瑣碎型知識體系課堂教學探討

楊旭 王鳳來 戴鴻哲

[摘 要] “地下建筑結(jié)構(gòu)”作為哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院城市地下空間工程專業(yè)本科生的必修專業(yè)課，是本科生日后從事地下工程相關工作的基礎，其教學效果直接關系到學生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。闡述瑣碎型知識體系的特點，進而分析學生聽講此類課程的主要特征，最終結(jié)合該類課程的特點提出了一系列教學方法，有效地提高了課堂教學質(zhì)量。

[關鍵詞] 瑣碎型知識體系;板書;LaTeX

[基金項目] 2019年度國家自然科學基金委“新型侵入式隨機有限元方法研究”（11972009）

[作者簡介] 楊 旭（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院講師，主要從事混凝土數(shù)值模擬、分形幾何等領域的研究;王鳳來（1971—），男，黑龍江寧安人，博士，哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院教授，主要從事現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)，土木工程鑒定、加固與改造技術，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，綠色工業(yè)化建筑等方向的教學、科研和生產(chǎn)實踐工作;戴鴻哲（1980—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院教授（通信作者），主要從事結(jié)構(gòu)不確定性分析、計算力學、隨機有限元、海洋工程、冰力學等領域的研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）17-0128-04? ? [收稿日期] 2020-10-20

一、引言

（一）課程簡介與定位

“地下建筑結(jié)構(gòu)”作為哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院城市地下空間工程專業(yè)大四本科生的必修專業(yè)課，在秋季學期面向?qū)W生開放。此課程共有32學時，主要研究地下空間結(jié)構(gòu)、地下軌道交通結(jié)構(gòu)、大型基坑等巖土地下建筑結(jié)構(gòu)設計的基本原理和設計計算方法，能夠根據(jù)地下結(jié)構(gòu)所處的不同環(huán)境、使用功能和施工方法設計出安全、經(jīng)濟和合理的結(jié)構(gòu)。在教學過程中綜合運用先修課程中所學到的有關知識與技能，結(jié)合施工錄像等教學視頻，進行地下工程設計人員所需的基本訓練，為學生進一步學習有關專業(yè)課程和日后從事地下工程工作打下基礎。因此，該課程在城市地下空間工程專業(yè)的教學計劃中占有重要地位。

課程目標如下：要求學生掌握地下空間結(jié)構(gòu)、地下軌道交通結(jié)構(gòu)、大型基坑等巖土地下建筑結(jié)構(gòu)的總體概念設計、不同施工方法中的結(jié)構(gòu)設計方法及施工過程通過調(diào)整設計方案進行安全把控等知識;具有應用巖土地下建筑結(jié)構(gòu)設計知識分析問題的能力;具有綜合應用巖土地下建筑結(jié)構(gòu)設計原理和要點解決復雜工程問題的素質(zhì)[1，2]。

（二）課程內(nèi)容特點與教學難點

本課程作為工程學科的專業(yè)課，是非常典型的瑣碎型知識體系。以組塊為單位，知識體系大體上可以分為兩種。一種是演繹型知識體系，知識組塊之間聯(lián)系十分緊密[3，4]。例如數(shù)學、力學，學生不了解映射，就不能學習函數(shù)，更無法理解極限、微分、微分方程;不知道微分方程，就不能建立力學模型。這種知識體系中每一個知識組塊都是與前一個直接相關的，理科課程常具有此類特征。而另一種瑣碎型知識體系則常見于工科，知識組塊雖然可以由相關理論推導得出，但它們之間的相關性很弱。例如，“地下建筑結(jié)構(gòu)”中所授內(nèi)容，雖然可以由土力學等理論知識推導得到，但是更加強調(diào)實用性。即使不知道太沙基的地基承載力計算原理，也可以通過查閱規(guī)范直接了解地基承載力計算公式。與之相對應，即使知道了錨桿的受力特征與內(nèi)力分布，也很難知道工地上錨桿施工時鉆孔直徑應該取為多少。

課程教學方法會直接影響這種瑣碎型知識體系的授課效果。此類知識體系知識組塊體量小，且各組塊之間相關性弱，學生一旦走神，再次集中注意力之后，常常會發(fā)現(xiàn)教師所述組塊已經(jīng)發(fā)生明顯變化。而學生上課走神幾乎是不可避免的，這樣就會形成兩種結(jié)果，一是即使學生沒能理解前一個組塊的內(nèi)容，也不會影響下一個組塊的理解;二是教師講授時用以解釋各組塊之間關系的部分被學生忽略，使得學生無法把握每一個組塊在知識體系中所處位置，無法理解各個組塊之間的關系[5]。

