一堂趣味力學課程中創新思維的培養

[摘要]本文根據創新思維過程設計了一堂趣味力學課程，通過對照分析創新思維過程與教學過程各階段之間的關系。在講授和驗證課程內容的基礎上，又對學習內容進行了一定程度的完善和拓展。取得了良好的教學效果。說明了將創新思維的培養恰當的引入到日常教學工作中，不僅可以提高學生的素質，也會取得較好的教學質量。

[關鍵詞]趣味力學 創新思維 教學質量

本文通過對照創新思維的過程，設計了一次課堂趣味力學實驗，在講授力學課知識的同時，對培養和鍛煉學生的創新思維方面進行了一定的探索，從而在一定程度上提高了教學質量。

1 理論依據

自然辯證法中指出，創新思維的過程包括“準備，孕育構思，潛伏頓悟和驗證完善”四個階段。它的基本特征包含有人類認識思維的一般特點，即以實踐為基礎，從問題出發并且是現實的反映和概括，正是這樣的特征決定了創新思維其實與科學認識是可以相容的。同時創新思維還具有整體性、綜合性、突躍性和獨創性的特征。

如何將科學認知過程與力學知識講授相結合從而在力學課程教學中培養學生的創新思維能力，是擺在每個力學教師面前的重大任務。基于兩者的相容性，不難得出結論：如果課堂教學設計合理，教師完全能夠在講授力學課知識（即引導學生完成力學認知）的過程中培養和鍛煉學生的創新思維。進而激發學生的學習興趣和熱情。

2 課程設計

《建筑力學》課本第九章最后一節內容為“提高梁彎曲強度的主要途徑”。這一節內容在過去教學上存在一些問題：一方面，以前的課程內容安排只是介紹了從理論公式推導而來的三種主要途徑，并沒有明確在工程實際中應用該理論公式是存在著適用范圍的。這一點說明，該節課的內容并不完善，不利于學生形成完整全面的科學認知。另一方面，以前在講這一節課的內容時，大多是按照課本的內容來講述，學生被動的接受知識的灌輸，從而形成一種固定的概念，這種教學會形成定式思維，不利于學生在創新活動中進行思維的發散和演繹。針對以上的問題，結合創新思維的理論，課堂教學具體設計如下：

2.1教學過程的設置

參考“創新思維過程”，根據課程內容和教學目的，將教學課程分為三段：講解、實驗、分析結論。它們的對應關系，如圖1。

2.2教學開展情況及分析

2.2.1講解階段

這段教學過程，完成了創新思維的第一階段，提出了問題并且為創新思維提供準備。這個階段需要引導學生發現和確定目標，形成問題情境。把已成型的思路和結果（主要途徑）講述給學生，完成目標信息的搜集，使解決問題的欲望變成了一種強烈的內在動機，刺激學生將思維發散。

2.2.2實驗階段

將學生分為六組，用教師提供的一張A4打印紙來做梁。限定梁的跨度等于紙的寬度。經討論每組推薦一款紙梁，由各組代表解釋該梁設計思想，考慮了哪些提高梁強度的措施。然后在學生自己設計的支座上進行加載，模擬跨中集中荷載的形式。學生做的紙梁如圖2所示。

實驗結果：（1）在荷載同樣大小的情況下，選取三種不同截面的紙梁（實心圓截面、空心圓截面、空心矩形截面），比較三者的彎曲變形程度：實心圓形截面的紙梁彎曲變形最明顯；壁厚相當的空心圓形和矩形紙梁中，空心圓形彎曲變形較明顯；矩形紙梁彎曲變形不明顯（如圖3所示）。（2）繼續加載，空心紙梁受力處紙壁凹陷或凸起，不能維持平面，紙梁彎折，不能繼續承載，壁越薄的紙梁這種現象出現越早。

這一段教學過程中，當學生設計出自制紙梁的形式時，他們已經完成了創新思維的“孕育構思階段”和“潛伏頓悟階段”。如圖1所示。“孕育構思階段”需要思維的廣闊性、靈活性和深刻性。由于個體差別，有的學生在這個階段就獲得了比較滿意的設想（即紙梁形式），就可以跳過“潛伏頓悟”階段。但是有的學生由于思維定式的束縛，會得不到滿意的設想。因此通過分組討論，使個人思維模式轉化為集體思維，使得廣闊性、靈活性和深刻性思維得到滿足，加快完成這兩個階段。另外，在進行實驗并得出結果的過程中，實際上也進入了“驗證完善”階段中的“驗證”部分。這個階段中，學生需要對自己的創新設想進行檢驗和證明，以期待得出肯定或否定的結論來修正或完善自己的創新設想。

2.2.3分析階段

在教師的引導下，集體針對實驗結果進行分析，得出結論：

結果（1）說明：內力相同的各種紙梁，彎曲變形量不同則截面最大彎曲正應力的大小不同。根據彎曲正應力強度理論公式來分析，恰恰是由于各個紙梁的彎曲截面系數不同：矩形的最大，空心圓形次之，實心圓形最小。這剛好是課本的第一種主要途徑。（形成對課本內容的驗證。）

結果（2）說明，如果繼續加載，空心紙梁發生的是一種局部失穩的現象，在后續的課程中會陸續學習。空心紙梁是一種開口薄壁構件，它的最終承載能力不單靠梁的彎曲強度理論來決定。今后學生在應用彎曲強度理論公式來分析和解決問題的時候要注意情況的適用性。加厚梁壁，保證梁壁不發生平面外的變形，對薄壁梁的強度提高有著很重要的保證作用。（形成對課本內容的完善。）

通過教師的啟發、引導使學生得出這些實驗結論，可以使學生對梁強度的認知得到較多的拓展，開闊思路。這一階段相當于完成了創新思維“驗證完善”階段中的“完善”部分。

3 體會

本次課程的課堂氣氛活躍，學生學習興趣很高，普遍反映學習效果好。既學習了課本的基本知識，又拓展了對它的應用和理解。以上分析研究說明，將創新思維的培養恰當的引入到日常教學工作中，不僅可以提高學生的素質，也會取得較好的教學質量。

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本文系河北理工大學校級教改課題。

（作者單位：河北理工大學建筑工程學院）