將加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求貫穿于教學(xué)環(huán)節(jié)中——以“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)為例

趙紅華 陳麗華

（北京林業(yè)大學(xué)水保學(xué)院,北京 100083）

將加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求貫穿于教學(xué)環(huán)節(jié)中
——以“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)為例

趙紅華 陳麗華

（北京林業(yè)大學(xué)水保學(xué)院,北京 100083）

該文從“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā),尋求教學(xué)改革與提高學(xué)生能力的突破口,探討培養(yǎng)和提高學(xué)生各種能力的有效途徑。指出在課程教學(xué)過(guò)程中應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行自學(xué)能力、表達(dá)能力、科研能力、各學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)等方面的培養(yǎng)。在總結(jié)研究生“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)的基礎(chǔ)上,論述了工程類(lèi)研究生能力培養(yǎng)的重要性及有關(guān)措施。

高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué);教學(xué)改革;綜合能力;創(chuàng)新意識(shí)

“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”是土木工程專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)方向的研究生課程。該課程是一門(mén)技術(shù)性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,涉及數(shù)學(xué)建模、演繹、計(jì)算方法、測(cè)試技術(shù)和數(shù)值模擬等多個(gè)研究領(lǐng)域,同時(shí)具有鮮明的工程與應(yīng)用背景。絕大部分學(xué)生對(duì)這門(mén)課有一個(gè)共同的感覺(jué)：公式多而冗長(zhǎng)、計(jì)算難而復(fù)雜、求解繁瑣、涉及面廣、不易理解。不少學(xué)生反映看書(shū)時(shí)經(jīng)常理不清思路、做習(xí)題大多無(wú)從下手、復(fù)習(xí)時(shí)往往找不到重點(diǎn)。面對(duì)這些問(wèn)題,提高教學(xué)效果,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,加強(qiáng)學(xué)生科研能力的培養(yǎng),顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的教育思想偏重知識(shí)的傳授而忽視學(xué)生能力的培養(yǎng),當(dāng)代的教育思想則是在傳授知識(shí)的同時(shí)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的智力,培養(yǎng)學(xué)生的各種能力。美國(guó)卡內(nèi)基教學(xué)促進(jìn)會(huì)提出：“任何大學(xué)都不可能向?qū)W生傳授所有的知識(shí),而教育的基本目標(biāo)是要給學(xué)生提供能力的培養(yǎng)?！币虼?在教學(xué)過(guò)程中必須加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng)[1]。

對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)是多方面的,下面以研究生課程“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)為例,從加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力、表達(dá)能力、科研能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)、以及學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用能力等方面的培養(yǎng)加以闡述。

一、使用思維導(dǎo)圖軟件組織教學(xué),提高學(xué)生的自學(xué)能力

學(xué)生的自學(xué)能力是發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造能力的基礎(chǔ),自學(xué)是獲取、深化、鞏固和靈活運(yùn)用科學(xué)知識(shí)的最有效方法與途徑,包括預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)2個(gè)過(guò)程,也就是消化已學(xué)的知識(shí)和攝取新知識(shí)的過(guò)程。如果沒(méi)有一個(gè)好的方法,往往事倍功半,收效甚微。

思維導(dǎo)圖軟件[2]（MindManager）依據(jù)全腦思維的概念,全面調(diào)動(dòng)左腦的邏輯、順序、條例、文字、數(shù)字以及右腦的圖像、想象、顏色、空間、整體思維,在加速資料的累積量之余,更將數(shù)據(jù)依據(jù)彼此間的關(guān)聯(lián)性分層分類(lèi)管理,使資料的儲(chǔ)存、管理及應(yīng)用因有系統(tǒng)化而增加大腦運(yùn)作的效率,使大腦潛能得到最充分的開(kāi)發(fā),有效地提高記憶力,增強(qiáng)創(chuàng)造力。該軟件在英國(guó)、美國(guó)、新加坡等國(guó)家的教育領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,在提高教學(xué)效果方面成效非常顯著。

課堂上,可以使用思維導(dǎo)圖軟件組織相關(guān)教學(xué)資料,進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。例如,利用該軟件完成一幅課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖,把課堂所需要的一切資料有序地組織起來(lái),通過(guò)邊展示、邊講課的過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,把握全局,掌握一種課前預(yù)習(xí)、課后疏理知識(shí)內(nèi)容的方法,讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用它建立和完善各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖,進(jìn)行課程的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。圖1是學(xué)生自己建立的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 第三章知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