相較演繹型知識體系課程而言，前一個特征算是半個優(yōu)點;而后一個特征則常常使得學生難以把握整門課的知識結(jié)構(gòu)，難以建立完整的知識體系。當學生們結(jié)束課程通過考試之后，會迅速遺忘所學內(nèi)容[5]。這樣的課程在工科培養(yǎng)方案中占比不小，若不能把每門課程融會貫通，學生的培養(yǎng)質(zhì)量會受到嚴重影響。

二、針對瑣碎型知識體系課堂教學的改進措施

針對“地下建筑結(jié)構(gòu)”知識體系所具有的組塊知識點相對獨立、相互之間相關性較弱的特點，授課時采用了如下改進措施。

（一）設計能夠闡明知識體系與組塊關系的板書

為了提高教學效率與質(zhì)量，多媒體教學課件展示已經(jīng)成為大多數(shù)課程不可或缺的一個手段，同時，板書也不應該被完全拋棄。本文所述的課堂將板書定位為輔助闡明各組塊之間的關系，并且可以較長久地留存的教學手段（如果提前設計、合理規(guī)劃，至少可以留存到當堂課程結(jié)束）。

根據(jù)課程組塊單元內(nèi)各小組塊之間的關系，將板書分為兩大類。

第一類是總-分型。也就是說，該組塊單元內(nèi)包含了若干個互相聯(lián)系較弱的組塊。而總-分型的分組塊之間關系又可以分為并列型、遞進或順序型兩小類。并列型的組塊之間互不影響，例如，地下連續(xù)墻一節(jié)中，此組塊單元內(nèi)組塊一初步設計地下連續(xù)墻的深度與組塊二初步設計地下連續(xù)墻的寬度之間基本不相關。而遞進或順序型的組塊之間聯(lián)系更緊密一些。例如，地下連續(xù)墻施工設計一節(jié)中，此組塊單元內(nèi)組塊一開槽尺寸與組塊二泥漿護壁的安全性驗算之間具有一定的相關性，即開槽尺寸先作為安全性驗算的已知條件，完成安全性驗算之后，如有需要則需調(diào)整開槽尺寸。

總-分型板書基本可以按照如下分布設計：將除去被多媒體遮蓋部分的黑板寬度設為B，組塊單元占據(jù)左側(cè)，寬度為B的1/5～1/3;各小組塊占剩下部分的2/3以上。其中，遞進或順序型的組塊可以用不同顏色的箭頭表示。組塊單元與組塊之間常用大括號或其他形式的線條連接。如果講授過程中，有簡單演算、臨時增加的講解，可以事先預留好。（圖1）

第二類是演繹型，組塊間需要有前后關聯(lián)，通常后出現(xiàn)的組塊由之前的組塊推理演繹得到。例如，圍巖壓力的力學模型部分，組塊應力與洞徑之間的關系由之前的力學模型推導得到。

對本文所述的課程而言，相較于不時翻頁的幻燈片，板書的好處是長久留存，幫助學生理解各組塊之間的關系，以及當前組塊在整個組塊單元內(nèi)的位置。

（二）利用LaTeX自動生成側(cè)欄目錄的優(yōu)勢制作教學多媒體

本文沒有選擇常用的PPT來制作多媒體教學展示，而是選擇了常用于科研報告的LaTeX制作多媒體展示（Beamer）。LaTeX的具體使用方法在此不贅述，其主要優(yōu)勢在于最終會自動生成一份如圖有目錄的PDF演示文件。

含目錄的展示文件最大好處在于可明確顯示教師當前所講授的內(nèi)容在整個組塊單元中的位置，以及目前課程的進度。此展示文件還可與板書互補。板書只會展示已經(jīng)寫在黑板上的內(nèi)容，不會展示出未寫出來的內(nèi)容;而此文件則會同時展示本組塊單元內(nèi)所有內(nèi)容，能夠進一步幫助學生把握當前組塊在知識體系中所處位置。

