结构力学教学设计与实践分析

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［摘要］针对结构力学教学中存在重理论、轻实践，重教师讲解、轻学生协作等问题，基于建构主义学习理论的分析，情境创设缺失，协作、会话环节被弱化是上述问题出现的主要原因。基于建构主义学习理论指导下的教学设计原则对课程进行了宏观、中观、微观的教学设计。宏观上注重教学模块的划分，中观上突出以能力培养为导向，微观上强调工程情境的创设。实践表明：改进后的教学设计能够以学生为中心，激发学生的学习热情，有助于学生综合能力的培养。

［关键词］建构主义；情境创设；协作；教学设计

结构力学是土木工程专业课程体系中非常重要的一门专业基础必修课，主要研究杆系结构的组成规律、合理形式、内力和变形的计算方法及动力荷载作用下结构的反应[1]。该课程是联系基础力学课程与工程设计课程的纽带，是使学生从力学基本原理过渡到工程实际应用的重要桥梁[2]，是众多院校招收土木工程专业研究生的必考课程。目前，该课程的教学普遍遵循“教材内容→课件制作→课堂讲授→作业解题”的标准过程，在以教师为中心的传统教育观念下课程教学出现了重理论、轻实践；重定量计算、轻定性分析；重课上教师讲授，轻课下学生协作[2-6]等问题，直接影响到学生工程意识的建立及实践能力、分析能力、创新能力的培养。笔者基于建构主义学习理论对上述问题进行了分析，并对该课程进行了宏观、中观、微观的教学设计与实践。

一、基于建构主义学习理论的分析

建构主义学习理论认为[7]：知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，借助于他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。情境是学习环境中的首要因素，协作伴随学习过程的始终，会话是达到意义建构的重要手段，意义建构是整个学习的最终目标。由此可知：1.教学中实践环节不足，相当于学习环境中工程情境创设缺失，这会使理论与实践相结合的环节被割裂或被限定；2.学生定性分析能力不足，相当于学习环境中结构设计情境创设缺失，这会使通过结构设计来培养学生定性分析能力的环节被忽视；3.课后学生协作环节不足，相当于学习过程中协作、会话环节被弱化，这会使通过协作、会话来培养团队合作能力、沟通能力的环节被忽视。可见，以上问题的出现与建构主义学习理论中“情境”创设缺失、“协作”“会话”机制不完善、“意义建构”不充分紧密相关。

二、基于建构主义学习理论的教学设计原则

[8]教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划。传统的教学设计已较完善，具有较完整、较严密的理论方法体系和可操作性，但其以教师为中心，只强调教师的“教”而忽视学生的“学”。建构主义学习理论下的教学设计原则为：强调以学生为中心；强调“情境”对意义建构的重要作用；强调“协作学习”对意义建构的关键作用；强调学习过程的最终目标是意义建构。