在這張圖上可以隨意增加相關(guān)信息,鏈接資料?？梢哉f(shuō),這副圖含義非常豐富,它能把我們腦海中的思路展現(xiàn)在眼前,甚至可以啟發(fā)你思維、聯(lián)想,是大腦容量的一個(gè)極大的擴(kuò)充。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生掌握這種科學(xué)的學(xué)習(xí)方法,培養(yǎng)和提高其自學(xué)能力,為他們后繼課程的學(xué)習(xí)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

二、讓學(xué)生走上講臺(tái),培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力

表達(dá)能力是指運(yùn)用語(yǔ)言、文字等方法闡明自己的觀點(diǎn)、意見(jiàn)或抒發(fā)思想、感情的能力。它包括口頭、文字、數(shù)字、圖示等多種形式的表達(dá)能力。對(duì)研究生來(lái)說(shuō),要與導(dǎo)師不斷地交流與溝通,和同學(xué)共同探討研究項(xiàng)目,中期時(shí)要做好開(kāi)題報(bào)告,結(jié)業(yè)時(shí)要做好畢業(yè)答辯,這一切都要求學(xué)生有良好的自我表達(dá)能力,正確地表達(dá)自己的觀點(diǎn)。

在“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中,采取將一部分比較容易的內(nèi)容布置給學(xué)生,要求每位學(xué)生自己準(zhǔn)備1小時(shí)的教案,講解的內(nèi)容要配有課件、板書(shū)、圖示、科技符號(hào)及演算等。通過(guò)訓(xùn)練,學(xué)生既掌握了講稿課件的制作方法,又鍛煉了其表達(dá)能力。同時(shí),投影、放映等其他方面的技能也得到訓(xùn)練,為將來(lái)研究生課題開(kāi)題、答辯工作的順利進(jìn)行作了必要的準(zhǔn)備。

此外,每位學(xué)生講解完后由同學(xué)提問(wèn)、老師點(diǎn)評(píng),結(jié)束后總結(jié)1份該項(xiàng)課堂活動(dòng)的書(shū)面報(bào)告,說(shuō)明該活動(dòng)的目的、經(jīng)驗(yàn)以及收獲等。點(diǎn)點(diǎn)滴滴,啟發(fā)學(xué)生認(rèn)真做事,勤于思考,專(zhuān)心學(xué)習(xí)。

三、適當(dāng)進(jìn)行編程訓(xùn)練,掌握一定的科研方法

結(jié)構(gòu)類(lèi)研究生編程能力的培養(yǎng)是研究生培養(yǎng)體系中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié),也是體現(xiàn)研究生綜合科研能力有別于本科生的一個(gè)重要標(biāo)志[3]。

首先,研究生具備一定的編程能力是研究生課程知識(shí)及理論素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。因?yàn)?在研究生課程學(xué)習(xí)階段,成績(jī)的考核一般是出題考試,或?qū)懽x書(shū)報(bào)告。前一種方式,不能將課程的所有知識(shí)點(diǎn)覆蓋,且受時(shí)間限制;而后一種方式,則難以反映對(duì)課程基本概念及方法學(xué)習(xí)的情況。編程必須建立在對(duì)基本原理全面、透徹地掌握的基礎(chǔ)上,否則正確的計(jì)算程序是編不出的。有些學(xué)生,在課程學(xué)習(xí)階段,對(duì)一些概念和原理似懂非懂,通過(guò)編程能迫使他們將基本原理及有關(guān)細(xì)節(jié)扎實(shí)掌握,同樣達(dá)到了鞏固課程知識(shí)的效果。

其次,研究生的編程能力是研究生科研能力的一個(gè)重要組成部分。科研手段大致有3種：理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)和編程計(jì)算。當(dāng)然,現(xiàn)在的通用計(jì)算軟件很多很全,一些常規(guī)計(jì)算完全可以依靠這些軟件來(lái)完成。但是,如果完全依賴(lài)這些軟件,在完成科研課題時(shí)也會(huì)遇到不少問(wèn)題,如這些軟件的參數(shù)、功能設(shè)置、建模方式不一定完全符合所作課題的要求,軟件參數(shù)的取值范圍與所作課題不適應(yīng),計(jì)算時(shí)甚至出現(xiàn)異常情況,等等。因此,作為科研手段之一,編程計(jì)算是必不可少的。即使學(xué)位論文以理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)為主,不需要編程計(jì)算,但學(xué)生掌握一種強(qiáng)有力的科研手段,對(duì)于今后的工作也是非常必要的。

