摘 要 “土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”是中等職業(yè)教育建筑專業(yè)國家指定的平臺性課程。由于該課程概念抽象、計算多、邏輯性強(qiáng)的特點，中職學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)困難較大。模擬實驗教學(xué)法是行動導(dǎo)向教學(xué)框架下適宜專業(yè)課教學(xué)的一種理實交融的模擬教學(xué)法，它按照中職學(xué)生形象思維優(yōu)于抽象思維的認(rèn)知特點，讓學(xué)生在動手模擬實驗中直觀地掌握力學(xué)知識與及其應(yīng)用。本文從中職土木力學(xué)教與學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)研入手，提出力學(xué)模擬實驗教學(xué)改革的必要性，并結(jié)合具體實例說明模擬實驗教學(xué)法的應(yīng)用，以對比實驗的方式分析模擬實驗教學(xué)法應(yīng)用效果，同時，對模擬實驗教學(xué)中存在問題進(jìn)行反思，以此來推動模擬實驗教學(xué)法在“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的成熟應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 土木力學(xué) 模擬實驗 改革 應(yīng)用

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.051

Application of Simulation Experimental Teaching in

"Basis of Civil Engineering Mechanics"

ZHAO Chonghui

（Construction Vocational School in Fuzhou， Fuzhou， Fujian 350007）

Abstract "Civil Engineering Mechanics Foundation" is secondary vocational education platform for building professional designated by the State curriculum. Due to the abstract concept of the course， to calculate more logical and strong features， vocational students generally feel a greater learning difficulties. Simulation courses teaching pedagogy is an appropriate blend of theory and practice teaching under simulated action-oriented teaching framework， which according to the image of vocational students thinking better cognitive characteristics of abstract thinking， so that students intuitively grasp the hands-on simulation experiment mechanical knowledge and its application. In this paper， the status quo from the post civil mechanics of teaching and learning research， puts forward the need for mechanical simulation experiment teaching reform， combined with specific examples illustrate the application of simulation teaching， to compare experimentally analyze simulation teaching method， but will of simulation teaching reflection problems， in order to promote application of simulation teaching mature "basic civil engineering mechanics" course teaching.

Key words Civil Engineering Mechanics; simulation experiment; reform; application

傳統(tǒng)的中職“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容抽象、枯燥。教師不愛教，學(xué)生不愿學(xué)，課堂教學(xué)不佳。學(xué)校專門成立力學(xué)教學(xué)改革攻關(guān)小組，編寫《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》（多學(xué)時）模擬實驗化教材，開展“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程模擬實驗教學(xué)改革，開發(fā)力學(xué)模擬實驗教學(xué)用的教具和學(xué)具（實驗元件），邊改革創(chuàng)新邊課堂實踐，把模擬力學(xué)實驗結(jié)合多媒體技術(shù)，將難于觀察到的桿件受力與變形進(jìn)行模擬再現(xiàn)，較好地解決了力學(xué)理論概念抽象、計算多、邏輯強(qiáng)的問題，同時，幫助學(xué)生克服理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象，實現(xiàn)知識到能力的順利遷移，從而有效提高力學(xué)教學(xué)質(zhì)量和效果。

1 力學(xué)模擬實驗教學(xué)改革的緣由

“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”是國家規(guī)定的中職土木水利類專業(yè)的平臺性課程，是連接公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁和紐帶，它與其他專業(yè)課程相比，存在著概念抽象、計算多、連貫性強(qiáng)的特點。力學(xué)課程自身“難”的問題，使中職學(xué)生學(xué)習(xí)普遍感到困難，筆者曾對某年級建筑工程施工專業(yè)二百多名學(xué)生進(jìn)行摸底，其中僅有10%左右學(xué)生能跟上教師進(jìn)度，近60%的學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)信心，力學(xué)期考卷面成績及格率不到50%。同時，任課教師普遍感到自己像是在臺上唱獨角戲，無法體會教學(xué)的成就感和喜悅感。面對這一困境，如果教師只會發(fā)牢騷、怨天尤人，而不去從自身教學(xué)策略上找原因、想辦法，將問題的原因歸結(jié)于學(xué)生學(xué)習(xí)能力差、學(xué)習(xí)態(tài)度不端正等方面，那是永遠(yuǎn)無法突破力學(xué)教學(xué)的困境。因而，尋找一種既能適應(yīng)力學(xué)學(xué)科特點，又能激發(fā)學(xué)習(xí)積極性的新的教學(xué)方法迫在眉睫。

為此，我們從中職學(xué)生認(rèn)知特點和力學(xué)課程的學(xué)科特點出發(fā)，通過長期的研究和實驗，總結(jié)出一種不同于傳統(tǒng)教學(xué)的新方法——模擬實驗教學(xué)。用實驗來模擬構(gòu)件的受力與變形、揭示力學(xué)原理，讓學(xué)生從抽象思維中解放出來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生體驗學(xué)習(xí)的快樂。

