直觀教學(xué)法在土木工程專業(yè)全英文教學(xué)中的運(yùn)用與實(shí)踐

文獻(xiàn)民　張?jiān)粕?/p>

摘要：文章針對土木工程專業(yè)全英文教學(xué)特點(diǎn)，提出直觀教學(xué)法是土木工程專業(yè)留學(xué)生全英文授課的一種創(chuàng)新教學(xué)模式，并結(jié)合典型案例具體介紹了直觀教學(xué)法的應(yīng)用，包括實(shí)驗(yàn)演示法、教學(xué)模型演示法、結(jié)構(gòu)模型與工程實(shí)例結(jié)合法、現(xiàn)場教學(xué)法等。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；全英文授課；直觀教學(xué)法；模型演示；現(xiàn)場教學(xué)

中圖分類號(hào)：G6424；TU1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2014）06007404目前，國內(nèi)普通高等院校留學(xué)生數(shù)量逐年增加，面向留學(xué)生的全英文授課項(xiàng)目越來越多。由于文化、語言能力、教育背景等方面的差異，部分留學(xué)生不太適應(yīng)中國的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，尤其是一些留學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)和抽象思維能力方面較弱，對授課內(nèi)容的吸收和掌握有一定困難；另一方面，學(xué)生從高中階段的普通英語的學(xué)習(xí)，過渡到大學(xué)階段用英語進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)，在聽說讀寫方面都較難適應(yīng)，特別是對專業(yè)詞匯很陌生，常常無法準(zhǔn)確理解，極大地影響了教學(xué)互動(dòng)。因此，千方百計(jì)提高留學(xué)生全英文授課的教學(xué)質(zhì)量，是推進(jìn)高等教育國際化發(fā)展的首要保證[1-3]。

土木工程專業(yè)全英文授課項(xiàng)目的核心課程包括靜力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程材料、土力學(xué)、土木工程施工、混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理、基礎(chǔ)工程等等，其中專業(yè)課程對專業(yè)基礎(chǔ)課程的依賴度非常高。比如：靜力學(xué)和材料力學(xué)這兩門基礎(chǔ)課，可以主導(dǎo)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等專業(yè)課的學(xué)習(xí)。靜力學(xué)主要學(xué)習(xí)的是抽象的概念、受力分析方法和平衡方程的建立和求解，材料力學(xué)則學(xué)習(xí)變形、強(qiáng)度破壞和穩(wěn)定性的基本規(guī)律。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是基礎(chǔ)知識(shí)和原理在不同材料構(gòu)件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，是以靜力學(xué)為基礎(chǔ)，對材料力學(xué)內(nèi)容的細(xì)化和深入，具體體現(xiàn)為各種設(shè)計(jì)規(guī)范的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。比如兩根相同荷載、跨度和支座條件的混凝土梁和鋼梁，在內(nèi)力計(jì)算階段，屬于靜力學(xué)和材料力學(xué)范疇，其支座反力和內(nèi)力以及應(yīng)力分布規(guī)律完全相同；在設(shè)計(jì)階段則必須考慮混凝土材料和鋼材的特點(diǎn)，對材料力學(xué)的基本規(guī)律加以修正、補(bǔ)充和完善，以規(guī)范的形式對設(shè)計(jì)提出各自的要求。在全英文授課實(shí)踐中，筆者認(rèn)為直觀教學(xué)法能夠強(qiáng)化學(xué)生對抽象深?yuàn)W理論知識(shí)的理解，能大大提高全英文授課的教學(xué)效果[4]。本文結(jié)合土木工程專業(yè)留學(xué)生全英文授課經(jīng)驗(yàn)和課程特點(diǎn)，對直觀教學(xué)法進(jìn)行典型案例分析，旨在推動(dòng)全英文授課項(xiàng)目的順利開展。

