工程力學課程教學中問題式教學法的探討*

王 飛

（安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001）

《工程力學》是一門針對工科開設的專業(yè)基礎課，培養(yǎng)學生具備對相關(guān)構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行力學分析、計算、選擇以及設計的能力，是培養(yǎng)應用型、交叉型以及復合型人才的一門重要課程?！豆こ塘W》所涵蓋的內(nèi)容，不但在機械、土木、環(huán)境等工程領域方面有著廣泛的應用，同時該課程的分析方法還可以推廣到其他工科課程，比如《結(jié)構(gòu)力學》《工程熱力學》等，所以，掌握這門學科的知識，將會在后續(xù)課程的學習中，起到很大的幫助作用。

一、“新工科”背景下人才培養(yǎng)目標

《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》中將“新工科”歸納為工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系。“新工科”教育背景下的人才培養(yǎng)，是培養(yǎng)具有工程應用能力的綜合應用型人才，這就是以工程問題為導向，以工程項目為載體，將知識傳授給學生，組織教學，培養(yǎng)學生們的工程意識和相關(guān)實踐能力。對教師的專業(yè)素質(zhì)、知識結(jié)構(gòu)、豐富的工作經(jīng)驗和實際操作技能都有很高的要求。我國大學的年輕教師大都是從研究生畢業(yè)后就直接上高校的，他們的理論知識扎實，但相關(guān)工程經(jīng)驗有所欠缺，所以在開展教學過程中，教師也應該不斷提高自己的實踐能力，才能夠更好地將知識傳授給學生。

二、問題式教學概述

（一）問題式教學模式的由來

問題式教學，也被稱作問題化學習，英文名稱為Problem Based Learning（簡稱PBL）。該教學模式起源于20 世紀末，最早應用在西方的醫(yī)學院。由于其發(fā)端于醫(yī)學院校的教學改革，因此又被稱為“醫(yī)學院模式”。老師們發(fā)現(xiàn)，“先理論后實踐”的教學方式有一些弊端，使學生們無法把理論應用到實際工程工作中去，而“臨床實習”把學生直接推到了實際的問題環(huán)境中，讓學生的學習效率得到了顯著提高。因此，將新生放在實際的實習環(huán)境中，在實習中所學的理論知識，會更為扎實。學生們在主動解決問題的過程中，探究的欲望、理論的消化能力、實踐知識的能力都得到了空前的改善。因此，這個模式迅速地蔓延到了其他行業(yè)的各個工程領域，對教育產(chǎn)生了深遠的影響。

（二）問題式教學模式的特點

通過對問題式教學方法進行分析，發(fā)現(xiàn)問題式教學就是將學生們放在一個特定的問題環(huán)境當中，鼓勵和幫助學生們通過自主探索和協(xié)作的方式去識別、界定、解決問題，并形成新的進階式知識技能的教學模式。我們從中能夠發(fā)現(xiàn)問題式教學模式，最為顯著的兩個特征：

1.基于真實情境的問題性

任何研究都源自問題，教學亦是如此。因為只有這樣，才能讓人們產(chǎn)生好奇心。學生們因問題而進行的探究，通過問題探究而得到問題的答案。問題是建立在現(xiàn)實環(huán)境基礎上的，以學生們在現(xiàn)實生活當中所經(jīng)歷過的情境或經(jīng)歷為出發(fā)點，引導他們根據(jù)自身的經(jīng)歷進行辨識和推理，學生們不但能夠整合現(xiàn)有的知識和技巧，而且還能夠通過自學、請教以及查詢等，學習新的知識和技巧技能，并將其與現(xiàn)有的知識和相關(guān)技能結(jié)合起來，構(gòu)成一個新的知識結(jié)構(gòu)框架。

2.基于自主合作的探究性

所謂的自主性，就是充分發(fā)揮學生的主觀能動性，擺正學生在教學過程中的主體地位，改變傳統(tǒng)的灌輸式教學，讓學生們可以積極地分析、解構(gòu)和探究問題。在提高自主性過程中，經(jīng)常會選擇小組合作的教學方式。自主合作可以使相關(guān)學習者在合作觀念、社交能力、創(chuàng)新精神等各方面得到有效的應用。建構(gòu)主義理論曾指出，知識是自主探究和積極實踐而生成的。問題式教學便遵從了建構(gòu)主義理論，改變了傳統(tǒng)教學中教師機械的知識講解模式，把學生代入實際問題中，讓學生根據(jù)現(xiàn)有的知識體系以及理論支撐，利用自己或小組的假設與猜想，去深入分析某種問題，最終獲取到解決問題的思路，建構(gòu)相對完善的知識體系，不斷培養(yǎng)學生的獨立思考和創(chuàng)新能力。