2 力學(xué)模擬實驗教學(xué)方法的特點

傳統(tǒng)力學(xué)課堂教學(xué)往往以教師講授為主，整個過程大部分學(xué)生在臺下聽、看和算，而學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與創(chuàng)造性難以發(fā)揮出來。因此，結(jié)合力學(xué)教學(xué)的特點，利用小實驗?zāi)M，并結(jié)合多媒體技術(shù)，將難于直觀觀察到的力學(xué)現(xiàn)象在課堂上直觀展現(xiàn)出來，同時又能讓學(xué)生動手模擬操作，這樣既能解決力學(xué)理論抽象、枯燥、不易理解的問題，又能改變學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中被動現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性與積極性。

2.1 模擬實驗直觀地詮釋力學(xué)原理

我們研發(fā)了與《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》教材配套的模擬實驗用元件盒（教具與學(xué)具），元件盒里面配備相應(yīng)的力學(xué)模擬實驗器件，通過力學(xué)模擬實驗將構(gòu)件受力變形效果放大（如圖1、圖2），這樣結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力與變形既能看得見又能摸得著，構(gòu)件的受力原理就可以直觀地呈現(xiàn)出來。同時，直觀化教學(xué)符合中職學(xué)生直觀學(xué)習(xí)優(yōu)于抽象學(xué)習(xí)的認(rèn)知特點，有助于降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，獲得成功感，體驗學(xué)習(xí)快樂，讓學(xué)生們在課堂上抬起頭，注意力不再集中在手機(jī)上，主動參與學(xué)習(xí)，真正“動”起來。

圖1 紙板放上鏈條，紙板向下變彎，體現(xiàn)力與變形一致性原理

圖2 對不同約束的鋼片施壓，來模擬不同支座約束與壓桿變形的關(guān)系

2.2 模擬實驗靈活地創(chuàng)建教學(xué)情境

除了利用實驗元件盒中的元件進(jìn)行模擬實驗教學(xué)外，而許多模擬實驗教學(xué)的器件取自日常用品，教師及學(xué)生可以結(jié)合自身教與學(xué)的特點，開發(fā)與利用身邊的資源，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，去模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力方式，巧妙創(chuàng)建教學(xué)情境。例如學(xué)生學(xué)習(xí)“平面匯交力系合成與分解”時，教師可以設(shè)計這樣一個模擬實驗：用一根尼龍繩子綁住學(xué)生課桌，讓學(xué)生設(shè)法借助教室里其他構(gòu)件，使自己用最小的力氣用繩子拉動課桌，這樣的設(shè)計能激發(fā)學(xué)生去思考，去尋找要借助的東西，課堂氣氛因此活躍了。這時，學(xué)生可以將繩子的另一端頭綁在一個固定點上（例如教室的窗柵），然后從繩子中點垂直于繩子方向用力拉動，就能很輕松地移動課桌，通過這樣的現(xiàn)場體驗，學(xué)生對“力的合成與分解”概念及其應(yīng)用有了初步認(rèn)識，再深入學(xué)習(xí)該章節(jié)的內(nèi)容就容易多了。

2.3 模擬實驗巧妙地融合信息技術(shù)

中職學(xué)生普遍對于生活化、工程化的教學(xué)內(nèi)容興趣較大，對于理論化教學(xué)內(nèi)容比較抵觸，他們上課時經(jīng)常會問這些內(nèi)容學(xué)了有用嗎？用在哪里？利用多媒體虛擬技術(shù)展現(xiàn)工程背景和模擬場景，形象地回答學(xué)生的學(xué)習(xí)疑問。同時，也能抓住中職年齡段學(xué)生普遍對虛擬技術(shù)感興趣的特點，因勢利導(dǎo)地將其興趣與愛好遷移到學(xué)習(xí)上來。

2.3.1 影像技術(shù)再現(xiàn)真實場景

我們利用影像制品與動畫仿真制作等手段，模仿構(gòu)件受力現(xiàn)象，呈現(xiàn)隱蔽或微觀變形。讓學(xué)生置身于虛擬的工程生產(chǎn)場景中，打破學(xué)習(xí)在時間和空間上的約束，從而獲得更多的直觀性知識，同時也可避免學(xué)生在真實環(huán)境下不安全因素的影響。例如在介紹“低碳鋼拉伸力學(xué)性能”時，由于受到實驗室條件的限制，我們可以制作“低碳鋼在拉伸過程的彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮、斷裂等五個階段強(qiáng)度及變形變化”動畫，用動畫再現(xiàn)真實情境，剖析低碳鋼在拉伸五個階段的受力特征與變形特點，同樣取得真實效果，讓學(xué)生既能直觀地觀察受力變形，又能提高學(xué)習(xí)的安全性。

2.3.2 動畫技術(shù)實現(xiàn)反復(fù)學(xué)習(xí)

