PBL教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程教學(xué)方法探索

耿小亮， 趙 彬， 王佩艷， 高宗戰(zhàn)

（西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710129）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)力學(xué)是工程力學(xué)專業(yè)本科生的專業(yè)核心課程之一。內(nèi)容主要包括應(yīng)力、應(yīng)變、變形、損傷等力學(xué)參數(shù)的測量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。通過本課程的學(xué)習(xí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蜕罨瘜αW(xué)相關(guān)理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生具有制訂實(shí)驗(yàn)方案、探索測試方法以及正確處理和深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，為學(xué)生打下用實(shí)驗(yàn)手段解決力學(xué)和工程實(shí)際問題的基礎(chǔ)［1］。尤為重要的是：實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程還對學(xué)生認(rèn)識并遵從“理論與實(shí)踐的辯證關(guān)系”進(jìn)而建立起科學(xué)的研究方法和有效的研究路線起到重要作用。實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程的內(nèi)容涉及力學(xué)、數(shù)學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識，是一門綜合性非常強(qiáng)的課程。同時(shí)，課程的研究對象為工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械零部件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移或其他力學(xué)物理量的測試方法，具有很強(qiáng)的工程背景和實(shí)踐性。另外，這門課程還為學(xué)生進(jìn)入研究生階段所必須具備的科研經(jīng)驗(yàn)及能力提供初步訓(xùn)練，因此課程中包含較多綜合性課題、前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)過程知識覆蓋面廣，倡導(dǎo)學(xué)生保持思維開放性和工作的深入系統(tǒng)性?；诖?，與其將本課程中的內(nèi)容視為一個個驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)（experimental verification of theory），不如視其為一個個項(xiàng)目（open ended project）。這不僅是一個名詞的變化，更能客觀反映本課程的教學(xué)目的，有利于課程參與者建立正確的認(rèn)識。

目前在實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程教學(xué)中面臨的主要問題有：①師生對本課程教學(xué)目的認(rèn)知不準(zhǔn)確，將其視為基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容簡單擴(kuò)充；②課程內(nèi)容豐富，顯示出學(xué)生的知識儲備相對不足，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識認(rèn)識及解決實(shí)際問題的能力偏低；③經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（教師理論講述加示范，即國外所謂的chalk and talk，學(xué)生按照既有的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行測試及按照模板書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告）已無法有效地達(dá)到課程要求，適合本課程的教學(xué)模式尚未建立。

基于此，實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程必須探索如何建立科學(xué)有效的教學(xué)模式才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和攻堅(jiān)克難的科研勇氣，以較短課時(shí)條件下達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。為此，本文通過分析國內(nèi)外相關(guān)課題的研究現(xiàn)狀，探索將基于問題式學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning，PBL）的教學(xué)模式引入到實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 PBL教學(xué)模式概述

PBL教學(xué)法來源于一種學(xué)習(xí)理論，該理論鼓勵學(xué)習(xí)者重構(gòu)從現(xiàn)實(shí)情境中獲取的已知信息，然后獲得新知識，并通過和小組成員的討論以闡明新知識。Anderson［2］提出給該理論命名為信息處理的學(xué)習(xí)方法。Thomas［3］提出PBL方法在學(xué)習(xí)動機(jī)、推理能力、知識結(jié)構(gòu)和自學(xué)能力4方面對學(xué)生有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

PBL教學(xué)模式多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育，是通過向?qū)W生提供真實(shí)病例，以學(xué)生為中心、以問題為教材、以小組為單位、以討論引導(dǎo)學(xué)習(xí)過程，后來被廣泛地應(yīng)用到包括社會統(tǒng)計(jì)學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)、生態(tài)學(xué)、體育教育理論課等教學(xué)改革中［4-7］。Kilroy［8］在其發(fā)表的著名的綜述文章中對PBL的看法是這種教學(xué)方法通過提供了具有高度激勵的環(huán)境，強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程，其優(yōu)點(diǎn)主要是能顯著增強(qiáng)學(xué)習(xí)者個人學(xué)習(xí)、合作協(xié)同能力，而且能增強(qiáng)其自信心。Bell［9］則熱情地推薦了PBL，他認(rèn)為在21世紀(jì)，PBL教學(xué)方法將使學(xué)生成為技術(shù)交流專家和問題的解決者，對學(xué)生培養(yǎng)非常有利。當(dāng)然，針對PBL教學(xué)方法有效性的爭論也很多，主要集中與PBL教學(xué)是否過于浪費(fèi)時(shí)間，需要很好的教學(xué)實(shí)踐和信息搜集條件，也可能在一些專業(yè)領(lǐng)域并不適用。Albanese等［10-11］認(rèn)為PBL方法存在的不足有：學(xué)生的認(rèn)知處理過程較弱，對教學(xué)資源利用很高，成本較高。Colliver［12］也認(rèn)為沒有明顯證據(jù)證明PBL強(qiáng)化了知識獲取和學(xué)生實(shí)際表現(xiàn)。