三、問題式教學法在工程力學課程教學中的應用

目前，工程力學的傳統(tǒng)教學模式多采用老師授課，老師作為主導，采用板書和填鴨式教學形式。教師的課堂教學內(nèi)容缺乏創(chuàng)新，難以引起學生們的學習興趣，學生只能被動地學習，無法激發(fā)學生的學習熱情，從而就會影響到教學的效果。目前很多學校都認識到了創(chuàng)新教學方法的重要性，卻沒有將科學有效的措施貫徹落實，造成教學質(zhì)量難以提高。除此之外，在實踐的過程中，理論教學和工程實踐有很大的脫節(jié)，教師講授的主要是理論知識，但由于缺乏與實踐的聯(lián)系，學生們在學習過程中常常對所學內(nèi)容的目標不清楚，在以后的專業(yè)課程中使用時，難以將其與基本工程力學知識聯(lián)系起來，難以將其應用于實踐中。

“新工科”背景下的工程力學專業(yè)課程教學的改革，應與“新工科”大環(huán)境下的人才培養(yǎng)目標相適應。通過專業(yè)的教學，使學生既能掌握《工程力學》的基礎理論，又能掌握科學的學習方法，又能與工程力學實踐緊密聯(lián)系，培養(yǎng)工程意識，運用所學的知識來解決工程力學的相關(guān)問題。因此，筆者根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)的目標以及學情特點，將問題式教學法應用到課程教學中，發(fā)揮學生的主觀能動性，提高課程教學質(zhì)量。

（一）“教學問題”設計

在問題式教學模式應用中，學生能力的培養(yǎng)，都與如何解決實際問題有關(guān)。換句話來講，該教學模式的重點，在于“問題”的合理性。應該以教學內(nèi)容為核心，與工程力學的實踐相結(jié)合，使學生們能夠用自身的努力來解決相關(guān)知識問題，提高學生的學習積極性，繼而提升教學效果。比如，在課程教學中，向?qū)W生提問：“一般情況下，住宅、辦公室大樓里，梁的截面是什么形狀？這樣放置的目的是什么？”提出問題后，引導學生思考，并探討如何提高梁的彎曲強度。

任何課程的設立，都是為了解決實際生活中的問題。因此，在開展教學過程中，要學會“提問”，將與生活有關(guān)的問題引進課堂教學中，讓理論活學活用，既能讓課堂變得生動有趣，又能有效培養(yǎng)學生的獨立思考和理性分析能力，同時也能夠深入了解工程力學課程的重要性。

（二）問題式教學法的實施

科學探究始于問題。通過觀察、分析和討論，使學生能夠更好地了解和應用這些問題。例如，在解釋如何增加橫梁的抗彎強度和剛度的時候，教師可以提出疑問：“為什么健身用的單、雙杠的支撐桿與兩端有一定的距離，而不是支撐在兩端或者均支撐在中間？”經(jīng)過學生們的討論，認為雙杠可以被簡化成一個彎曲的外伸梁，使支撐桿向內(nèi)運動，該方法能有效地降低最大彎矩，且在不改變截面面積、不改變材料的前提下，使梁上的最大拉應力、壓應力得到降低，使其抗彎強度得到明顯改善。

問題式教學法是通過運用日常中的問題，讓教與學之間有交互作用，讓學生們的思想時刻處于活躍的狀態(tài)，為學生們打開了更大的思考空間，培養(yǎng)學生們的邏輯思考能力，讓他們積極、有效地進行學習，對所學知識有較大的幫助。例如，在講到壓桿的穩(wěn)定性時，可以選雜技演員表演用喉嚨頂紅纓槍的例子，讓同學們進行討論，激發(fā)學生的好奇心，提高學生的求知欲。問題式教學法可以讓學生們從問題中去學習，提高學習的積極性，培養(yǎng)自學能力以及創(chuàng)造能力，增強自主意識，減輕對課堂和教師們的惰性依賴。

（三）對教師的要求

1.PBL 教學模式是以學生們?yōu)橹黧w的教學方式，以老師設置的“問題”為指導，引導學生們進行思維與探究。在課堂教學中，教師要加強對工程實踐問題的研究，從“以教為本”向“以學生為主體”的教學模式轉(zhuǎn)變。通過“問題”來激發(fā)學生們的熱情和積極性，從而達到預期的教學效果。

2.教師要明確掌握學生的學習水平。首先要指出，工程管理類專業(yè)的工程機械類課程與土木類專業(yè)的機械類課程存在著一定的差異，應根據(jù)不同的專業(yè)特點，采取相應的教學方法。其次在教學時，教師要將所學到的力學知識融入后續(xù)的專業(yè)課程中，使學生的學習目標更為清晰，在以后的專業(yè)課中，有了前面的指點、鋪墊，可以加深對專業(yè)的認識，并能靈活運用機械的知識。