利用多媒體動畫能實現(xiàn)反復(fù)學(xué)習(xí)，它可實現(xiàn)暫停播放的功能，這有助于教師對某個知識點進(jìn)行詳細(xì)的分析，有利于難點突破;同時學(xué)生可根據(jù)自己學(xué)習(xí)能力與掌握程度在電腦上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，面向全體學(xué)生達(dá)到分層學(xué)習(xí)的目的。

3 模擬實驗教學(xué)的應(yīng)用

在實踐教學(xué)中可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與任務(wù)的要求，合理應(yīng)用模擬實驗教學(xué)法，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，力求學(xué)習(xí)效果實現(xiàn)最優(yōu)化。下面以“直桿軸向拉伸與壓縮時的內(nèi)力”教學(xué)為例，說明模擬教學(xué)法在“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的應(yīng)用（表1）。

4 模擬實驗教學(xué)的成效

教學(xué)實踐表明，模擬實驗教學(xué)法不但能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性，而且更重要的是提高學(xué)生的自信心。模擬實驗教學(xué)是讓學(xué)生在模擬的情境下，通過實實在在的模擬實驗操作，來學(xué)習(xí)和運(yùn)用專業(yè)知識，讓難以理解的專業(yè)知識變得直觀、易學(xué)。它符合中職年齡段學(xué)生的認(rèn)知特點，這個階段學(xué)生的認(rèn)識正處于從具體到抽象的過渡期，模擬教學(xué)法能在抽象思維培養(yǎng)與具體實踐技能之間把握平衡，幫助學(xué)生實現(xiàn)認(rèn)識形式上的過渡。我們采用非隨機(jī)分派單組控制前、后測實驗法，從2012級建筑工程施工專業(yè)中選擇“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”半期考成績相近的兩個班12（18）與12（20）為研究對象，恰巧這兩個班級人數(shù)以及其它班級狀況也比較接近（見表2）。

表2 2012-2013學(xué)年第一學(xué)期兩個班的半期考成績（前測）

用抽簽的方法確定12（18）班為實驗組，12（20）班為對照組。實驗組和對照組由同一個老師擔(dān)任土木工程力學(xué)課程教學(xué)，實驗組用模擬實驗法教學(xué)，而對照組仍按原來的模式教學(xué)。

經(jīng)過半個學(xué)期實驗，對比實驗組與對照組的學(xué)習(xí)成績，由于實驗前實驗組與對照組力學(xué)學(xué)習(xí)成績接近，故暫不考慮前測差異的影響，直接對比實驗組與對照組土木力學(xué)期考成績。由表3可知，實驗組的力學(xué)期考平均分比對照組高出14.3分，及格率提高15.7%。

表3 實驗組與對照組2012-2013學(xué)年第一學(xué)期期考成績（后測）

除了對比土木力學(xué)成績外，實驗期間課題組成員每個月以聽課老師的身份對實驗組和對照組進(jìn)行課堂觀察（每組各三次），并填寫觀察表，在觀察表中設(shè)有“專業(yè)知識掌握情況”、“專業(yè)技能掌握情況”、“注意力集中狀態(tài)”、“學(xué)習(xí)參與度”、“學(xué)習(xí)合作性”及“分析與解決問題能力”等六個觀察項，為方便比較，每個觀察項按“較好”、“一般”、“較差”分別賦予“3”、“2”、“1”分值。

由表4、圖3可知，實驗組學(xué)生的學(xué)習(xí)成績及表現(xiàn)都明顯地高于對照組。任課教師也反映，采用模擬實驗法教學(xué)后，越來越多的學(xué)生注意力開始集中到課堂上，同時，每節(jié)課不同的實驗，使學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情始終高漲，課堂上玩手機(jī)、睡覺的學(xué)生明顯少了，且打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，使教學(xué)進(jìn)入新的境界，學(xué)生容易學(xué)，教師容易教。

圖3 實驗組與對照組課堂學(xué)習(xí)狀況觀察對比

5 模擬實驗教學(xué)反思

（1）中職學(xué)生自控能力較差，學(xué)生易活躍過頭，導(dǎo)致整個教學(xué)過程不易控制，造成課堂秩序混亂，所以要求教師加強(qiáng)教學(xué)組織與引導(dǎo)工作。（2）學(xué)生長時間在課件環(huán)境下學(xué)習(xí)，影像與動畫的畫面快速變化，很容易產(chǎn)生視覺疲勞，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，所以教師要安排好多媒體使用時間，并重視加強(qiáng)教師和學(xué)生間的互動和交流。（3）部分模擬實驗可進(jìn)一步優(yōu)化組合，在有限的時間內(nèi)突出重點知識的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧光斌主編.土木工程力學(xué)基礎(chǔ)：多學(xué)時[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010 .

[2] 趙崇暉.模擬教學(xué)法在中職學(xué)校專業(yè)課中的應(yīng)用研究—— 以建筑專業(yè)為例[D].福建：福建師范大學(xué)，2013.

[3] 尹冰.模擬技術(shù)在《土木工程力學(xué)》課堂教學(xué)中的開發(fā)及應(yīng)用[J].科協(xié)論壇（下半月），2012.6.