國內(nèi)高等教育中使用PBL方法也開展了不少嘗試，并討論比較了PBL教學(xué)模式與傳統(tǒng)模式的差異與發(fā)展方向。劉楊［13］針對醫(yī)學(xué)課程中的PBL應(yīng)用存在的問題和解決方法進(jìn)行了研究，對問題設(shè)計(jì)、教師引導(dǎo)、學(xué)生參與及考核等方面提出了建議和解決方案。朱毅然［14］在體育教育中嘗試了PBL方法以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。王迎超等［15］針對土木工程本科生專業(yè)主干課教育即“巖石力學(xué)”課程的特點(diǎn)，將PBL教學(xué)模式引入大學(xué)專業(yè)課教育，并對其教學(xué)效果進(jìn)行了對比分析。另外，在物理學(xué)、工學(xué)、數(shù)學(xué)等課程方面，也都進(jìn)行了教學(xué)嘗試，總體上顯示正面積極的效果，充分說明PBL教學(xué)方法是一種在各類學(xué)科中均可探索嘗試的教學(xué)方法，改變了學(xué)生長期被動接受知識的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

本科基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要內(nèi)容是針對材料力學(xué)和理論力學(xué)的課程，其目的是驗(yàn)證理論、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)操作能力。與之不同，實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程則更重視培養(yǎng)學(xué)生對在完成科研項(xiàng)目時(shí)必需的協(xié)作攻關(guān)能力。PBL教學(xué)正是強(qiáng)調(diào)以小組合作的形式進(jìn)行研究探索，針對提出的問題，學(xué)生之間可以分組進(jìn)行討論，暢所欲言，提出自己的觀點(diǎn)和看法，學(xué)生與教師及小組成員相互合作，形成“研究共同體”。小組各成員都能充分發(fā)揮個人的智力水平，促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)成員之間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)成員的優(yōu)勢互補(bǔ)，從而培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及溝通交流、組織、表達(dá)等綜合素質(zhì)。

2 PBL教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程教學(xué)中的實(shí)踐

2.1 基于PBL教學(xué)模式的教學(xué)流程

PBL教學(xué)流程是教學(xué)實(shí)施的指導(dǎo)線，是PBL的重點(diǎn)研究內(nèi)容。目前常用的教學(xué)流程有3種：Barrows模型、五步教學(xué)流程和七步教學(xué)流程［16-17］，依據(jù)實(shí)驗(yàn)力學(xué)的課程特點(diǎn)對文獻(xiàn)［16］中提出的五步教學(xué)流程進(jìn)行了改進(jìn)，其模型見圖1。

圖1 改進(jìn)后的PBL五步教學(xué)流程模型圖

改進(jìn)后的PBL五步教學(xué)流程，增加了“解決問題”的環(huán)節(jié)，也就是實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，而將“成果展示”和“評價(jià)反饋”整合在一起。該流程中，“提出問題”即確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需解決的問題；“分析問題”即小組內(nèi)討論問題、人員分工和計(jì)劃；“確定方案”即需要學(xué)生在教師指導(dǎo)下，組織已有的知識，自己查找并研讀所學(xué)知識，制定實(shí)驗(yàn)方案；“解決問題”是學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)過程。

2.2 在實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程中的實(shí)施

以典型桁架結(jié)構(gòu)靜態(tài)載荷下的測試及理論模型建立實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)提供學(xué)生可自行組裝搭建的空間桁架式結(jié)構(gòu)，各桿端部均有安裝孔，提供桁架間的安裝角片和連接螺栓，學(xué)生可按照自己的結(jié)構(gòu)構(gòu)想設(shè)計(jì)，將這些桿進(jìn)行合理組裝，搭建起不同空間的桁架形式。如圖2所示，加載點(diǎn)可在底座上自由調(diào)整位置。

圖2 空間桁架式結(jié)構(gòu)

2.2.1 教學(xué)目的

①使學(xué)生懂得如何將工程桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論簡化，求出其理論解并指導(dǎo)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；②掌握多點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)；③學(xué)會用電阻應(yīng)變法確定危險(xiǎn)截面或指定截面的應(yīng)力；④培養(yǎng)討論、匯報(bào)和交流能力。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器、裝置

桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)變片，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其他工具。

2.2.3 PBL教學(xué)流程的安排

（1）組織分組并確定所需研究的問題。PBL教學(xué)模式第1步，教師指導(dǎo)學(xué)生分組，可自由組合或按某一規(guī)則組合，本實(shí)驗(yàn)每小組的人數(shù)3或4人較為適宜。指導(dǎo)小組成員適當(dāng)分工，有設(shè)計(jì)、測試、計(jì)算、報(bào)告等，以便具體工作有人負(fù)責(zé)，形成科研工作的合作意識，利于培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任感。由本課程PBL教學(xué)法實(shí)施過程獲得的經(jīng)驗(yàn)來看，小組分工是一項(xiàng)極為重要的工作。鑒于學(xué)生知識背景、能力、性格等差異，部分學(xué)生參與的主動性不足，如果沒有明確分工，這些同學(xué)將會游離在活動之外，不僅自身不能獲益，而且會影響團(tuán)隊(duì)其他成員的積極性。

在教學(xué)中可發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生具有解題能力，但缺乏提出問題的能力。因此在此階段，在教師指導(dǎo)下，幫助學(xué)生確定要研究的問題是非常必要的。可通過“頭腦風(fēng)暴”的方法，對面臨的項(xiàng)目進(jìn)行探討，比如從應(yīng)用背景開始，或者從教材中相關(guān)理論開始，深入討論，列出一系列可能的問題，再進(jìn)行選擇，解決其中1個或幾個。在該實(shí)驗(yàn)中，由于研究對象是多桿連接的桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)合教材理論重點(diǎn)，可提出如①桁架結(jié)構(gòu)中各桿的內(nèi)力分布特征；②桁架結(jié)構(gòu)中各桿兩端的約束條件造成的影響；③不同桁架形式承載能力差異；④加載點(diǎn)位置對結(jié)構(gòu)受力的影響分析等一系列問題。

（2）分析問題、形成要點(diǎn)、制定計(jì)劃、小組分工。

小組成員首先根據(jù)已經(jīng)選擇的問題進(jìn)行分析，形成輸入（理論解）和輸出（測試結(jié)果及處理）條件，確定影響實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果的重要因素。然后制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，依據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，小組成員分工完成不同的工作內(nèi)容，如A完成理論分析、B制定貼片方案、某人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)操作、某人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)告的編寫等。在任務(wù)分工的基礎(chǔ)上，成員之間再相互溝通來完成項(xiàng)目。

（3）查閱資料、收集信息、形成實(shí)驗(yàn)方案。在各小組成員的積極努力下，各司其職，充分利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等各種資源，在廣泛查閱大量資料、小組成員充分溝通的基礎(chǔ)上形成實(shí)驗(yàn)方案。此階段的工作依據(jù)學(xué)生的層次和程度的不同可以有不同的選擇，有的實(shí)驗(yàn)利用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識即可獲得理論解，比較容易確定位置和貼片方式；而有的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生是無法利用現(xiàn)有知識獲得理論解的，在這種情況下教師可推薦學(xué)生學(xué)習(xí)ABAQUS等有限元軟件或Matlab等工具來獲得實(shí)驗(yàn)的分析解，從而幫助確定實(shí)驗(yàn)方案。

（4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，前期雖然進(jìn)行了大量的準(zhǔn)備工作、形成了完備的實(shí)驗(yàn)方案，但在此階段依然會暴露很多問題：設(shè)備的使用、貼片的問題、裝置的調(diào)整、對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的人來講存在一系列不可預(yù)知的問題，都會對試驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差，這一階段尤其需要教師的指導(dǎo)和組員之間的溝通。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可不必強(qiáng)調(diào)時(shí)間，按開放實(shí)驗(yàn)的模式操作，學(xué)生采取分時(shí)段預(yù)約的方式來進(jìn)行以獲得最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和最大的收獲。

（5）成果展示、評價(jià)反饋。PBL的最后一個階段是各小組之間的成果展示、相互學(xué)習(xí)、相互評價(jià)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在此階段學(xué)生可以通過制作PPT，采用分組匯報(bào)、教師學(xué)生質(zhì)疑、教師評價(jià)等方式對學(xué)生的整個實(shí)驗(yàn)過程給出一個公正的評價(jià)，作為考核的依據(jù)。由于時(shí)間和精力有限，通過該環(huán)節(jié)學(xué)生可以對自己未做的實(shí)驗(yàn)也能有一個完整、充分的認(rèn)識，起到舉一反三的作用。

