基于學(xué)科思維導(dǎo)圖的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)研究

周海龍 安珍 李平 李昊

摘? 要：結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)、方法靈活、哲理豐富和趣味性濃等特點(diǎn)，如何快速有效地讓學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)和提高其力學(xué)分析問(wèn)題的能力是課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章將學(xué)科思維導(dǎo)圖應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的課前導(dǎo)學(xué)、課堂講授與課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)中，探索與研究在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中運(yùn)用學(xué)科思維導(dǎo)圖，提高課堂教學(xué)的效果，推動(dòng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)改革，適應(yīng)新時(shí)代工程教育認(rèn)證對(duì)工科學(xué)生提出的具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力要求。

關(guān)鍵詞：學(xué)科思維導(dǎo)圖;結(jié)構(gòu)力學(xué);教學(xué)研究;復(fù)雜工程問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）08-0094-04

Abstract： Structural mechanics is an important basic course of civil engineering majors. It has the characteristics of many knowledge points， strong practicality， flexible methods， rich philosophy and strong interest， etc. How to get students to master the corresponding knowledge and improve their mechanical analysis problems quickly and effectively is the focus and difficulty of curriculum teaching. In this paper， the Discipline Mind Map is applied to the leading science， classroom teaching and post-course review of the teaching of structural mechanics course， explored and studied the use of Discipline Mind Map in the teaching of structural mechanics， improve the effect of classroom teaching， promote the teaching reform of structural mechanics， adapt to the new era of engineering education certification for engineering students to have the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： discipline mind map; structural mechanics; teaching research; complex engineering problems

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)非常重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)除土木工程專(zhuān)業(yè)外，其他開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)力學(xué)的專(zhuān)業(yè)有道路橋梁與渡河工程、農(nóng)業(yè)水利工程、水利水電工程、給排水科學(xué)與工程、木材科學(xué)與工程等。與其他工科學(xué)校相類(lèi)似，結(jié)構(gòu)力學(xué)是繼理論力學(xué)、材料力學(xué)后非常重要的一門(mén)力學(xué)課程，它為后續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供必要的力學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)課程中的基本概念、基本原理和方法對(duì)以后指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)非常重要，要求同學(xué)們重點(diǎn)掌握。但是，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)多，部分內(nèi)容理解上比較抽象，再加上學(xué)時(shí)有限，教師不能將每個(gè)知識(shí)點(diǎn)講得非常透徹，所以大部分同學(xué)反映該課程比較難學(xué)，因此，如何讓同學(xué)們準(zhǔn)確把握知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵與相互關(guān)系，學(xué)會(huì)力學(xué)分析問(wèn)題的方法和提高其學(xué)習(xí)的能力，是所有結(jié)構(gòu)力學(xué)授課教師必須面對(duì)與思考的問(wèn)題。

思維導(dǎo)圖是表達(dá)發(fā)散性思維的有效圖形思維工具，改變了傳統(tǒng)的線(xiàn)性思維模式，將形象思維與抽象思維進(jìn)行了很好地結(jié)合，幫助人們用聯(lián)想思維進(jìn)行思考問(wèn)題，改善記憶和想象力，充分地開(kāi)發(fā)左右腦的無(wú)限潛能[1]。思維導(dǎo)圖是發(fā)散性的，有助于培養(yǎng)一個(gè)人的全面性思維與邏輯性;思維導(dǎo)圖是記憶性的，有助于人們學(xué)習(xí)和記憶各類(lèi)知識(shí)，更高效地完成工作。筆者嘗試將思維導(dǎo)圖作為一種工具引入到結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，給同學(xué)們提供一種學(xué)習(xí)方法，打通知識(shí)點(diǎn)掌握到能力提高的壁壘，調(diào)動(dòng)同學(xué)們學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，推動(dòng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)改革，更好地適應(yīng)新時(shí)代工程教育認(rèn)證對(duì)工科學(xué)生提出的具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力要求。

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究結(jié)構(gòu)的合理形式以及結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下內(nèi)力、變形、動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定性等方面的規(guī)律性學(xué)科[2]。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程具有以下特點(diǎn)：

