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        《結(jié)構(gòu)力學》三段式教學方法

        2021-07-01 06:08:53王小蔚王敏容陳孔亮顏少榮
        科技風 2021年16期

        王小蔚 王敏容 陳孔亮 顏少榮

        摘?要:面向新工科,力學類課程應培養(yǎng)學生的力學思維。力學思維三個落腳點是工程(或自然現(xiàn)象)、力學、數(shù)學。文章運用三段式教學方法,從聽說寫等方面加深學生的力學思維培養(yǎng),同時培養(yǎng)他們的團隊意識、合作意識;帶動成績靠后的學生,提升學習興趣,提高學習效率。

        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)力學;三段式教學方法;學習金字塔

        一、教學現(xiàn)狀

        《結(jié)構(gòu)力學》課程不僅是土木工程和交通工程(公路和橋梁方向)的最重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一,而且還是該專業(yè)的必修課程之一。課程的主要內(nèi)容包括:桿件系統(tǒng)的幾何組成規(guī)律;內(nèi)力和位移計算的基本理論和方法;各種結(jié)構(gòu)的受力特性和計算方法。

        在以前的《結(jié)構(gòu)力學》教學中存在如下問題:

        (1)近年來國內(nèi)的高等教育由精英教育轉(zhuǎn)向大眾化教育,由于各個院校的擴招,招生門檻降低了,進入高等院校的學習人數(shù)越來越多,隨之帶來的問題是學生基礎(chǔ)普遍下降,平均質(zhì)量無法得到保證。

        (2)自2016年“新工科”被正式提出以來[1],傳統(tǒng)力學教學已無法滿足新工科的發(fā)展,學生在學習過程中理論與工程實際常常是脫節(jié)的,缺乏將數(shù)學,力學原理及工程有機關(guān)聯(lián)。加之力學類基礎(chǔ)課程的課時被壓縮。課時的精簡,導致前面的內(nèi)容理解不透徹,后面的知識學習起來非常吃力,造成學生的畏難情緒。一旦學生出現(xiàn)畏難情緒,他們便會喪失對學習的興趣及主動性,從而陷入被動的學習狀態(tài),學習效率和質(zhì)量將大大降低,如果學生沒有辦法克服這種畏難情緒,那么他的學習將會受到很大的影響。

        (3)以老師為中心的課堂講授模式,主要是實施灌輸式教育。例如,有的力學課堂教學把傳統(tǒng)的“滿堂灌”變成“滿堂問”?!爸恢薄笆遣皇恰薄皩Σ粚Α薄霸趺礃印薄昂貌缓谩薄斑€有嗎?”之類的毫無啟發(fā)性的問題充斥課堂,一方面把整體性的教學內(nèi)容肢解得支離破碎,從而大大降低了知識的智力價值;另一方面把對話變?yōu)閱柎?,課堂上一問一答,形式呆板,表面上師生、生生在互動,實質(zhì)上是用提問的方式去“灌”。學生上課即使聽懂了,做作業(yè)照樣是一頭霧水,考試更是一塌糊涂,更不要談理論聯(lián)系實際,運用理論指導解決實際問題,所以說聽懂了≠掌握。

        因此,《結(jié)構(gòu)力學》課程教學改革勢在必行,這一點毋庸置疑,且迫在眉睫。

        二、三段式教學方法

        面向新工科的力學類課程教學改革,應通過力學課程學習培養(yǎng)學生的力學思維。力學思維,一方面力學既要對工程進行數(shù)學的定量描述,將工程問題利用力學原理和力學模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學問題,使力學變成了應用數(shù)學;另一方面力學要將數(shù)學轉(zhuǎn)換為工程,指導工程實踐。故力學思維包含三個落腳點和兩條邏輯線。三個落腳點指的是工程(或自然現(xiàn)象)、力學、數(shù)學三點。兩條邏輯線如下表所示。

        力學思維—兩條邏輯線表

        兩條邏輯線第一條邏輯線第二條邏輯線邏輯方向工程→力學→數(shù)學數(shù)學→力學→工程能力提煉出力學要素,找到力學規(guī)律,利用數(shù)學進行定量描述舉一反三,觸類旁通,創(chuàng)造能力體現(xiàn)多個案例抽象出一般力學規(guī)律同一個理論可應用于多種工程領(lǐng)域

        對力學思維的培養(yǎng),宜采用三段式教學方法[2],即圍繞每一知識點將其分解為工程背景、數(shù)學基礎(chǔ)、力學原理三個方面。在授課中,首先按照工程的思路培養(yǎng)學生的工程意識,然后按照數(shù)學課程的講解方式培養(yǎng)學生的數(shù)理推導能力,最后利用力學原理、力學模型建立數(shù)學與工程的對應關(guān)系,并能在數(shù)學和工程之間相互解讀和翻譯,以培養(yǎng)形成力學的雙向思維方式。

        (一)教師層面

        1.將知識點分解為工程背景、數(shù)學基礎(chǔ)、力學原理,結(jié)構(gòu)力學的知識點進行梳理:

        工程背景不外乎解決桿系結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性問題,或者為其逆問題研究,需要有針對性收集典型工程案例;

        結(jié)構(gòu)力學中所用到的主要數(shù)學基礎(chǔ)為高等數(shù)學、線性代數(shù)等相關(guān)內(nèi)容,需要梳理在結(jié)構(gòu)力學中所用到的數(shù)學基礎(chǔ)知識點及相應能力;

