建構(gòu)主義的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)設(shè)計研究
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摘要：針對結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中存在重理論、輕實踐，重教師講解、輕學(xué)生協(xié)作等問題，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析，情境創(chuàng)設(shè)缺失，協(xié)作、會話環(huán)節(jié)被弱化是上述問題出現(xiàn)的主要原因?；诮?gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計原則對課程進行了宏觀、中觀、微觀的教學(xué)設(shè)計。宏觀上注重教學(xué)模塊的劃分，中觀上突出以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，微觀上強調(diào)工程情境的創(chuàng)設(shè)。實踐表明：改進后的教學(xué)設(shè)計能夠以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。
關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義；情境創(chuàng)設(shè)；協(xié)作；教學(xué)設(shè)計
結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)課程體系中非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，主要研究桿系結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律、合理形式、內(nèi)力和變形的計算方法及動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)[1]。該課程是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)課程與工程設(shè)計課程的紐帶，是使學(xué)生從力學(xué)基本原理過渡到工程實際應(yīng)用的重要橋梁[2]，是眾多院校招收土木工程專業(yè)研究生的必考課程。
目前，該課程的教學(xué)普遍遵循“教材內(nèi)容→課件制作→課堂講授→作業(yè)解題”的標(biāo)準(zhǔn)過程，在以教師為中心的傳統(tǒng)教育觀念下課程教學(xué)出現(xiàn)了重理論、輕實踐；重定量計算、輕定性分析；重課上教師講授，輕課下學(xué)生協(xié)作[2-6]等問題，直接影響到學(xué)生工程意識的建立及實踐能力、分析能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論對上述問題進行了分析，并對該課程進行了宏觀、中觀、微觀的教學(xué)設(shè)計與實踐。
一、基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析
建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為[7]：知識不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助于他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。情境是學(xué)習(xí)環(huán)境中的首要因素，協(xié)作伴隨學(xué)習(xí)過程的始終，會話是達到意義建構(gòu)的重要手段，意義建構(gòu)是整個學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。由此可知：1.教學(xué)中實踐環(huán)節(jié)不足，相當(dāng)于學(xué)習(xí)環(huán)境中工程情境創(chuàng)設(shè)缺失，這會使理論與實踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)被割裂或被限定；2.學(xué)生定性分析能力不足，相當(dāng)于學(xué)習(xí)環(huán)境中結(jié)構(gòu)設(shè)計情境創(chuàng)設(shè)缺失，這會使通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來培養(yǎng)學(xué)生定性分析能力的環(huán)節(jié)被忽視；3.課后學(xué)生協(xié)作環(huán)節(jié)不足，相當(dāng)于學(xué)習(xí)過程中協(xié)作、會話環(huán)節(jié)被弱化，這會使通過協(xié)作、會話來培養(yǎng)團隊合作能力、溝通能力的環(huán)節(jié)被忽視?？梢姡陨蠁栴}的出現(xiàn)與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中“情境”創(chuàng)設(shè)缺失、“協(xié)作”“會話”機制不完善、“意義建構(gòu)”不充分緊密相關(guān)。
二、基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計原則[8]
教學(xué)設(shè)計是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和教學(xué)對象的特點，將教學(xué)諸要素有序安排，確定合適的教學(xué)方案的設(shè)想和計劃。傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計已較完善，具有較完整、較嚴(yán)密的理論方法體系和可操作性，但其以教師為中心，只強調(diào)教師的“教”而忽視學(xué)生的“學(xué)”。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論下的教學(xué)設(shè)計原則為：強調(diào)以學(xué)生為中心；強調(diào)“情境”對意義建構(gòu)的重要作用；強調(diào)“協(xié)作學(xué)習(xí)”對意義建構(gòu)的關(guān)鍵作用；強調(diào)學(xué)習(xí)過程的最終目標(biāo)是意義建構(gòu)。
三、課程教學(xué)設(shè)計
基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論及北京師范大學(xué)何克抗教授提出的教學(xué)設(shè)計原則，筆者以我校結(jié)構(gòu)力學(xué)為例，進行了宏觀上教學(xué)模塊的劃分，中觀上以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)單元設(shè)計，微觀上以工程情境創(chuàng)設(shè)為特色的教學(xué)小節(jié)設(shè)計。
（一）教學(xué)目標(biāo)分析