再者,編程和調(diào)試過(guò)程實(shí)際上是對(duì)自己邏輯思維能力的一種非常有效的訓(xùn)練。有了這樣一種訓(xùn)練,無(wú)論今后是從事教學(xué)、科研或是管理工作,都是大有幫助的。更為重要的是,編程絕不僅僅是對(duì)理論推導(dǎo)的執(zhí)行或是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互檢驗(yàn),在編程和計(jì)算調(diào)試過(guò)程中,可以發(fā)現(xiàn)一些計(jì)算方法的缺陷,提出改進(jìn)方法;在計(jì)算過(guò)程中如果出現(xiàn)異常情況,還可以由此反省原有原理的局限、錯(cuò)誤,建立新的原理,乃至提出新的概念。

在傳統(tǒng)的“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”教學(xué)中,主要是以理論分析和公式推導(dǎo)為主,但無(wú)論是單自由度、多自由度還是連續(xù)體結(jié)構(gòu),通過(guò)方程精確求解得到的或者近似求解得到的描述結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律的表達(dá)式都十分復(fù)雜,直觀上很難想象,也很難直接從復(fù)雜的公式表達(dá)中得出系統(tǒng)的各物理參數(shù)對(duì)振動(dòng)規(guī)律的影響,所以要適當(dāng)進(jìn)行編程訓(xùn)練,比如學(xué)生通過(guò)用FORT RAN或VC++語(yǔ)言,自行練習(xí)編程,用Duhamel法 、Jacobi法、Newmark-β法以及 Wilson-θ法來(lái)求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題,將結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算方法自己編程實(shí)現(xiàn),并在計(jì)算機(jī)上繪制其反應(yīng)曲線(xiàn),真正理解動(dòng)力學(xué)抽象理論及動(dòng)態(tài)全過(guò)程的概念,同時(shí)也掌握一定的從事科研工作的科學(xué)方法。

四、通過(guò)作業(yè)把關(guān),培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)

研究生教育的核心任務(wù)在于培養(yǎng)研究生進(jìn)行科學(xué)探索和尋求科學(xué)真理的能力?？茖W(xué)研究不僅是研究生學(xué)習(xí)知識(shí)的方式,更是研究生創(chuàng)造知識(shí)的途徑?！扒笳?、求實(shí)、求精、求是”是科學(xué)研究必須遵循的基本準(zhǔn)則。科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?從事科研的人要注意培養(yǎng)實(shí)事求是的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)[4],老師對(duì)研究生科研素質(zhì)的培養(yǎng)具有直接的責(zé)任和義務(wù)。

“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”知識(shí)的掌握,必須配合一定數(shù)量的作業(yè)來(lái)鞏固。根據(jù)作業(yè)題內(nèi)容的不同,作業(yè)完成形式可分為書(shū)面和電子文檔2種形式。書(shū)面作業(yè)要求整潔、清晰、嚴(yán)謹(jǐn),計(jì)算書(shū)要書(shū)寫(xiě)整潔。書(shū)寫(xiě)整潔,與其說(shuō)是一種能力,毋寧說(shuō)是一種習(xí)慣,一種鄭重和負(fù)責(zé)任的習(xí)慣[4]。既要有形式上的整潔,更要有內(nèi)容上的清晰。做題要步驟分明,思路清楚,圖形簡(jiǎn)明,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。電子文檔要求使用 word、excel、autocad等多種辦公軟件,并制定一定的格式要求,其完成及提交都要求規(guī)范化,比如各種數(shù)據(jù)處理結(jié)果的動(dòng)畫(huà)演示過(guò)程、自己編制程序的源代碼、利用大型有限元軟件時(shí)的模型及參數(shù),等等。然后在課堂上對(duì)于突出的問(wèn)題重點(diǎn)講評(píng)。通過(guò)該項(xiàng)活動(dòng),既訓(xùn)練學(xué)生熟悉各種辦公軟件的使用,同時(shí)又培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。

五、多種形式進(jìn)行創(chuàng)造及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)

“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”是面向工程綜合性和系統(tǒng)性很強(qiáng)的一門(mén)課程,在強(qiáng)調(diào)基本理論的同時(shí),有必要重視實(shí)驗(yàn)技能和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)施受限,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就成為建立動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程的重要手段?？梢愿鶕?jù)課程中不同的內(nèi)容,分別采用不同的手段,使學(xué)生更容易理解動(dòng)力學(xué)抽象理論及動(dòng)態(tài)全過(guò)程,體驗(yàn)到“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”基本理論的意義所在,引導(dǎo)學(xué)生親自編程進(jìn)行仿真試驗(yàn),開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