2.3 實(shí)施效果

（1）掌握了多學(xué)科的相關(guān)知識。在PBL教學(xué)的第2階段需要學(xué)生廣泛查閱大量資料、掌握相關(guān)的軟件和工具，在此基礎(chǔ)上給出實(shí)驗(yàn)的理論解或分析解并由此確定實(shí)驗(yàn)方案。這一階段的工作需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，但學(xué)生可以彌補(bǔ)了前期知識儲備的不足且拓展了知識面。

（2）提高了動手能力和分析問題、解決問題的能力。經(jīng)過PBL教學(xué)模式的訓(xùn)練，學(xué)生的各方面能力都會得到提高。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式以教師講解理論及實(shí)驗(yàn)操作方法，學(xué)生按照教師講解的操作步驟一步一步地操作、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)課結(jié)束；課后學(xué)生抄寫書上的實(shí)驗(yàn)原理，簡單的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，整個實(shí)驗(yàn)結(jié)束［18］。采用PBL教學(xué)，所有的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都需要學(xué)生自己去解決，在實(shí)驗(yàn)過程中也會遇到各種各樣的問題，每一個問題的解決都會給學(xué)生有所收獲和提高。

（3）培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。大學(xué)教育是培養(yǎng)社會所需要的人并促進(jìn)個人能力的全面發(fā)展，能否培養(yǎng)出既有獨(dú)立工作能力，又善于與人合作，具有團(tuán)隊(duì)合作精神的人才，是衡量大學(xué)教育成功與否的標(biāo)志之一。培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神體現(xiàn)在多個教育、教學(xué)環(huán)節(jié)。PBL教學(xué)運(yùn)用學(xué)生分組合作方式對培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識具有重要的作用，它對提高學(xué)生集體榮譽(yù)感，張揚(yáng)個性、表現(xiàn)特長，團(tuán)結(jié)協(xié)作共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)起到積極的作用。

（4）滿足了多層次人才培養(yǎng)的需求。PBL教學(xué)模式可滿足多層次人才培養(yǎng)的需求，從任務(wù)的制定即可體現(xiàn)。在PBL教學(xué)流程的第1階段，教師可以和學(xué)生溝通，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和要求制定相應(yīng)的任務(wù)需求。針對能力強(qiáng)、基礎(chǔ)好的學(xué)生可以推薦相關(guān)的課程和軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，而針對基礎(chǔ)差的學(xué)生，則要求其能達(dá)到課程的基本要求并掌握相關(guān)的技能。不同任務(wù)的確定滿足了不同層次學(xué)生的需求，能夠全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與解決實(shí)際問題的能力。

3 結(jié) 語

PBL教學(xué)在實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程實(shí)施中對教師提出了更高的要求，要求教師應(yīng)該具有先進(jìn)的教學(xué)理念、較高的職業(yè)素質(zhì)、扎實(shí)廣博的學(xué)科知識以及駕馭教學(xué)的能力。要求學(xué)生應(yīng)具有自主學(xué)習(xí)的能力、勇于創(chuàng)新的能力、查閱文獻(xiàn)的能力以及交流協(xié)作的能力，以期在最大程度上發(fā)揮PBL教學(xué)模式的優(yōu)勢。在硬件設(shè)備的投入方面，應(yīng)加大投入力度，實(shí)驗(yàn)裝置的制作應(yīng)具有一定的工程應(yīng)用背景，測試設(shè)備應(yīng)具有一定的先進(jìn)性，使學(xué)生能夠開闊視野，學(xué)以致用、緊密結(jié)合實(shí)際。

實(shí)踐表明，PBL的實(shí)施改變了學(xué)生長期被動接受知識的學(xué)習(xí)方式，顯著提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，使學(xué)生在早期就能夠?qū)W會綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題，很好地實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)學(xué)科與專業(yè)學(xué)科之間知識的融合，顯著提高了學(xué)生相互協(xié)作達(dá)到科研目標(biāo)的能力，為其將來從事科學(xué)研究打下了良好的基礎(chǔ)［13］。

實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程的特點(diǎn)，尤其是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)就是帶有一定的不確定性、不可預(yù)知性，會出現(xiàn)各種問題。實(shí)踐表明，基于問題的學(xué)習(xí)，能達(dá)到融會貫通、舉一反三的目的?；赑BL的問題教學(xué)法教會了學(xué)生“提煉問題、分析問題、解決問題”的能力。教與學(xué)的過程中，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)與解決問題中掌握多學(xué)科的相關(guān)知識，提高其綜合素質(zhì)以及創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、溝通技能，為學(xué)生后續(xù)深造或工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。