1. 知識(shí)點(diǎn)多，前后內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣。既有平面幾何組成規(guī)律的內(nèi)容，也有靜力荷載作用下五種基本類(lèi)型結(jié)構(gòu)（梁、拱、桁架、剛架和組合結(jié)構(gòu)）的內(nèi)力與位移計(jì)算問(wèn)題，還有影響線(xiàn)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算、彈性穩(wěn)定、塑性分析與極限荷載等內(nèi)容。平面幾何組成分析的學(xué)習(xí)有助于了解結(jié)構(gòu)中桿件組成的相互關(guān)系，便于選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法;靜定結(jié)構(gòu)中平衡方程與截面法是內(nèi)力計(jì)算的基礎(chǔ)，其掌握的程度直接影響后續(xù)靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算;而靜定結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算又是超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的基礎(chǔ);靜力荷載下的內(nèi)力與位移計(jì)算是動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的基礎(chǔ);結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計(jì)又是結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)與極限荷載計(jì)算的基礎(chǔ)。這就要求教師不僅重視知識(shí)的傳授，而且要引導(dǎo)學(xué)生歸納知識(shí)點(diǎn)，掌握課程的學(xué)習(xí)方法，避免填鴨式的灌輸知識(shí)，沒(méi)有調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性與探索精神。

2. 實(shí)踐性強(qiáng)，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。結(jié)構(gòu)力學(xué)中很多計(jì)算都是以計(jì)算簡(jiǎn)圖作為分析的對(duì)象，計(jì)算簡(jiǎn)圖的簡(jiǎn)化是聯(lián)系實(shí)際與計(jì)算模型的橋梁，計(jì)算簡(jiǎn)圖的合理選擇是結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是必須解決的首要問(wèn)題。計(jì)算簡(jiǎn)圖的簡(jiǎn)化要把握“存本去末”與“計(jì)算簡(jiǎn)化”兩個(gè)基本原則，其簡(jiǎn)化要點(diǎn)有結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化、桿件的簡(jiǎn)化、結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化、支座的簡(jiǎn)化、荷載的簡(jiǎn)化和材料性質(zhì)的簡(jiǎn)化。這就要求教師要重點(diǎn)講解計(jì)算簡(jiǎn)圖知識(shí)點(diǎn)，選取不同的工程實(shí)例進(jìn)行講解，以五種基本結(jié)構(gòu)為原型，不僅講清楚題目的工程背景，而且要指出哪些是主要因素必須考慮，哪些是次要因素可以忽略。這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，避免為了解題而解題。

3. 方法靈活，概念與原理的掌握成為根本。結(jié)構(gòu)力學(xué)中幾何組成分析中三個(gè)規(guī)則的靈活應(yīng)用，靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算截面法的選取，超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算不同方法的優(yōu)化選擇，影響線(xiàn)的快速繪制等問(wèn)題，針對(duì)這些不同的問(wèn)題，有著不一樣的解法，這就要求教師重點(diǎn)介紹每一種方法的基本原理，挖掘概念、原理及方法的本質(zhì)，通過(guò)講解典型例題，讓學(xué)生體會(huì)每一種方法的具體應(yīng)用，不斷地變換約束前提條件，分析計(jì)算結(jié)果的異同，讓學(xué)生印象更加深刻，避免單純地做題而缺乏對(duì)題目的深刻分析與延伸。

4. 哲理豐富，唯物辯證法的主要觀(guān)點(diǎn)應(yīng)用成為教學(xué)的方法論[3]。唯物辯證法是我們認(rèn)識(shí)世界， 改造世界的思想武器， 是馬克思哲學(xué)的核心組成部分，把唯物辯證法運(yùn)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中， 不僅有助于提高教學(xué)效率和質(zhì)量， 而且可以提高學(xué)生正確觀(guān)察、分析、認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題的能力， 使學(xué)生逐步形成辯證唯物主義世界觀(guān)。靜定結(jié)構(gòu)位移的計(jì)算既要用唯物辯證法中聯(lián)系的觀(guān)點(diǎn)闡明其與材料力學(xué)中結(jié)構(gòu)位移計(jì)算的關(guān)系，又要用發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)闡明圖乘法計(jì)算結(jié)構(gòu)位移的優(yōu)勢(shì)所在;超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算有力法與位移法兩種基本方法，教師要用唯物辯證法中對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律進(jìn)行分析，既要看到二者方法在典型方程形式上的統(tǒng)一方面，也要看到二者在計(jì)算系數(shù)與自由項(xiàng)涵義上的不同。在教學(xué)中應(yīng)提醒學(xué)生注意掌握研究問(wèn)題的方法，抓住事物主要矛盾，提高分析問(wèn)題能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。

