“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”中的探索

戴云彤

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

引言

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程在土木工程學(xué)科的知識(shí)體系中起著承前啟后的關(guān)鍵作用，它是基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁，不僅擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系，而且具有明確的工程背景［1-2］。課程要求學(xué)生掌握有關(guān)力學(xué)的基本理論知識(shí)，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下扎實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)要求培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、抽象思維能力，以及分析和解決問題的能力。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，常見的“灌輸式”“填鴨式”及師徒式教學(xué)方式使得該課程教學(xué)質(zhì)量不甚理想。首先，課程固有的理論性及枯燥性使學(xué)生缺乏興趣，課堂缺乏活力；其次，課堂講授內(nèi)容多、時(shí)間短且多媒體容量大，留給學(xué)生思考的時(shí)間有限；最后，教學(xué)內(nèi)容與后續(xù)課程及實(shí)際脫節(jié)，理想模型與工程應(yīng)用無法對(duì)應(yīng)，學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力不足。

PBL（Problem-based Learning）教學(xué)理念是以問題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，將問題作為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和知識(shí)選擇的依據(jù)，培養(yǎng)發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和潛在創(chuàng)造力［3-4］。互動(dòng)式教學(xué)方法是通過營造多維互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境，在師生平等交流互動(dòng)的過程中，提倡學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，重視學(xué)生表達(dá)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。將PBL理念與互動(dòng)式教學(xué)有效融合，教師以案例和問題為起點(diǎn)引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)并探索解決方案，注重課堂教學(xué)的實(shí)用性和趣味性，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與到課程知識(shí)的學(xué)習(xí)中，并在學(xué)習(xí)活動(dòng)中得到實(shí)踐能力的全面鍛煉。本文以“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程為應(yīng)用案例，引入“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式，探討以學(xué)生為中心、問題為導(dǎo)向、教師互動(dòng)啟發(fā)式施教的教學(xué)方法，重點(diǎn)提高學(xué)生主觀能動(dòng)性、自學(xué)及實(shí)踐能力，以期對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方法進(jìn)行有效改進(jìn)，提高課堂教學(xué)的效果，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。

一、“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式的教學(xué)優(yōu)勢

“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式是將PBL教學(xué)理念與互動(dòng)式教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合，主要特點(diǎn)是以學(xué)生為中心［5］，以問題為導(dǎo)向，具有較為明顯的教學(xué)優(yōu)勢。

（一）提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性與探索性

傳統(tǒng)的“教師是中心和主宰，學(xué)生是知識(shí)與活動(dòng)的被動(dòng)接受者”的教學(xué)模式，在很大限度上阻礙了學(xué)生積極性、創(chuàng)造性的發(fā)揮。PBL強(qiáng)調(diào)將學(xué)習(xí)設(shè)置到有意義的問題之中，通過學(xué)生的自主探索和合作來解決問題；基于互動(dòng)原則，學(xué)生是課堂活動(dòng)的積極參與者，教師是引導(dǎo)者、傾聽者和評(píng)價(jià)者，師生之間是一種平等合作的關(guān)系。在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)中，以掌握力學(xué)知識(shí)為根本出發(fā)點(diǎn)，靈活結(jié)合力學(xué)發(fā)展史、工程案例及時(shí)事熱點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生接受程度，從實(shí)際問題入手組織教學(xué)，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，并自然而然地接受課堂教學(xué)。

（二）培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題的能力

考慮到“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的強(qiáng)實(shí)踐性，改變現(xiàn)行的教學(xué)主體單一、教學(xué)形式呆板的課堂，構(gòu)建合作、協(xié)商、交流的互動(dòng)課堂，不拘泥于傳統(tǒng)授課方式，注重組織靈活多變的課堂活動(dòng)，如案例分析、動(dòng)畫演示、模型實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論等，理論與案例并舉，趣味與實(shí)效并重，在調(diào)動(dòng)課堂氛圍的同時(shí)，避免力學(xué)理論與工程實(shí)際脫節(jié)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力。

二、“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式的構(gòu)建路徑

“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式的構(gòu)建是一個(gè)系統(tǒng)工程，用問題和互動(dòng)將課程內(nèi)外的知識(shí)與應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來，從而打破課程壁壘，真正實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁作用。教師可以從“問題情境”“啟發(fā)講授”“互動(dòng)討論”和“自學(xué)解惑”四個(gè)方面構(gòu)建“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 “PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式構(gòu)建路徑