本課程整體教學(xué)目標(biāo)是：培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)計算、力學(xué)分析的能力，讓學(xué)生初步具備將工程實踐中的實際問題抽象為相應(yīng)力學(xué)模型并進行力學(xué)計算、力學(xué)分析的能力。基于整體教學(xué)目標(biāo)的要求，筆者結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，對其進行宏觀教學(xué)設(shè)計。筆者將教學(xué)內(nèi)容分為三個教學(xué)模塊：將緒論、結(jié)構(gòu)幾何組成分析章節(jié)定為力學(xué)概念能力培養(yǎng)模塊，教學(xué)中強化結(jié)構(gòu)整體系、分體系的概念，加強力學(xué)計算簡圖簡化、分析能力的培養(yǎng)；將靜定結(jié)構(gòu)受力分析、影響線、虛功原理和位移計算章節(jié)定為力學(xué)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)模塊，在教學(xué)中強化方案比選、軟件建模能力的培養(yǎng)，通過協(xié)作學(xué)習(xí)加強力學(xué)基本功的訓(xùn)練；將力法、位移法、漸進法定為計算分析能力培養(yǎng)模塊，在教學(xué)中強化工程問題力學(xué)分析能力的培養(yǎng)，加強結(jié)構(gòu)計算能力的培養(yǎng)訓(xùn)練。以結(jié)構(gòu)力學(xué)第3章靜定結(jié)構(gòu)受力分析為例，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，突出能力培養(yǎng)導(dǎo)向，從多方案實施角度進行中觀（單元）教學(xué)設(shè)計。
（二）情境創(chuàng)設(shè)
結(jié)構(gòu)大師林同炎在其經(jīng)典著作《結(jié)構(gòu)概念和體系》中曾指出[9]，“工程師教育的專門化模式導(dǎo)致人們常常由細(xì)節(jié)開始，而對總體方案缺乏足夠的關(guān)心”，“必須找到一種教育方法，使建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)的學(xué)生學(xué)會在總體設(shè)計內(nèi)容中將技術(shù)知識概念化”，這種教育方法就是總體教育方法。基于教學(xué)目標(biāo)的要求，結(jié)合總體教育方法，以理論教學(xué)注重工程應(yīng)用、實踐訓(xùn)練注重定性分析為原則，分別介紹理論教學(xué)、實踐教學(xué)中的情境創(chuàng)設(shè)。
理論教學(xué)作為結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)主體，其教學(xué)效果對課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)具有決定性的影響。以結(jié)構(gòu)力學(xué)第3章靜定結(jié)構(gòu)受力分析第4小節(jié)靜定桁架為例，介紹微觀（小節(jié)）教學(xué)設(shè)計。實踐教學(xué)作為鞏固、加深理論教學(xué)所學(xué)內(nèi)容的有效途徑，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新意識的重要平臺。結(jié)構(gòu)力學(xué)與工程聯(lián)系緊密，除具有力學(xué)課程理論性強的特點外，實踐性是其另一顯著特征。以我校結(jié)構(gòu)力學(xué)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)“基于結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的一榀框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算”為例，介紹實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中基于結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的情境創(chuàng)設(shè)。
本實踐環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)給定的多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計資料（建筑施工圖、工程概況、建筑做法、可變荷載取值、地質(zhì)條件），進行上部結(jié)構(gòu)布置、豎向荷載計算、風(fēng)荷載計算及基于結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的一榀橫向框架內(nèi)力計算（彎矩圖、剪力圖及軸力圖的繪制）。根據(jù)結(jié)構(gòu)體系選擇→結(jié)構(gòu)布置→荷載計算→計算簡圖建立→作用效應(yīng)計算等結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，依次創(chuàng)設(shè)框架結(jié)構(gòu)整體模型→結(jié)構(gòu)分體系模型及構(gòu)件尺寸擬定與定位→作用方向分類及荷載導(dǎo)算→分體系計算簡圖→內(nèi)力、內(nèi)力圖及包絡(luò)圖等結(jié)構(gòu)設(shè)計情境，旨在通過此實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的方案比選能力、概念設(shè)計能力、規(guī)范應(yīng)用能力、軟件應(yīng)用能力及定性分析能力等。
通過情境創(chuàng)設(shè)，有助于學(xué)生建立工程意識，使課程的學(xué)習(xí)不再是純理論學(xué)習(xí)，而是與工程緊密結(jié)合的有實際意義的學(xué)習(xí)，這有助于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解與內(nèi)化，能實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)理念。
（三）信息資源設(shè)計
建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)生可以利用各種工具和信息資源（如文字材料、書籍、音像資料、CAI與多媒體課件以及Internet上的信息等）來達到自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)?；趯W(xué)堂在線、愛課程、超星學(xué)術(shù)視頻等在線網(wǎng)絡(luò)課程，發(fā)揮MOOC優(yōu)勢，為學(xué)生提供課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、拓寬視野等信息資源；充分利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)課程平臺，教師將相關(guān)的資源信息上傳到課程資源版塊，學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況進行選擇性學(xué)習(xí)，這有力地支持了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作式探索。
（四）自主學(xué)習(xí)設(shè)計
自主學(xué)習(xí)設(shè)計要發(fā)揮學(xué)生的首創(chuàng)精神，將知識“外化”、實現(xiàn)自我反饋。以支架式教學(xué)方法為例，介紹結(jié)構(gòu)力學(xué)第3章靜定結(jié)構(gòu)受力分析第1節(jié)靜定梁中靜定多跨梁幾何組成的自主學(xué)習(xí)設(shè)計。在遵循維果斯基“最鄰近發(fā)展區(qū)”理論的前提下，筆者首先回顧靜定單跨梁的基本類型，結(jié)合公路橋梁、屋架檁條等工程圖片，引入靜定多跨梁工程情境，讓學(xué)生借助于幾何組成分析的基本規(guī)則在靜定單跨梁的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)出靜定多跨梁，然后結(jié)合靜定多跨梁的定義、上述工程圖片相對應(yīng)的計算簡圖及工程案例，讓學(xué)生進行小組協(xié)商、討論，進一步明確靜定多跨梁的幾何組成；最后教師進行總結(jié)，學(xué)生進行相關(guān)評價。
