“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法應(yīng)用

摘 要 “土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”是中等職業(yè)教育建筑專業(yè)國(guó)家指定的平臺(tái)性課程。由于該課程概念抽象、計(jì)算多、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，中職學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)困難較大。模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法是行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)框架下適宜專業(yè)課教學(xué)的一種理實(shí)交融的模擬教學(xué)法，它按照中職學(xué)生形象思維優(yōu)于抽象思維的認(rèn)知特點(diǎn)，讓學(xué)生在動(dòng)手模擬實(shí)驗(yàn)中直觀地掌握力學(xué)知識(shí)與及其應(yīng)用。本文從中職土木力學(xué)教與學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)研入手，提出力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的應(yīng)用，以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式分析模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法應(yīng)用效果，同時(shí)，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在問(wèn)題進(jìn)行反思，以此來(lái)推動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的成熟應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 土木力學(xué) 模擬實(shí)驗(yàn) 改革 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.051

Application of Simulation Experimental Teaching in

"Basis of Civil Engineering Mechanics"

ZHAO Chonghui

（Construction Vocational School in Fuzhou， Fuzhou， Fujian 350007）

Abstract "Civil Engineering Mechanics Foundation" is secondary vocational education platform for building professional designated by the State curriculum. Due to the abstract concept of the course， to calculate more logical and strong features， vocational students generally feel a greater learning difficulties. Simulation courses teaching pedagogy is an appropriate blend of theory and practice teaching under simulated action-oriented teaching framework， which according to the image of vocational students thinking better cognitive characteristics of abstract thinking， so that students intuitively grasp the hands-on simulation experiment mechanical knowledge and its application. In this paper， the status quo from the post civil mechanics of teaching and learning research， puts forward the need for mechanical simulation experiment teaching reform， combined with specific examples illustrate the application of simulation teaching， to compare experimentally analyze simulation teaching method， but will of simulation teaching reflection problems， in order to promote application of simulation teaching mature "basic civil engineering mechanics" course teaching.

Key words Civil Engineering Mechanics; simulation experiment; reform; application

傳統(tǒng)的中職“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容抽象、枯燥。教師不愛(ài)教，學(xué)生不愿學(xué)，課堂教學(xué)不佳。學(xué)校專門成立力學(xué)教學(xué)改革攻關(guān)小組，編寫(xiě)《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》（多學(xué)時(shí)）模擬實(shí)驗(yàn)化教材，開(kāi)展“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開(kāi)發(fā)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的教具和學(xué)具（實(shí)驗(yàn)元件），邊改革創(chuàng)新邊課堂實(shí)踐，把模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合多媒體技術(shù)，將難于觀察到的桿件受力與變形進(jìn)行模擬再現(xiàn)，較好地解決了力學(xué)理論概念抽象、計(jì)算多、邏輯強(qiáng)的問(wèn)題，同時(shí)，幫助學(xué)生克服理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)知識(shí)到能力的順利遷移，從而有效提高力學(xué)教學(xué)質(zhì)量和效果。

1 力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的緣由

“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”是國(guó)家規(guī)定的中職土木水利類專業(yè)的平臺(tái)性課程，是連接公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁和紐帶，它與其他專業(yè)課程相比，存在著概念抽象、計(jì)算多、連貫性強(qiáng)的特點(diǎn)。力學(xué)課程自身“難”的問(wèn)題，使中職學(xué)生學(xué)習(xí)普遍感到困難，筆者曾對(duì)某年級(jí)建筑工程施工專業(yè)二百多名學(xué)生進(jìn)行摸底，其中僅有10%左右學(xué)生能跟上教師進(jìn)度，近60%的學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)信心，力學(xué)期考卷面成績(jī)及格率不到50%。同時(shí)，任課教師普遍感到自己像是在臺(tái)上唱獨(dú)角戲，無(wú)法體會(huì)教學(xué)的成就感和喜悅感。面對(duì)這一困境，如果教師只會(huì)發(fā)牢騷、怨天尤人，而不去從自身教學(xué)策略上找原因、想辦法，將問(wèn)題的原因歸結(jié)于學(xué)生學(xué)習(xí)能力差、學(xué)習(xí)態(tài)度不端正等方面，那是永遠(yuǎn)無(wú)法突破力學(xué)教學(xué)的困境。因而，尋找一種既能適應(yīng)力學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，又能激發(fā)學(xué)習(xí)積極性的新的教學(xué)方法迫在眉睫。

為此，我們從中職學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和力學(xué)課程的學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出一種不同于傳統(tǒng)教學(xué)的新方法——模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬構(gòu)件的受力與變形、揭示力學(xué)原理，讓學(xué)生從抽象思維中解放出來(lái)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂(lè)。

2 力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的特點(diǎn)

