представлена расчетная схема, моделирующая работу основных силовых элементов машины РМ-55. Объединение шарнирного двухзвенника ABC о жестким диском ADC образует внутренне статически определимую систему, имеющую шарнирно-неподвижную опору в узле D и нагруженную усилия?

а)

Р

б)

N1

N.

Р

Рис. 1.3

'Квазистатически" неопределимые системы

а) трехстержневая ферма

б) шарнирный трехзвенник

ми в смещающихся связях: в верхней горизонтальной тяге, идущей к приводу, и в захватах, удерживающих образец в вертикальном положении. Общее число связей системы равно, таким образом, четырем, то есть на единицу больше числа уравнений равновесия системы как жесткого целого,

Однако и е этом случае усилия в системе могут быть рассчитаны без формального раскрытия статической неопределимости. Если в предыдущем примере обращение лишней неизвестной в нуль было следствием приложения кососимметричной нагрузки к симметричной системе, то в данном случае в качестве дополнительного.условия выступает