利用PPT制作的課件也可通過技術手段來實現(xiàn)含目錄的展示，但是尚不如LaTeX的自動生成方便，故本文所述課程選擇了以LaTeX制作教學多媒體展示。

（三）講授重復、間隔記憶和針對性練習等課后學習方法

大體上，可以將學習并應用知識的過程分為編碼、鞏固、檢索和運用等步驟。知識進入大腦之后，所經(jīng)歷的第一道程序被稱為編碼。編碼是將知識形成心理表征，儲存在大腦的神經(jīng)元與神經(jīng)通道中，即形成了短期記憶。短期記憶一般只能保存幾秒到幾個小時。一部分短期記憶經(jīng)過海馬區(qū)加工后，其所在的神經(jīng)元會發(fā)生改變，可以免受競爭性刺激的干擾或傷病的破壞，成為長期記憶，這一過程被稱為鞏固。學習知識之后，知識需要被運用。在運用知識過程中，我們需要提取記憶，專業(yè)名詞叫作檢索。在大腦內(nèi)檢索到相關知識后，即可進行應用[6]。其中，編碼和鞏固是記憶的核心，而記憶則是應用知識的基礎。只有鞏固之后，擁有長期記憶，才能合理、高效地應用知識。但長期記憶不等于永久記憶，一般長期記憶能夠保存幾天到幾十年的時間。如果這個記憶在某天之后不再被檢索，我們也還是會忘記它的[7]。

一般來講，除了少數(shù)天賦異稟的學生，大多數(shù)人只有重復記憶才能將所學內(nèi)容記憶、理解深刻。而且每次重復之間必須間隔一段時間才更加有效，否則只會形成短期記憶。如果不間隔復習，當考試結(jié)束后，學生就如同沒有學過這門課一樣，這并不是高校培養(yǎng)學生的目標。

所以，除了課堂中采用上述手段幫助學生掌握、理解瑣碎型知識體系的學習方法，教師會建議學生在課下使用重復、間隔記憶和練習的方法復習課堂內(nèi)容并加深理解。具體的復習手段為借助軟件Anki，自行建立題庫，堅持復習。然而，實際上聽從此建議的學生占比并不多。不過，令人欣慰的是聽從了建議的學生最終分數(shù)相當不錯。

如果學生自主學習的積極性不高，則可通過限定作業(yè)上繳時間，提高作業(yè)分數(shù)占比，加強作業(yè)考查范圍與考試范圍之間聯(lián)系等方式，強制學生進行重復、間隔復習。

三、結(jié)語

“地下建筑結(jié)構(gòu)”作為哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院城市地下空間工程專業(yè)的本科生的必修專業(yè)課，是本科生日后從事地下工程相關工作的基礎，其教學效果直接關系到學生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。本文分析了本課程作為瑣碎型知識體系所存在的特點與教學難點。在此基礎上，提出了一系列針對瑣碎型知識體系課堂教學的改進措施，即設計能夠闡明知識體系與組塊關系的板書，利用LaTeX 自動生成側(cè)欄目錄的優(yōu)勢制作教學多媒體，引入重復、間隔記憶和針對性練習等學習方法，進一步科學合理地完善了該課程的課堂教學模式，促進了教學質(zhì)量的提升。

參考文獻

[1]王樹理，王樹仁，孫世國.地下建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]朱合華，張子新，廖少明.地下建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]易泰河，陳凱.“仿真實驗設計與分析”課程地位及知識體系構(gòu)建[J].教育教學論壇，2020（53）：138-140.

[4]張潤芝.淺論知識建模在中學物理教學設計中的作用[J].現(xiàn)代教育技術，2008（3）：50-54.

[5]Oakley B A. A mind for numbers： How to excel at math and science （even if you flunked algebra）[M].TarcherPerigree， 2014.

[6]Brown P C， Roediger III H L， McDaniel M A. Make it stick[M].Harvard University Press， 2014.

[7]O'Brien D. You Can Have an Amazing Memory： Learn life-changing techniques and tips from the memory maestro[M].Watkins Media Limited，2012.

Discussion on the Classroom Teaching Method of Trivial Knowledge System： A Case Study of the Course of Underground Building Structure

YANG Xua，b，c， WANG Feng-laia，b，c， DAI Hong-zhea，b，c

（a. Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control of the Ministry of Education; b. Key Lab of Smart Prevention and Mitigation of Civil Engineering Disasters of the Ministry of Industry and Information Technology; c. School of Civil Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150090， China）

Abstract： As a compulsory professional course for undergraduates majoring in urban underground space engineering at the College of Civil Engineering of Harbin University of Technology， Underground Building Structure is the foundation for undergraduates to engage in underground engineering， and its teaching effect is directly related to the cultivation of students professional quality. This paper expounds the characteristics of trivial knowledge system， analyzes the main characteristics of students participating in such courses， and finally puts forward a series of teaching methods according to the characteristics of this kind of courses， which effectively improves the quality of classroom teaching.

Key words： trivial knowledge system; blackboard writing; LaTeX