建構主義的結構力學教學設計研究
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摘要：針對結構力學教學中存在重理論、輕實踐，重教師講解、輕學生協(xié)作等問題，基于建構主義學習理論的分析，情境創(chuàng)設缺失，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?；诮嬛髁x學習理論指導下的教學設計原則對課程進行了宏觀、中觀、微觀的教學設計。宏觀上注重教學模塊的劃分，中觀上突出以能力培養(yǎng)為導向，微觀上強調工程情境的創(chuàng)設。實踐表明：改進后的教學設計能夠以學生為中心，激發(fā)學生的學習熱情，有助于學生綜合能力的培養(yǎng)。
關鍵詞：建構主義；情境創(chuàng)設；協(xié)作；教學設計
結構力學是土木工程專業(yè)課程體系中非常重要的一門專業(yè)基礎必修課，主要研究桿系結構的組成規(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構的反應[1]。該課程是聯(lián)系基礎力學課程與工程設計課程的紐帶，是使學生從力學基本原理過渡到工程實際應用的重要橋梁[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，該課程的教學普遍遵循“教材內(nèi)容→課件制作→課堂講授→作業(yè)解題”的標準過程，在以教師為中心的傳統(tǒng)教育觀念下課程教學出現(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，輕課下學生協(xié)作[2-6]等問題，直接影響到學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)。筆者基于建構主義學習理論對上述問題進行了分析，并對該課程進行了宏觀、中觀、微觀的教學設計與實踐。
一、基于建構主義學習理論的分析
建構主義學習理論認為[7]：知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助于他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得。情境是學習環(huán)境中的首要因素，協(xié)作伴隨學習過程的始終，會話是達到意義建構的重要手段，意義建構是整個學習的最終目標。由此可知：1.教學中實踐環(huán)節(jié)不足，相當于學習環(huán)境中工程情境創(chuàng)設缺失，這會使理論與實踐相結合的環(huán)節(jié)被割裂或被限定；2.學生定性分析能力不足，相當于學習環(huán)境中結構設計情境創(chuàng)設缺失，這會使通過結構設計來培養(yǎng)學生定性分析能力的環(huán)節(jié)被忽視；3.課后學生協(xié)作環(huán)節(jié)不足，相當于學習過程中協(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?，以上問題的出現(xiàn)與建構主義學習理論中“情境”創(chuàng)設缺失、“協(xié)作”“會話”機制不完善、“意義建構”不充分緊密相關。
二、基于建構主義學習理論的教學設計原則[8]
教學設計是根據(jù)課程標準的要求和教學對象的特點，將教學諸要素有序安排，確定合適的教學方案的設想和計劃。傳統(tǒng)的教學設計已較完善，具有較完整、較嚴密的理論方法體系和可操作性，但其以教師為中心，只強調教師的“教”而忽視學生的“學”。建構主義學習理論下的教學設計原則為：強調以學生為中心；強調“情境”對意義建構的重要作用；強調“協(xié)作學習”對意義建構的關鍵作用；強調學習過程的最終目標是意義建構。
三、課程教學設計
基于建構主義學習理論及北京師范大學何克抗教授提出的教學設計原則，筆者以我校結構力學為例，進行了宏觀上教學模塊的劃分，中觀上以能力培養(yǎng)為導向的教學單元設計，微觀上以工程情境創(chuàng)設為特色的教學小節(jié)設計。
（一）教學目標分析