（一）“問題情境”——課程導(dǎo)入

采用“先問題導(dǎo)入，后理論深化”的漸進(jìn)法教學(xué)。在課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)，靈活結(jié)合力學(xué)發(fā)展史、科學(xué)家趣聞逸事、工程案例、重大工程建設(shè)成就和土木工程學(xué)科最前沿研究成果，將課程內(nèi)容中有意義的問題設(shè)置到具體的情景中。在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生通過分析真實(shí)的問題去發(fā)掘隱含于問題背后的力學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生循序漸進(jìn)地接受課堂教學(xué)，并以問題貫穿課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，以及分析、解決問題的能力。

1.結(jié)合力學(xué)發(fā)展史和科學(xué)家趣聞逸事，溯源力學(xué)原理發(fā)現(xiàn)過程，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。例如，在課程第一節(jié)課《緒論》部分，從力學(xué)學(xué)科發(fā)展的角度，以研究對(duì)象的由簡到繁，闡述理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)之間遞進(jìn)的區(qū)別與聯(lián)系；從提供計(jì)算方法與基本力學(xué)原理的層面，闡述“結(jié)構(gòu)力學(xué)”與先修課程及后續(xù)課程之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題，思考如何學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”。

2.針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)，引入切合實(shí)際的工程案例，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。例如，在學(xué)習(xí)三鉸拱的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，以我國古代或現(xiàn)代各類拱橋、隧道和西方教堂屋頂?shù)葹榘咐龑?dǎo)入，自然引出拱結(jié)構(gòu)，繼而利用古代拱橋和教堂屋頂?shù)拇u石選材，與三鉸拱的受力特點(diǎn)相呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生將理論模型和實(shí)際工程對(duì)應(yīng)起來，這是培養(yǎng)學(xué)生利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)分析實(shí)際問題能力的基礎(chǔ)與前提。

（二）“啟發(fā)講授”——課堂教學(xué)

由于“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程具有理論性與實(shí)踐性并存的特點(diǎn)，需要多樣化的教學(xué)活動(dòng)來展現(xiàn)課程內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

1.多運(yùn)用線上、線下豐富的教學(xué)資源，將抽象的、不易語言描述的課程內(nèi)容通過圖片、動(dòng)畫、視頻、演示實(shí)驗(yàn)［6］和工程實(shí)例等方式展示給學(xué)生。例如，在學(xué)習(xí)幾何組成分析的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生常常對(duì)虛鉸、瞬鉸、平行鏈桿等認(rèn)識(shí)模糊，教師利用模擬動(dòng)畫和實(shí)物模型演示［7］還原幾何不變體系、幾何瞬變體系和幾何常變體系，同時(shí)提供常見材料以供學(xué)生自己動(dòng)手還原剛片、鏈桿、鉸等組成的各類體系，讓學(xué)生更加清晰、深刻地理解這類抽象的理論概念。

2.注意加強(qiáng)不同教學(xué)單元之間的聯(lián)系，使得知識(shí)不僅是縱向展開，也有橫向貫通，教師以疑導(dǎo)學(xué)，以問題活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)教學(xué)效果。例如，虛功原理是聯(lián)系平衡問題與幾何問題的橋梁，包含虛位移原理和虛力原理兩類應(yīng)用，以此為紐帶，將虛功原理求靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力、機(jī)動(dòng)法求影響線、虛功原理求靜定結(jié)構(gòu)位移這三部分內(nèi)容串聯(lián)起來，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這類同源共性問題進(jìn)行歸納分析，啟發(fā)學(xué)生多角度思考問題，由教師對(duì)不同學(xué)生的歸納結(jié)果進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生拓寬思路。

（三）“互動(dòng)討論”——師生交互

構(gòu)建合作、協(xié)商、交流的互動(dòng)式課堂，積極運(yùn)用慕課、微課［8］、翻轉(zhuǎn)課堂等互聯(lián)網(wǎng)教育資源，通過案例分析、模型實(shí)驗(yàn)、分組討論等方式，融入師生、生生交流的互動(dòng)教學(xué)環(huán)境。