傳統(tǒng)力學(xué)課堂教學(xué)往往以教師講授為主，整個(gè)過(guò)程大部分學(xué)生在臺(tái)下聽(tīng)、看和算，而學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與創(chuàng)造性難以發(fā)揮出來(lái)。因此，結(jié)合力學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，利用小實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并結(jié)合多媒體技術(shù)，將難于直觀觀察到的力學(xué)現(xiàn)象在課堂上直觀展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)又能讓學(xué)生動(dòng)手模擬操作，這樣既能解決力學(xué)理論抽象、枯燥、不易理解的問(wèn)題，又能改變學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中被動(dòng)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)直觀地詮釋力學(xué)原理

我們研發(fā)了與《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》教材配套的模擬實(shí)驗(yàn)用元件盒（教具與學(xué)具），元件盒里面配備相應(yīng)的力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)器件，通過(guò)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)將構(gòu)件受力變形效果放大（如圖1、圖2），這樣結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力與變形既能看得見(jiàn)又能摸得著，構(gòu)件的受力原理就可以直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，直觀化教學(xué)符合中職學(xué)生直觀學(xué)習(xí)優(yōu)于抽象學(xué)習(xí)的認(rèn)知特點(diǎn)，有助于降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，獲得成功感，體驗(yàn)學(xué)習(xí)快樂(lè)，讓學(xué)生們?cè)谡n堂上抬起頭，注意力不再集中在手機(jī)上，主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，真正“動(dòng)”起來(lái)。

圖1 紙板放上鏈條，紙板向下變彎，體現(xiàn)力與變形一致性原理

圖2 對(duì)不同約束的鋼片施壓，來(lái)模擬不同支座約束與壓桿變形的關(guān)系

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)靈活地創(chuàng)建教學(xué)情境

除了利用實(shí)驗(yàn)元件盒中的元件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，而許多模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的器件取自日常用品，教師及學(xué)生可以結(jié)合自身教與學(xué)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)與利用身邊的資源，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，去模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力方式，巧妙創(chuàng)建教學(xué)情境。例如學(xué)生學(xué)習(xí)“平面匯交力系合成與分解”時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)這樣一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)：用一根尼龍繩子綁住學(xué)生課桌，讓學(xué)生設(shè)法借助教室里其他構(gòu)件，使自己用最小的力氣用繩子拉動(dòng)課桌，這樣的設(shè)計(jì)能激發(fā)學(xué)生去思考，去尋找要借助的東西，課堂氣氛因此活躍了。這時(shí)，學(xué)生可以將繩子的另一端頭綁在一個(gè)固定點(diǎn)上（例如教室的窗柵），然后從繩子中點(diǎn)垂直于繩子方向用力拉動(dòng)，就能很輕松地移動(dòng)課桌，通過(guò)這樣的現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，學(xué)生對(duì)“力的合成與分解”概念及其應(yīng)用有了初步認(rèn)識(shí)，再深入學(xué)習(xí)該章節(jié)的內(nèi)容就容易多了。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)巧妙地融合信息技術(shù)

中職學(xué)生普遍對(duì)于生活化、工程化的教學(xué)內(nèi)容興趣較大，對(duì)于理論化教學(xué)內(nèi)容比較抵觸，他們上課時(shí)經(jīng)常會(huì)問(wèn)這些內(nèi)容學(xué)了有用嗎？用在哪里？利用多媒體虛擬技術(shù)展現(xiàn)工程背景和模擬場(chǎng)景，形象地回答學(xué)生的學(xué)習(xí)疑問(wèn)。同時(shí)，也能抓住中職年齡段學(xué)生普遍對(duì)虛擬技術(shù)感興趣的特點(diǎn)，因勢(shì)利導(dǎo)地將其興趣與愛(ài)好遷移到學(xué)習(xí)上來(lái)。

2.3.1 影像技術(shù)再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景

我們利用影像制品與動(dòng)畫(huà)仿真制作等手段，模仿構(gòu)件受力現(xiàn)象，呈現(xiàn)隱蔽或微觀變形。讓學(xué)生置身于虛擬的工程生產(chǎn)場(chǎng)景中，打破學(xué)習(xí)在時(shí)間和空間上的約束，從而獲得更多的直觀性知識(shí)，同時(shí)也可避免學(xué)生在真實(shí)環(huán)境下不安全因素的影響。例如在介紹“低碳鋼拉伸力學(xué)性能”時(shí)，由于受到實(shí)驗(yàn)室條件的限制，我們可以制作“低碳鋼在拉伸過(guò)程的彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮、斷裂等五個(gè)階段強(qiáng)度及變形變化”動(dòng)畫(huà)，用動(dòng)畫(huà)再現(xiàn)真實(shí)情境，剖析低碳鋼在拉伸五個(gè)階段的受力特征與變形特點(diǎn)，同樣取得真實(shí)效果，讓學(xué)生既能直觀地觀察受力變形，又能提高學(xué)習(xí)的安全性。

2.3.2 動(dòng)畫(huà)技術(shù)實(shí)現(xiàn)反復(fù)學(xué)習(xí)

利用多媒體動(dòng)畫(huà)能實(shí)現(xiàn)反復(fù)學(xué)習(xí)，它可實(shí)現(xiàn)暫停播放的功能，這有助于教師對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，有利于難點(diǎn)突破;同時(shí)學(xué)生可根據(jù)自己學(xué)習(xí)能力與掌握程度在電腦上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，面向全體學(xué)生達(dá)到分層學(xué)習(xí)的目的。