三、课程教学设计

基于建构主义学习理论及北京师范大学何克抗教授提出的教学设计原则，笔者以我校结构力学为例，进行了宏观上教学模块的划分，中观上以能力培养为导向的教学单元设计，微观上以工程情境创设为特色的教学小节设计。（一）教学目标分析。本课程整体教学目标是：培养学生力学计算、力学分析的能力，让学生初步具备将工程实践中的实际问题抽象为相应力学模型并进行力学计算、力学分析的能力。基于整体教学目标的要求，笔者结合教学内容，对其进行宏观教学设计。笔者将教学内容分为三个教学模块：将绪论、结构几何组成分析章节定为力学概念能力培养模块，教学中强化结构整体系、分体系的概念，加强力学计算简图简化、分析能力的培养；将静定结构受力分析、影响线、虚功原理和位移计算章节定为力学基础能力培养模块，在教学中强化方案比选、软件建模能力的培养，通过协作学习加强力学基本功的训练；将力法、位移法、渐进法定为计算分析能力培养模块，在教学中强化工程问题力学分析能力的培养，加强结构计算能力的培养训练。以结构力学第3章静定结构受力分析为例，结合教学内容，突出能力培养导向，从多方案实施角度进行中观（单元）教学设计，具体如图1所示。（二）情境创设。结构大师林同炎在其经典著作《结构概念和体系》中曾指出[9]，“工程师教育的专门化模式导致人们常常由细节开始，而对总体方案缺乏足够的关心”，“必须找到一种教育方法，使建筑和结构专业的学生学会在总体设计内容中将技术知识概念化”，这种教育方法就是总体教育方法。基于教学目标的要求，结合总体教育方法，以理论教学注重工程应用、实践训练注重定性分析为原则，分别介绍理论教学、实践教学中的情境创设。理论教学作为结构力学的教学主体，其教学效果对课程教学目标的实现具有决定性的影响。以结构力学第3章静定结构受力分析第4小节静定桁架为例，介绍微观（小节）教学设计（如图2所示）。实践教学作为巩固、加深理论教学所学内容的有效途径，是理论联系实际、培养学生动手能力、创新意识的重要平台。结构力学与工程联系紧密，除具有力学课程理论性强的特点外，实践性是其另一显著特征。以我校结构力学实践教学环节“基于结构力学求解器的一榀框架结构内力计算”为例，介绍实践教学环节中基于结构设计流程的情境创设。本实践环节的任务是根据给定的多层混凝土框架结构设计资料（建筑施工图、工程概况、建筑做法、可变荷载取值、地质条件），进行上部结构布置、竖向荷载计算、风荷载计算及基于结构力学求解器的一榀横向框架内力计算（弯矩图、剪力图及轴力图的绘制）。根据结构体系选择→结构布置→荷载计算→计算简图建立→作用效应计算等结构设计流程，依次创设框架结构整体模型→结构分体系模型及构件尺寸拟定与定位→作用方向分类及荷载导算→分体系计算简图→内力、内力图及包络图等结构设计情境，旨在通过此实践环节，培养学生的方案比选能力、概念设计能力、规范应用能力、软件应用能力及定性分析能力等。通过情境创设，有助于学生建立工程意识，使课程的学习不再是纯理论学习，而是与工程紧密结合的有实际意义的学习，这有助于学生对所学内容的理解与内化，能实现理论与实践相结合的教学理念。（三）信息资源设计。建构主义学习环境下学生可以利用各种工具和信息资源（如文字材料、书籍、音像资料、CAI与多媒体课件以及Internet上的信息等）来达到自己的学习目标。基于学堂在线、爱课程、超星学术视频等在线网络课程，发挥MOOC优势，为学生提供课前预习、课后复习、拓宽视野等信息资源；充分利用学校网络课程平台，教师将相关的资源信息上传到课程资源版块，学生可以根据自己的实际情况进行选择性学习，这有力地支持了学生的自主学习和协作式探索。（四）自主学习设计。自主学习设计要发挥学生的首创精神，将知识“外化”、实现自我反馈。以支架式教学方法为例，介绍结构力学第3章静定结构受力分析第1节静定梁中静定多跨梁几何组成的自主学习设计。在遵循维果斯基“最邻近发展区”理论的前提下，笔者首先回顾静定单跨梁的基本类型，结合公路桥梁、屋架檩条等工程图片，引入静定多跨梁工程情境，让学生借助于几何组成分析的基本规则在静定单跨梁的基础上创设出静定多跨梁，然后结合静定多跨梁的定义、上述工程图片相对应的计算简图及工程案例，让学生进行小组协商、讨论，进一步明确静定多跨梁的几何组成；最后教师进行总结，学生进行相关评价。（五）协作学习环境设计。协作学习或曰合作学习，是一种通过小组或团队的形式组织学生进行学习的一种策略。协作学习是在一定的环境中进行的，协作学习环境主要包括组织环境、空间环境、硬件环境和资源环境[10]。下面以协作学习环境中的组织环境的创设为例进行说明。结构力学理论性较强，对于力学基础不好的学生而言，由于课堂上听课吃力、课后缺少帮扶协作，其会逐渐陷入听不懂→不听课→不及格的恶性循环之中。为此，在力学基础能力培养模块（尤其是静定结构受力分析教学单元）教学中，笔者采用课后小组合作学习的形式，全力帮扶学习困难学生。合作学习小组按照“组内异质、组间同质”的原则组建，通过组长遴选→组员报名→小组组建→小组活动→小组评价等环节的实施，为合作学习搭建平台，这既培养了学生的合作能力、沟通能力和管理能力，又增强了学生学习兴趣和学习效果。（六）学习效果评价设计。传统的结构力学考核方案主要通过考试考查学生的动手计算能力，但对于结构设计、结构分析、软件应用、团队协作等能力的考查很难做到。因此，基于综合能力培养的角度，笔者进行了结构力学考核方案的设计。该考核方案成绩由理论教学考核模块、实践教学考核模块、学习态度考核模块三部分构成，各模块分值比例依次为60%、20%、20%。理论教学模块主要考查学生的结构计算能力和结构分析能力，理论教学考核模块（60%）=期中考试（20%）+期末考试（40%）；实践教学考核模块主要考查学生的结构设计能力和软件应用能力，实践教学考核模块（20%）=模型制作（10%）+软件操作（10%）；学习态度考核模块主要考查学生的自我管理能力和团队协作能力，学习态度考核模块（20%）=个人表现（10%）+组内表现（10%）。（七）强化练习设计。结构力学教学内容涉及梁、刚架、桁架、组合结构等杆系结构内力、位移的计算等内容，在学时逐渐减少而教学内容不减的情况下，适量的强化练习有助于学生及时掌握所学内容。以静定梁弯矩图绘制为例，从弯矩图绘制基本步骤、弯矩图绘制技巧、概念法绘制弯矩图、弯矩图正误判定等角度进行强化练习，以便及时纠正原有的错误理解或片面认识，最终达到符合要求的意义建构。

四、实践结果反馈

上述教学设计在我校土木2014-2016级课程教学中得到探索应用，从课程考试成绩（期末考试平均成绩提高近15分，不及格人数明显降低）、课程设计、毕业设计中采用电算的比例（比例提高了近25%）、省结构设计大赛所获奖项（2016-2018年连续三年获省级一等奖，位于省属高校前列）、大学生创新创业项目获批（2018年土木工程专业获批5项，其中国家级3项，省、校级各1项）等情况来看，基于建构主义学习理论的教学设计及基于综合能力培养的考核方案设计较好地实现了课程教学目标，改革效果显著，有利于创新型高素质应用型人才的培养。

五、结语

1.基于课程教学目标，结合总体教育方法，以理论教学注重工程应用、实践训练注重定性分析为原则进行情境创设，能够增强学生理论联系实际的能力，激发学生的学习热情。2.课程学习阶段实行小组合作学习，强化了协作、会话环节，能够培养学生的团队合作能力，全力帮扶基础薄弱的学生，从整体上保证教学质量。3.基于建构主义学习理论的教学设计符合以学生为中心的教学理念，可以提高学生综合解决问题的能力，较好地实现课程教学目标。

作者:张学元 张道明 吕春 单位:齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院