5. 趣味性濃，趣味的挖掘成為教學(xué)相長(zhǎng)的動(dòng)力。結(jié)構(gòu)力學(xué)的趣味性來(lái)自于其研究對(duì)象的多樣性、研究?jī)?nèi)容的系統(tǒng)性、研究方法的邏輯性、解題思路的靈活性和貼近工程的實(shí)踐性。學(xué)好這門(mén)課程，既能積累必要的知識(shí)，又能啟發(fā)心智、鍛煉思維、開(kāi)拓視野、提高能力，從而為今后工作打下良好的基礎(chǔ)。東南大學(xué)的單建教授為此專(zhuān)門(mén)出版《趣味結(jié)構(gòu)力學(xué)》著作[4]，闡述結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的趣味性。

我國(guó)2017版《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)畢業(yè)生要求提出12條標(biāo)準(zhǔn)[5]，其中有8條標(biāo)準(zhǔn)提到“復(fù)雜工程問(wèn)題”，對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的解決要求強(qiáng)化結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的綜合應(yīng)用和概念設(shè)計(jì)的理念，還要適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展而形成的與之適應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析理論與方法。新工科教育也迫切需要在課程教學(xué)上進(jìn)行改革與完善，這就決定了結(jié)構(gòu)力學(xué)的課程教學(xué)需要以力學(xué)基本概念及其科學(xué)運(yùn)用為主線(xiàn);以客觀(guān)世界的認(rèn)知規(guī)律為出發(fā)點(diǎn);以工程實(shí)踐為背景;以素質(zhì)和能力的提高為根本目標(biāo)。這就要求教師要不斷改進(jìn)教學(xué)方法，將對(duì)學(xué)生的知識(shí)傳授與注重能力提高并重，為能培養(yǎng)適應(yīng)新工科的人才需求而做貢獻(xiàn)。

二、思維導(dǎo)圖的教學(xué)應(yīng)用

思維導(dǎo)圖由英國(guó)學(xué)者東尼·博贊（Tony Buzan）于20世紀(jì)70年代初期所創(chuàng)。其英文為“Mind Map”或“Mind Mapping”，前者強(qiáng)調(diào)構(gòu)圖結(jié)果，后者強(qiáng)調(diào)構(gòu)圖過(guò)程。它是圖像式思維的一種工具，也是有效地表達(dá)發(fā)散性思維的工具，國(guó)內(nèi)有時(shí)譯為“心智圖”、“心智繪圖”或“思維腦圖”等[6]。思維導(dǎo)圖的應(yīng)用始于商業(yè)，現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展到教育領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域的應(yīng)用更多的集中在教育技術(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)和化學(xué)學(xué)科[7]，且主要集中在中小學(xué)教育中，在大學(xué)的教育中，較多地集中在計(jì)算機(jī)、英語(yǔ)、生物等學(xué)科，其在本科力學(xué)相關(guān)學(xué)科的教學(xué)應(yīng)用很少，梁穎晶等人[8]研究了思維導(dǎo)圖在建筑力學(xué)的課堂教學(xué)與課后復(fù)習(xí)中的應(yīng)用，其他未曾見(jiàn)過(guò)報(bào)道。

學(xué)科思維導(dǎo)圖是由劉濯源首先提出，它是以思維導(dǎo)圖技術(shù)為表現(xiàn)形式，融入邏輯思維的內(nèi)涵，結(jié)合具體教學(xué)學(xué)科，思維規(guī)律、學(xué)科規(guī)律、考試規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)提升教師教學(xué)效能，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力的高效學(xué)習(xí)工具[9]。學(xué)科思維導(dǎo)圖相比思維導(dǎo)圖更加強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化思維、重視概念之間的邏輯關(guān)系。這使得學(xué)科思維導(dǎo)圖比思維導(dǎo)圖更適合應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)中。李淑鳳等人[10]將學(xué)科思維導(dǎo)圖應(yīng)用于大學(xué)物理課程、汪子君[11]將學(xué)科思維導(dǎo)圖應(yīng)用于模擬電路基礎(chǔ)課程，二者的研究均表明學(xué)科思維導(dǎo)圖可以幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率，起到良好的教學(xué)效果。本文在課前導(dǎo)學(xué)、課堂教學(xué)與課后復(fù)習(xí)三個(gè)環(huán)節(jié)中恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用學(xué)科思維導(dǎo)圖輔助開(kāi)展教學(xué)，收到了積極的教學(xué)效果。