3 模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

在實(shí)踐教學(xué)中可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與任務(wù)的要求，合理應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，力求學(xué)習(xí)效果實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。下面以“直桿軸向拉伸與壓縮時(shí)的內(nèi)力”教學(xué)為例，說(shuō)明模擬教學(xué)法在“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的應(yīng)用（表1）。

4 模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效

教學(xué)實(shí)踐表明，模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法不但能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性，而且更重要的是提高學(xué)生的自信心。模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是讓學(xué)生在模擬的情境下，通過(guò)實(shí)實(shí)在在的模擬實(shí)驗(yàn)操作，來(lái)學(xué)習(xí)和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，讓難以理解的專業(yè)知識(shí)變得直觀、易學(xué)。它符合中職年齡段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，這個(gè)階段學(xué)生的認(rèn)識(shí)正處于從具體到抽象的過(guò)渡期，模擬教學(xué)法能在抽象思維培養(yǎng)與具體實(shí)踐技能之間把握平衡，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)形式上的過(guò)渡。我們采用非隨機(jī)分派單組控制前、后測(cè)實(shí)驗(yàn)法，從2012級(jí)建筑工程施工專業(yè)中選擇“土木工程力學(xué)基礎(chǔ)”半期考成績(jī)相近的兩個(gè)班12（18）與12（20）為研究對(duì)象，恰巧這兩個(gè)班級(jí)人數(shù)以及其它班級(jí)狀況也比較接近（見(jiàn)表2）。

表2 2012-2013學(xué)年第一學(xué)期兩個(gè)班的半期考成績(jī)（前測(cè)）

用抽簽的方法確定12（18）班為實(shí)驗(yàn)組，12（20）班為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組由同一個(gè)老師擔(dān)任土木工程力學(xué)課程教學(xué)，實(shí)驗(yàn)組用模擬實(shí)驗(yàn)法教學(xué)，而對(duì)照組仍按原來(lái)的模式教學(xué)。

經(jīng)過(guò)半個(gè)學(xué)期實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的學(xué)習(xí)成績(jī)，由于實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組力學(xué)學(xué)習(xí)成績(jī)接近，故暫不考慮前測(cè)差異的影響，直接對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組土木力學(xué)期考成績(jī)。由表3可知，實(shí)驗(yàn)組的力學(xué)期考平均分比對(duì)照組高出14.3分，及格率提高15.7%。

表3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組2012-2013學(xué)年第一學(xué)期期考成績(jī)（后測(cè)）

除了對(duì)比土木力學(xué)成績(jī)外，實(shí)驗(yàn)期間課題組成員每個(gè)月以聽(tīng)課老師的身份對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行課堂觀察（每組各三次），并填寫(xiě)觀察表，在觀察表中設(shè)有“專業(yè)知識(shí)掌握情況”、“專業(yè)技能掌握情況”、“注意力集中狀態(tài)”、“學(xué)習(xí)參與度”、“學(xué)習(xí)合作性”及“分析與解決問(wèn)題能力”等六個(gè)觀察項(xiàng)，為方便比較，每個(gè)觀察項(xiàng)按“較好”、“一般”、“較差”分別賦予“3”、“2”、“1”分值。

由表4、圖3可知，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)及表現(xiàn)都明顯地高于對(duì)照組。任課教師也反映，采用模擬實(shí)驗(yàn)法教學(xué)后，越來(lái)越多的學(xué)生注意力開(kāi)始集中到課堂上，同時(shí)，每節(jié)課不同的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情始終高漲，課堂上玩手機(jī)、睡覺(jué)的學(xué)生明顯少了，且打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，使教學(xué)進(jìn)入新的境界，學(xué)生容易學(xué)，教師容易教。

圖3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組課堂學(xué)習(xí)狀況觀察對(duì)比

5 模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

（1）中職學(xué)生自控能力較差，學(xué)生易活躍過(guò)頭，導(dǎo)致整個(gè)教學(xué)過(guò)程不易控制，造成課堂秩序混亂，所以要求教師加強(qiáng)教學(xué)組織與引導(dǎo)工作。（2）學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間在課件環(huán)境下學(xué)習(xí)，影像與動(dòng)畫(huà)的畫(huà)面快速變化，很容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，所以教師要安排好多媒體使用時(shí)間，并重視加強(qiáng)教師和學(xué)生間的互動(dòng)和交流。（3）部分模擬實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步優(yōu)化組合，在有限的時(shí)間內(nèi)突出重點(diǎn)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧光斌主編.土木工程力學(xué)基礎(chǔ)：多學(xué)時(shí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010 .

[2] 趙崇暉.模擬教學(xué)法在中職學(xué)校專業(yè)課中的應(yīng)用研究—— 以建筑專業(yè)為例[D].福建：福建師范大學(xué)，2013.

[3] 尹冰.模擬技術(shù)在《土木工程力學(xué)》課堂教學(xué)中的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].科協(xié)論壇（下半月），2012.6.