一、實(shí)驗(yàn)演示法

將課堂實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)踐和開放實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在課堂教學(xué)中進(jìn)行對比分析，幫助學(xué)生加強(qiáng)對基本物理規(guī)律的理解和掌握，并學(xué)習(xí)運(yùn)用規(guī)律解決工程實(shí)際問題。例如在混凝土或砂漿試塊的抗壓實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)非常明顯的“環(huán)箍效應(yīng)”現(xiàn)象，破壞首先在試塊中部位置發(fā)生（如圖1）。在理論教學(xué)中不僅要采用實(shí)驗(yàn)演示或?qū)嶒?yàn)視頻資料觀察現(xiàn)象，加深學(xué)生對該概念的理解，更重要的是要在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生注意“環(huán)箍效應(yīng)”對提高構(gòu)件承載力的影響。例如自然界中的植物的節(jié)，在砌體結(jié)構(gòu)中施加的鋼筋網(wǎng)片，在鋼筋混凝土柱子中設(shè)置的環(huán)狀箍筋（如圖2）等等，都是利用“環(huán)箍效應(yīng)”所具有的天然的或人工的構(gòu)造原理，這樣就可以促使學(xué)生將所產(chǎn)生的感性認(rèn)識(shí)升華到理性認(rèn)識(shí)，有助于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)模型演示法

1.運(yùn)用教學(xué)模型，強(qiáng)化對力的合成及分解的教學(xué)。為了能夠使學(xué)生更好地理解和掌握力的平行四邊形合成法則，可采用如圖3所示的教學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。演示板上分布有正方形網(wǎng)格，在網(wǎng)格的交點(diǎn)處留有放置定滑輪的孔洞，演示者可在放置定滑輪的位置模擬不同方向的力，通過測力器讀出各個(gè)力的大小。

圖3力的合成教學(xué)演示模型以上三種平衡狀態(tài)的受力圖如圖4所示。通過對比幫助學(xué)生明白這三種平衡狀態(tài)對應(yīng)的是同一種狀態(tài)，即（b）中的F1、F2和（c）中的F3、F4所表示的兩個(gè)力的作用效果和（a）中F所表示的一個(gè)力的作用效果完全相同。

根據(jù)測力器上的讀數(shù)和繩索的方位角度，可以在演示板上按照一定的比例關(guān)系畫出三個(gè)力的矢量圖，進(jìn)而歸納出力的平行四邊形法則（如圖5）。

2.運(yùn)用疊合板條彎曲變形模型演示，理解混凝土構(gòu)件中的箍筋的抗剪作用，以及理解鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式柱中的綴件的抗剪作用。演示模型為相互疊放的板條，一端固定，另一端自由（如圖6a）。在自由端施加水平荷載，觀察板條之間的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象（如圖6b）。采用穿插栓釘?shù)姆椒▽鍡l之間建立聯(lián)系，再重新施加相同的水平荷載，觀察其變形情況（如圖7a）。將中間的部分板條抽掉，用綴板與剩余的兩根板條連接，再施加水平荷載，觀察其變形情況（如圖7b）所示。

在以上觀察和分析的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生分析討論框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下梁的抗剪作用（如圖7c）。

3. 結(jié)構(gòu)模型與工程實(shí)例結(jié)合法。作為土木工程師，不僅要能夠掌握材料力學(xué)的基本理論，更重要的是要熟練地運(yùn)用這些基本理論對研究對象進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，即能夠根據(jù)研究對象在不同荷載作用下所產(chǎn)生的變形和內(nèi)力圖，判定其不同位置的材料所承受的力的性質(zhì)。為此，筆者設(shè)計(jì)了不同的模型與工程實(shí)例，幫助學(xué)生掌握運(yùn)用基本理論對結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的方法。

（1）運(yùn)用彎曲變形演示模型，理解桁架或平板網(wǎng)架上、下弦桿的抗彎作用。彎曲變形演示模型如圖8所示，為一端固定、一端自由的橡膠柱體，在其外表面涂有規(guī)則的矩形網(wǎng)格，當(dāng)在其自由端施加彎矩以后，可以很清楚地觀察到模型的兩個(gè)側(cè)面承受較大的拉力和壓力，外側(cè)材料起到主要的抗彎作用。根據(jù)這個(gè)原理，引導(dǎo)學(xué)生分析桁架結(jié)構(gòu)上、下弦桿的抗彎作用機(jī)理，首先畫出具有相同支座條件的實(shí)腹梁在橫向荷載作用下的彎曲變形如圖9所示，根據(jù)這個(gè)變形圖就可以非常容易地判定桁架的上弦桿承受壓力和下弦桿承受拉力，并且根據(jù)彎矩圖也可以直接判斷出跨中的上、下弦桿承受的壓力和拉力大于靠近支座附近的弦桿所承受的內(nèi)力。