1.教師將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交由學(xué)生進(jìn)行簡單的案例匯報(bào)，通過讓學(xué)生合作解決專業(yè)真實(shí)問題，學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成“由書本走向?qū)嵺`”“由封閉走向開放”的教學(xué)模式。例如，在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算部分內(nèi)容時(shí)，教師為學(xué)生展示剛架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)的演示視頻，將實(shí)驗(yàn)得到的剛架結(jié)構(gòu)各階頻率、振型數(shù)據(jù)提供給學(xué)生，并引導(dǎo)學(xué)生觀察共振現(xiàn)象，幫助學(xué)生形象、具體地了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。學(xué)生在匯報(bào)和討論中充分發(fā)表想法，在表達(dá)和聆聽中進(jìn)一步梳理對(duì)問題的認(rèn)識(shí)，在交流互動(dòng)中得到再思考、再深化的機(jī)會(huì)；教師適時(shí)引導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)恰當(dāng)、準(zhǔn)確的闡述，加深理解。

2.結(jié)合實(shí)事，介紹國家重大工程建設(shè)成就和土木工程學(xué)科最前沿研究成果，時(shí)刻提醒學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，不僅課程生動(dòng)形象易于接受，而且能夠激發(fā)學(xué)生的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)精神和家國情懷。例如，在2020年新冠肺炎疫情期間的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程線上教學(xué)中，對(duì)疫情下的中國速度開展師生、生生討論，快速建成的火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院用于收治確診患者，用事實(shí)讓學(xué)生看到強(qiáng)盛又堅(jiān)定的中國力量，增強(qiáng)工程責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感。

（四）“自學(xué)解惑”——課后拓展

在保障便利的線上查閱及線下實(shí)驗(yàn)條件的前提下，為學(xué)生設(shè)置生動(dòng)的課外問題，提出需要學(xué)生自己動(dòng)手才能回答的知識(shí)拓展問題，布置學(xué)生帶著問題有的放矢地進(jìn)行課外自學(xué)、深化，解決在有限課堂時(shí)間內(nèi)無法徹底解決的問題，擴(kuò)大知識(shí)面。

1.在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，布置學(xué)生對(duì)因忽略桿件穩(wěn)定而引發(fā)的工程事故進(jìn)行檢索，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行積極、主動(dòng)的探索，布置學(xué)生撰寫檢索報(bào)告、研究報(bào)告等，初步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)檢索、報(bào)告撰寫和表達(dá)能力。而后教師通過對(duì)學(xué)生檢索案例的回顧、分析，幫助學(xué)生更加真實(shí)、清晰地理解力學(xué)概念。

2.為了讓學(xué)生更好地將力學(xué)概念與工程實(shí)際相統(tǒng)一，課后組織學(xué)生進(jìn)入結(jié)構(gòu)大廳和力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，觀看各類結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)［9］，激發(fā)學(xué)生探究結(jié)構(gòu)力學(xué)由理論走向?qū)嶋H的興趣，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析實(shí)際問題的科學(xué)思維。

結(jié)語

采用“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式，對(duì)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)方式進(jìn)行改革探索，區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的以教師為主導(dǎo)、知識(shí)單向傳遞給學(xué)生、知識(shí)的更新主要靠教師的教學(xué)模式，它具有以問題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心、以教師為引導(dǎo)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)特點(diǎn)?！癙BL-互動(dòng)式”教學(xué)模式包含“問題情境”“啟發(fā)講授”“互動(dòng)討論”和“自學(xué)解惑”四個(gè)方面。在“問題情境”階段，教師以問題為導(dǎo)入，利用力學(xué)發(fā)展史、科學(xué)家趣聞逸事、工程案例、工程建設(shè)成就和學(xué)科最前沿研究成果引出知識(shí)背景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性；在“啟發(fā)講授”階段，教師以疑導(dǎo)學(xué)，以問題加強(qiáng)知識(shí)的縱向展開和橫向貫通，通過圖片、動(dòng)畫、視頻、演示實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例等方式啟發(fā)教學(xué)，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；在“互動(dòng)討論”階段，學(xué)生以解決問題的專家的身份參與討論，教師則作為傾聽者協(xié)助尋找問題的解決方法，構(gòu)建合作、協(xié)商、交流的互動(dòng)式課堂；在“自學(xué)解惑”階段，學(xué)生有目的性地進(jìn)行課外自學(xué)、深化，解決在有限課堂時(shí)間內(nèi)無法徹底解決的問題。在“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程教學(xué)中采用“PBL-互動(dòng)式”教學(xué)模式，以期對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方法進(jìn)行有效改進(jìn)，提高課堂教學(xué)的效果，提升學(xué)生綜合素質(zhì)能力。