三、學(xué)科思維導(dǎo)圖在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

（一）課前導(dǎo)學(xué)中的應(yīng)用

在每學(xué)期開(kāi)始第一次上結(jié)構(gòu)力學(xué)課程時(shí)，教師應(yīng)該建立圖示1所示的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程學(xué)科思維導(dǎo)圖，通過(guò)介紹該學(xué)科思維導(dǎo)圖，讓同學(xué)們從宏觀(guān)的角度明白結(jié)構(gòu)力學(xué)課程包括的全部?jī)?nèi)容，并且明確哪些內(nèi)容是重點(diǎn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，哪些內(nèi)容是自學(xué)的內(nèi)容，各知識(shí)單位內(nèi)容之間的層次關(guān)系如何，通過(guò)學(xué)科思維導(dǎo)圖將本門(mén)課程的主要內(nèi)容展現(xiàn)的非常清晰。

（二）課堂教學(xué)中的應(yīng)用

在每節(jié)課講之前或者每章內(nèi)容開(kāi)始講授時(shí)，均可以繪制相應(yīng)章節(jié)或者知識(shí)單元的學(xué)科思維導(dǎo)圖，如圖2所示，以結(jié)構(gòu)力學(xué)中第2章的平面幾何組成分析為例進(jìn)行說(shuō)明。本章共包括七節(jié)的內(nèi)容，每節(jié)內(nèi)容涉及的重要知識(shí)點(diǎn)均進(jìn)行羅列，提綱挈領(lǐng)，思路清晰，這樣同學(xué)們學(xué)習(xí)時(shí)就不會(huì)盲目，也不會(huì)把握不住重點(diǎn)。

（三）課后復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)力學(xué)每章內(nèi)容結(jié)束，教師都應(yīng)要求學(xué)生繪制本章的學(xué)科思維導(dǎo)圖，以檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)，學(xué)生通過(guò)自己繪制學(xué)科思維導(dǎo)圖，加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，逐漸地形成總結(jié)的良好習(xí)慣，對(duì)于其成績(jī)的提高非常有幫助。教師在每章內(nèi)容結(jié)束后，應(yīng)該總結(jié)本章的知識(shí)點(diǎn)，自己繪制學(xué)科思維導(dǎo)圖，在課堂上呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生也可以將自己繪制的學(xué)科思維導(dǎo)圖與老師繪制的學(xué)科思維導(dǎo)圖進(jìn)行比較，查找知識(shí)點(diǎn)的疏漏，提高自己的學(xué)習(xí)能力。圖3為筆者針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)中平面體系的幾何組成分析這一章內(nèi)容講完后繪制的學(xué)科思維導(dǎo)圖。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文首先總結(jié)了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)，接著分析了目前思維導(dǎo)圖在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后將學(xué)科思維導(dǎo)圖應(yīng)用于課前導(dǎo)學(xué)、課堂教學(xué)以及課后復(fù)習(xí)三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，多年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)科思維導(dǎo)圖的恰當(dāng)應(yīng)用不僅可以調(diào)動(dòng)同學(xué)們學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，幫助他們梳理前后知識(shí)要點(diǎn)的相互關(guān)系，提高學(xué)業(yè)成績(jī)，而且培養(yǎng)了他們的邏輯思維能力，對(duì)于其更好地將力學(xué)應(yīng)用于工程起到很好的促進(jìn)作用，更好地適應(yīng)新時(shí)代工程教育認(rèn)證對(duì)工科學(xué)生提出的具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鴻雁.思維導(dǎo)圖[M].長(zhǎng)春：吉林文史出版社，2017.

[2]朱慈勉.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]周海龍，李平，李昊，等.哲學(xué)觀(guān)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2017，26（4）：72-74.

[4]單建.趣味結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.

[5]中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)-通用標(biāo)準(zhǔn)[S/OL].中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)官網(wǎng).http：//cn.ceeaa. org.cn，2017.

[6]楊佳潔，周海龍.基于學(xué)科教學(xué)的概念圖與思維導(dǎo)圖辨析[J].教學(xué)與管理，2018（3）：77-79.

[7]張海森.2001-2010年中外思維導(dǎo)圖教育應(yīng)用研究綜述[J].中國(guó)電化教育，2011（8）：120-124.

[8]梁穎晶，燕樂(lè)緯，張永山，等.思維導(dǎo)圖在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程建筑力學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2017（37）：193-195.

[9]林書(shū)揚(yáng).為什么要給思維導(dǎo)圖“轉(zhuǎn)基因”——淺談“學(xué)科思維導(dǎo)圖”與“思維導(dǎo)圖”[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2015（18）：80-81.

[10]李淑鳳，李雪春，鄭殊，等.學(xué)科思維導(dǎo)圖與物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J].物理與工程，2018（S1）：8-15.

[11]汪子君，任玉琢，梁偉.學(xué)科思維導(dǎo)圖在模擬電路基礎(chǔ)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018，16（1）：51-52.