        結(jié)構(gòu)力學原理包括:平衡原理、虛功原理等原理及其應用。

        2.三段式教學

        三段式教學實施,例如用虛功原理求解結(jié)構(gòu)位移:

        虛功原理知識點分解為工程背景——工程的剛度問題;

        數(shù)學基礎(chǔ)——不定積分、定積分及其應用,虛功的概念;

        力學原理——虛功原理。

        首先介紹相應工程背景——工程的剛度問題,需要明確桿系結(jié)構(gòu)的位移及變形;典型案例——三孔鋼桁架梁在施工過程中,在梁的自重、臨時軌道、吊機等荷載作用下,懸臂部分將下垂而發(fā)生豎向位移fA。如果位移fA太大,吊機容易滾走,同時梁也不能按設計要求就位。所有要先計算出位移fA,以便采取相應的措施,確保施工安全和拼裝就位(如圖1所示)。

        需要用到的數(shù)學基礎(chǔ)——不定積分、定積分及其應用,虛功的概念;

        最后講解力學原理——變形體的虛功原理求解結(jié)構(gòu)的位移。

        至此,變形體虛功原理求解結(jié)構(gòu)位移主要內(nèi)容基本完成。

        (二)學生層面

        1.學習金字塔理論

        下圖為美國緬因州貝瑟爾國家培訓實驗室對學生在每種指導方法下,學習兩周之后,學生對知識的留存率,稱為學習金字塔理論[2]。聽課方式下知識留存率是5%,教授給他人的方式下知識留存率是95%。學習金字塔理論告訴我們:不同的學習方法達到的學習效果不同,最有效的學習方法就是要大力提倡小組合作學習,小組成員間要相互討論,開展同學輔導同學,講給別人聽等活動,通過這樣的方式,同學們在參與中掌握了知識,生成了能力,從而真正實現(xiàn)了從知識到能力的轉(zhuǎn)化。

        2.學生三段式講課

        針對學生在學習過程中的難點及重點,要求學生在指定時間上講臺講課,《結(jié)構(gòu)力學》課程分為兩個學期,根據(jù)具體的上課內(nèi)容及進度安排,每學期安排1~2次講課任務。要求學生以小組合作學習方式,互相討論,在組內(nèi)開展同學之間的相互交流,學習靠前的同學輔導基礎(chǔ)較弱的同學等,最后由小組代表完成教師布置的講課任務。具體環(huán)節(jié)如下:

        (1)時間:因課時壓縮,故三段式講課安排課外進行,一般是在周二的下午;

        (2)分組:每組5到6人,要求有成績靠前的同學,成績中等的同學,也有成績靠后的同學,確定小組長;

        (3)布置任務:提前兩周布置講課內(nèi)容,每個團隊完成選題、PPT制作、隊內(nèi)講課互評等環(huán)節(jié),小組提交的總結(jié)中需體現(xiàn)該過程;

        (4)完成任務:周一晚上公布講課名單,每組由老師指定1名同學講課,其講課成績作為該小組本次講課成績;

        (5)提交本次小組三段式講課總結(jié);

        (6)抽查:由于每次三段式講課每小組只抽到1名同學,故老師會在指定時間抽查其余同學到辦公室單獨講課,主要是針對成績靠后的同學。

        3.任務細則

        (1)按“工程背景—數(shù)學基礎(chǔ)—力學原理”主線完成三段式講課任務;

        (2)以小組為單位,提交三段式講課PPT、視頻及總結(jié)報告;

        (3)三段式講課總結(jié)內(nèi)容:小組分工+小組活動記錄+亮點、不足;

        (4)PPT、講課成績組間互評,小組工作總結(jié)由教師評分。

        (三)考核方式

        課程最終成績=考試成績(40%)+平時成績(40%)+三段式講課成績(20%);

        其中:考試成績=期中考試成績(10%)+期末考試成績(30%);

        平時成績=學習筆記(20%)+作業(yè)(10%)+課堂測驗(10%);

        三段式講課成績=PPT(30%)+講課(50%)+小組工作總結(jié)(20%)。

        三、總結(jié)

        本課程基于OBE理念,以學生為中心,重在培養(yǎng)學生的力學思維。開展三段式教學,充分尊重學生在學習活動中的主體地位,引導學生自覺地參加合作學習,從聽、說、寫等方面加深學生對《結(jié)構(gòu)力學》基本概念、基本原理、基本方法的理解和運用能力;培養(yǎng)他們的團隊意識、合作意識;帶動成績靠后的學生,提升學習興趣,提高學習效率。

        參考文獻:

        [1]吳愛華,侯永峰,楊秋波,等.加快發(fā)展和建設新工科,主動適應和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究,2017(1):19.

        [2]張偉偉,田錦邦.彈性力學的三段式教學方法.力學與實踐,2017,39(2):191195.

        [3]肖靜宜.運用“學習金字塔”理論發(fā)揮教學“小助手”作用[J].廣東教育(職教版),2013,(6):7071.

        基金項目:2018年廣東省教學改革項目“面向新工科的力學類課程教學改革與實踐”(GDJX2018016)

        作者簡介:王小蔚(1976—?),女,漢族,河北盧龍人,碩士,講師,主要從事計算結(jié)構(gòu)力學的教學與研究工作。

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