（五）協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計
協(xié)作學(xué)習(xí)或曰合作學(xué)習(xí)，是一種通過小組或團隊的形式組織學(xué)生進行學(xué)習(xí)的一種策略。協(xié)作學(xué)習(xí)是在一定的環(huán)境中進行的，協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境主要包括組織環(huán)境、空間環(huán)境、硬件環(huán)境和資源環(huán)境[10]。下面以協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境中的組織環(huán)境的創(chuàng)設(shè)為例進行說明。結(jié)構(gòu)力學(xué)理論性較強，對于力學(xué)基礎(chǔ)不好的學(xué)生而言，由于課堂上聽課吃力、課后缺少幫扶協(xié)作，其會逐漸陷入聽不懂→不聽課→不及格的惡性循環(huán)之中。為此，在力學(xué)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)模塊（尤其是靜定結(jié)構(gòu)受力分析教學(xué)單元）教學(xué)中，筆者采用課后小組合作學(xué)習(xí)的形式，全力幫扶學(xué)習(xí)困難學(xué)生。合作學(xué)習(xí)小組按照“組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)”的原則組建，通過組長遴選→組員報名→小組組建→小組活動→小組評價等環(huán)節(jié)的實施，為合作學(xué)習(xí)搭建平臺，這既培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力、溝通能力和管理能力，又增強了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。
（六）學(xué)習(xí)效果評價設(shè)計
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)考核方案主要通過考試考查學(xué)生的動手計算能力，但對于結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、軟件應(yīng)用、團隊協(xié)作等能力的考查很難做到。因此，基于綜合能力培養(yǎng)的角度，筆者進行了結(jié)構(gòu)力學(xué)考核方案的設(shè)計。該考核方案成績由理論教學(xué)考核模塊、實踐教學(xué)考核模塊、學(xué)習(xí)態(tài)度考核模塊三部分構(gòu)成，各模塊分值比例依次為60%、20%、20%。理論教學(xué)模塊主要考查學(xué)生的結(jié)構(gòu)計算能力和結(jié)構(gòu)分析能力，理論教學(xué)考核模塊（60%）=期中考試（20%）+期末考試（40%）；實踐教學(xué)考核模塊主要考查學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力和軟件應(yīng)用能力，實踐教學(xué)考核模塊（20%）=模型制作（10%）+軟件操作（10%）；學(xué)習(xí)態(tài)度考核模塊主要考查學(xué)生的自我管理能力和團隊協(xié)作能力，學(xué)習(xí)態(tài)度考核模塊（20%）=個人表現(xiàn)（10%）+組內(nèi)表現(xiàn)（10%）。
（七）強化練習(xí)設(shè)計
結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及梁、剛架、桁架、組合結(jié)構(gòu)等桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的計算等內(nèi)容，在學(xué)時逐漸減少而教學(xué)內(nèi)容不減的情況下，適量的強化練習(xí)有助于學(xué)生及時掌握所學(xué)內(nèi)容。以靜定梁彎矩圖繪制為例，從彎矩圖繪制基本步驟、彎矩圖繪制技巧、概念法繪制彎矩圖、彎矩圖正誤判定等角度進行強化練習(xí)，以便及時糾正原有的錯誤理解或片面認(rèn)識，最終達到符合要求的意義建構(gòu)。
四、實踐結(jié)果反饋
上述教學(xué)設(shè)計在我校土木2014-2016級課程教學(xué)中得到探索應(yīng)用，從課程考試成績（期末考試平均成績提高近15分，不及格人數(shù)明顯降低）、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中采用電算的比例（比例提高了近25%）、省結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽所獲獎項（2016-2018年連續(xù)三年獲省級一等獎，位于省屬高校前列）、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目獲批（2018年土木工程專業(yè)獲批5項，其中國家級3項，省、校級各1項）等情況來看，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計及基于綜合能力培養(yǎng)的考核方案設(shè)計較好地實現(xiàn)了課程教學(xué)目標(biāo)，改革效果顯著，有利于創(chuàng)新型高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
五、結(jié)語
1.基于課程教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合總體教育方法，以理論教學(xué)注重工程應(yīng)用、實踐訓(xùn)練注重定性分析為原則進行情境創(chuàng)設(shè)，能夠增強學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。2.課程學(xué)習(xí)階段實行小組合作學(xué)習(xí)，強化了協(xié)作、會話環(huán)節(jié)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力，全力幫扶基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，從整體上保證教學(xué)質(zhì)量。3.基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計符合以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，可以提高學(xué)生綜合解決問題的能力，較好地實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。
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作者：張學(xué)元 張道明 呂春 單位：齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院