然后采用模型實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證該原理在弦桿內(nèi)力判定中的正確性。筆者組織學(xué)生制作了模型（如圖10），學(xué)生先根據(jù)所學(xué)知識(shí)判定斜腹桿的內(nèi)力狀態(tài)，然后進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，觀察各個(gè)弦桿的變形情況，進(jìn)而判定弦桿的受力狀態(tài)。可以看出，承受拉力的弦桿繃緊，而受到壓力作用的弦桿出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。在以上觀察和分析的基礎(chǔ)上，針對具體的工程實(shí)例（如圖11），組織學(xué)生討論分析桁架的上、下弦桿的內(nèi)力性質(zhì)，并作出初步的概念設(shè)計(jì)，確定受拉桿件和受壓桿件的截面形式。

（2）運(yùn)用剪切變形演示模型，理解梁的腹板以及桁架或平板網(wǎng)架斜腹桿的抗剪作用。剪切變形演示模型如圖12所示，根據(jù)該模型可以非常清晰的觀察到板在剪力作用下的變形特點(diǎn)，即板的一個(gè)對角線被拉長，另一個(gè)對角線則被壓縮，對角線上的材料承受拉（壓）力，從而起到抗剪作用。根據(jù)這個(gè)原理，引導(dǎo)學(xué)生分析桁架結(jié)構(gòu)斜腹桿的抗剪作用機(jī)理，首先畫出具有相同支座條件的實(shí)腹梁在橫向荷載作用下腹板的剪切變形圖，如圖13中虛線所示。根據(jù)這個(gè)變形圖就可以非常容易地判定桁架結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用下，哪些斜腹桿受拉，哪些斜腹桿受壓。

接下來筆者組織學(xué)生制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鐖D14）對該原理進(jìn)行驗(yàn)證。先判定斜腹桿的內(nèi)力狀態(tài)，然后進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，觀察各個(gè)斜腹桿的變形情況，進(jìn)而判定斜腹桿的受力狀態(tài)。可以看出，承受拉力的斜腹桿繃緊，而受到壓力作用的斜腹桿出現(xiàn)了失穩(wěn)。經(jīng)過反復(fù)的學(xué)習(xí)和模型實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生結(jié)合具體的工程實(shí)例（如圖15），研究、分析其抗剪方案的特點(diǎn)。

4.現(xiàn)場教學(xué)法。在不同的教學(xué)階段開展現(xiàn)場教學(xué)，對所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，引導(dǎo)學(xué)生掌握解決實(shí)際問題的能力。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)例開展現(xiàn)場教學(xué)，現(xiàn)場教學(xué)不同于課堂教學(xué)，它更側(cè)重于對課堂教學(xué)中所學(xué)知識(shí)的階段性總結(jié)和實(shí)際應(yīng)用。

例如，學(xué)生在第四學(xué)期已經(jīng)完成材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)習(xí)，對單個(gè)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形規(guī)律有了一定的認(rèn)識(shí)，具備了解決簡單問題的能力，此時(shí)利用暑期實(shí)習(xí)開展現(xiàn)場教學(xué)活動(dòng)非常有利。以在建的工程項(xiàng)目為載體（如圖16），針對其多跨空腹梁式剛架進(jìn)行概念分析，首先組織學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用梁的彎曲和剪切理論分析空腹梁（桁架）的上、下弦桿和腹桿的作用，然后學(xué)習(xí)運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中所學(xué)的多跨連續(xù)梁彎矩和剪力分布規(guī)律對該空腹梁的內(nèi)力進(jìn)行概念分析，給出大跨桁架梁的概念設(shè)計(jì)結(jié)果，然后再到項(xiàng)目現(xiàn)場與實(shí)際的工程進(jìn)行對比。現(xiàn)場教學(xué)極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

三、結(jié)語

在充分研究土木工程專業(yè)課程體系特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以科研實(shí)踐、工程案例、現(xiàn)場教學(xué)為基礎(chǔ)，有針對性地收集大量的影像資料，制作教學(xué)模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加大直觀教學(xué)法在土木工程全英文教學(xué)中的運(yùn)用。教學(xué)實(shí)踐表明，直觀教學(xué)法信息量大，易于理解和交流，有效改善了由于留學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、抽象思維能力不足、非母語交流困難等造成的學(xué)習(xí)問題，是適合留學(xué)生全英文授課的教學(xué)方法，它能大大提高全英文授課質(zhì)量。

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