3.教師既要熟悉教學大綱，又要深入地研究教學內(nèi)容，還要能夠?qū)χR進行延伸、拓展?！皢栴}”應按教學內(nèi)容進行，適當擴充，以引起學生們的學習興趣，在“問題”的準備中，了解與之有關(guān)的相關(guān)知識，培養(yǎng)學生自主學習的能力。此外，對日常生活中遇到的工程力學問題及現(xiàn)象也要多加留意，例如，擰水龍頭所反映的力學問題，密切關(guān)注國內(nèi)外的科研動態(tài)，使新知識、新內(nèi)容不斷融入課堂教學中，使之與時俱進。

4.教師應積極參加工程力學實踐，豐富自身的經(jīng)驗，才可以將實踐中遇到的問題，更好地引用到課堂教學中，通過實例來引導學生思考探究，豐富授課內(nèi)容的同時，提高教學質(zhì)量。

四、“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學法的應用

近幾年來，一種新型高效的教學方式——翻轉(zhuǎn)課堂開始慢慢滲透到各個專業(yè)教學中。翻轉(zhuǎn)課堂主要是在上課之前，利用視頻、電子書、幻燈片、網(wǎng)站等或書籍、講義等學習教學內(nèi)容，并在課堂上花時間練習、討論等。其目標是讓學生們參與到課堂教學中，實現(xiàn)相互協(xié)作。為進一步提高教學水平，筆者嘗試將問題式教學法，與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，課程開展流程如下：

（一）課前準備

事先通知同學，獨立完成力學模型的構(gòu)建，并用PPT 形式演示。將學生進行分組，合作完成PPT 的制作。這樣能夠讓每個小組的同學都可以積極學習相關(guān)的知識點，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺、圖書館等多種途徑，查閱課本、相關(guān)專業(yè)書籍、專業(yè)文獻等資料，對相關(guān)工程力學知識進行學習。再按要求建立相應的力學模型，由小組成員共同努力，完成PPT 的制作。

（二）課堂PPT 的匯報

由每組推選出一位講解人員，在課堂上完成PPT 的匯報，每人匯報的時長控制在20—30 分鐘。

（三）課堂提問環(huán)節(jié)

在成員匯報完P(guān)PT 后，由其他小組的成員，向該匯報小組提問。若匯報小組成員回答正確，則給予加分；若回答錯誤，或者沒有回答出來，便給提問小組加分。PPT 演示完畢，同學們可以自由地進行提問和解答，交流學習經(jīng)驗和研究結(jié)果。由老師對學生的學習情況進行指導和評價。

（四）課后總結(jié)

待課程結(jié)束后，以組的形式，對課程進行歸納總結(jié)，并將其他小組提出的問題進行整理，通過繼續(xù)查閱相關(guān)資料，或請教同學、教師等方式，解決問題，進一步扎實理論知識。

（五）實施效果

為了解問題式教學的應用效果，筆者采用問卷調(diào)查的方式，在完成階段式教學后，將問卷發(fā)放到學生手中。發(fā)出問卷220 份，回收的有效問卷220 份。統(tǒng)計結(jié)果顯示，98%的學生更喜歡問題式教學模式，其中82%的學生喜歡以“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”為主導的教學方法，希望今后繼續(xù)開展以“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”為主導的教學活動。

通過此次研究，發(fā)現(xiàn)“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學法，在工程力學課程教學中，有以下幾方面優(yōu)勢：①可以讓學生更好地掌握工程力學方面的理論知識，并能夠借助自己所學，解決實際中的問題；②該教學模式靈活有趣，能夠吸引學生的注意力，也可以激發(fā)學生的主觀能動性，提高自主學習效果；③該教學模式可以更好地培養(yǎng)學生的合作精神以及社交能力，對今后投入工作有積極影響；④該教學模式能夠更好地讓教師發(fā)現(xiàn)學生學習過程中遇到的問題以及不同學生對于知識的掌握情況，有助于針對指導。

結(jié)語

綜上所述，問題式教學法是以學生們?yōu)橹行?、以能力為導向的現(xiàn)代教育觀念下的教學方法，是培養(yǎng)學生們的工程意識、創(chuàng)新意識和動手能力的重要手段。在教學中，教師要結(jié)合學生們的實際學習狀況，不斷地提升自己的能力，創(chuàng)新教學手段，使學生們真正地成為教學主體，通過科學的引導，來鍛煉學生的獨立思考和積極學習能力，擺脫對教師的惰性依賴，幫助學生快速建立自己的知識體系，找到正確的學習方法，使學生們的綜合素質(zhì)得到全面提升。