結(jié)合課程內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的能力大致可以通過(guò)3種形式來(lái)表現(xiàn)：第一種形式是采用大型通用有限元分析軟件,將其后處理結(jié)果,包括動(dòng)畫(huà)顯示,通過(guò)一定的工具處理成可以在課堂上直接播放的效果,這樣,不僅十分方便、直觀,而且更具有實(shí)用價(jià)值。第二種形式是通過(guò)學(xué)習(xí)一些結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)工具箱,把動(dòng)力學(xué)復(fù)雜的分析結(jié)果用Matlab仿真分析結(jié)果來(lái)演示,學(xué)生可以自己修改程序參數(shù)來(lái)調(diào)整不同的曲線(xiàn)形式,有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考的積極性[5]。第三種形式是通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)思路,將一部分驗(yàn)證型、研究型實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行全過(guò)程演示,激發(fā)學(xué)生從多角度去討論問(wèn)題。這就要求學(xué)生親自編程進(jìn)行仿真試驗(yàn),對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)然,這種方法要求學(xué)生具備一定的計(jì)算機(jī)編程水平。

六、注重各學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)

現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,要求學(xué)生具有寬闊的知識(shí)背景和更全面的素質(zhì)。“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程涉及的學(xué)科、專(zhuān)業(yè)面廣,學(xué)習(xí)過(guò)程中用到了結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)變函數(shù)、矩陣論、有限元法等多門(mén)相關(guān)課程。學(xué)科之間的滲透不僅是社會(huì)發(fā)展的需要,也是各學(xué)科本身發(fā)展的需要。引入應(yīng)用,注重滲透,增加學(xué)科的廣度和深度,對(duì)學(xué)科今后的發(fā)展與延伸必將非常有益。

在教學(xué)過(guò)程中,要注重理論聯(lián)系實(shí)際,結(jié)合實(shí)際工程,把抽象思維具體化,使學(xué)生弄清理論建立的條件和方法,并能進(jìn)一步萌發(fā)新的問(wèn)題。通過(guò)專(zhuān)題介紹,有意識(shí)地將動(dòng)力學(xué)在地震工程和工程振動(dòng)中的應(yīng)用與滲透關(guān)系,用思維導(dǎo)圖畫(huà)出來(lái),拋磚引玉,讓學(xué)生自己運(yùn)用思維導(dǎo)圖軟件繪制動(dòng)力學(xué)和其他各學(xué)科的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。

另外,要注重章節(jié)間的聯(lián)系與銜接,實(shí)際上這是一種小范圍的“滲透”,不斷進(jìn)行這樣的小“滲透”對(duì)學(xué)生以后了解、掌握學(xué)科間的大“滲透”是非常有益的。通過(guò)章節(jié)之間知識(shí)的滲透使學(xué)生明白學(xué)科知識(shí)間的相互關(guān)系,通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的正確描繪,各相關(guān)關(guān)系得到了清晰的表達(dá),提高了學(xué)生學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用能力[1]。

授人以魚(yú),不如授人以漁。在現(xiàn)代化工程教育中,必須改革以訓(xùn)練記憶能力和思維能力為中心的教學(xué)法,代之以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為中心的教學(xué)法。在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中要注意發(fā)揮學(xué)生的主體作用,以人為本,把“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程體系從注重于知識(shí)本體、智力本體和技能本體轉(zhuǎn)到促進(jìn)人的全面發(fā)展方面。這樣,才能真正促進(jìn)課程建設(shè)和教學(xué)改革,有利于我們的畢業(yè)生成為具備創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才[6]。

[1] 張妃二,朱艷峰.在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版,20011（1）：50-52.

[2] 東尼?博贊.思維導(dǎo)圖大腦使用說(shuō)明書(shū)[M].張鼎昆,徐克茹,譯.北京：外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社,2005.

[3] 李向真,梁萍.土建結(jié)構(gòu)類(lèi)研究生編程能力的培養(yǎng)初探[J].高等建筑教育,2005,14（1）：85-86.

[4] 侯健.“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)中的能力培養(yǎng)[J].中國(guó)科技信息,2006（5）：248.

[5] 黃曉吉.MAT LAB在“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,12（23）：55-56.

[6] 胡曉光.論結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革中學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[J].黑龍江高教研究,2005,9（137）：104-105.

（責(zé)任編輯 張仕固）