本課程整體教學目標是：培養(yǎng)學生力學計算、力學分析的能力，讓學生初步具備將工程實踐中的實際問題抽象為相應力學模型并進行力學計算、力學分析的能力?；谡w教學目標的要求，筆者結合教學內(nèi)容，對其進行宏觀教學設計。筆者將教學內(nèi)容分為三個教學模塊：將緒論、結構幾何組成分析章節(jié)定為力學概念能力培養(yǎng)模塊，教學中強化結構整體系、分體系的概念，加強力學計算簡圖簡化、分析能力的培養(yǎng)；將靜定結構受力分析、影響線、虛功原理和位移計算章節(jié)定為力學基礎能力培養(yǎng)模塊，在教學中強化方案比選、軟件建模能力的培養(yǎng)，通過協(xié)作學習加強力學基本功的訓練；將力法、位移法、漸進法定為計算分析能力培養(yǎng)模塊，在教學中強化工程問題力學分析能力的培養(yǎng)，加強結構計算能力的培養(yǎng)訓練。以結構力學第3章靜定結構受力分析為例，結合教學內(nèi)容，突出能力培養(yǎng)導向，從多方案實施角度進行中觀（單元）教學設計。
（二）情境創(chuàng)設
結構大師林同炎在其經(jīng)典著作《結構概念和體系》中曾指出[9]，“工程師教育的專門化模式導致人們常常由細節(jié)開始，而對總體方案缺乏足夠的關心”，“必須找到一種教育方法，使建筑和結構專業(yè)的學生學會在總體設計內(nèi)容中將技術知識概念化”，這種教育方法就是總體教育方法?；诮虒W目標的要求，結合總體教育方法，以理論教學注重工程應用、實踐訓練注重定性分析為原則，分別介紹理論教學、實踐教學中的情境創(chuàng)設。
理論教學作為結構力學的教學主體，其教學效果對課程教學目標的實現(xiàn)具有決定性的影響。以結構力學第3章靜定結構受力分析第4小節(jié)靜定桁架為例，介紹微觀（小節(jié)）教學設計。實踐教學作為鞏固、加深理論教學所學內(nèi)容的有效途徑，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新意識的重要平臺。結構力學與工程聯(lián)系緊密，除具有力學課程理論性強的特點外，實踐性是其另一顯著特征。以我校結構力學實踐教學環(huán)節(jié)“基于結構力學求解器的一榀框架結構內(nèi)力計算”為例，介紹實踐教學環(huán)節(jié)中基于結構設計流程的情境創(chuàng)設。
本實踐環(huán)節(jié)的任務是根據(jù)給定的多層混凝土框架結構設計資料（建筑施工圖、工程概況、建筑做法、可變荷載取值、地質條件），進行上部結構布置、豎向荷載計算、風荷載計算及基于結構力學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)結構體系選擇→結構布置→荷載計算→計算簡圖建立→作用效應計算等結構設計流程，依次創(chuàng)設框架結構整體模型→結構分體系模型及構件尺寸擬定與定位→作用方向分類及荷載導算→分體系計算簡圖→內(nèi)力、內(nèi)力圖及包絡圖等結構設計情境，旨在通過此實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的方案比選能力、概念設計能力、規(guī)范應用能力、軟件應用能力及定性分析能力等。
通過情境創(chuàng)設，有助于學生建立工程意識，使課程的學習不再是純理論學習，而是與工程緊密結合的有實際意義的學習，這有助于學生對所學內(nèi)容的理解與內(nèi)化，能實現(xiàn)理論與實踐相結合的教學理念。
（三）信息資源設計
建構主義學習環(huán)境下學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）來達到自己的學習目標?；趯W堂在線、愛課程、超星學術視頻等在線網(wǎng)絡課程，發(fā)揮MOOC優(yōu)勢，為學生提供課前預習、課后復習、拓寬視野等信息資源；充分利用學校網(wǎng)絡課程平臺，教師將相關的資源信息上傳到課程資源版塊，學生可以根據(jù)自己的實際情況進行選擇性學習，這有力地支持了學生的自主學習和協(xié)作式探索。
（四）自主學習設計
自主學習設計要發(fā)揮學生的首創(chuàng)精神，將知識“外化”、實現(xiàn)自我反饋。以支架式教學方法為例，介紹結構力學第3章靜定結構受力分析第1節(jié)靜定梁中靜定多跨梁幾何組成的自主學習設計。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上創(chuàng)設出靜定多跨梁，然后結合靜定多跨梁的定義、上述工程圖片相對應的計算簡圖及工程案例，讓學生進行小組協(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，學生進行相關評價。
（五）協(xié)作學習環(huán)境設計
協(xié)作學習或曰合作學習，是一種通過小組或團隊的形式組織學生進行學習的一種策略。協(xié)作學習是在一定的環(huán)境中進行的，協(xié)作學習環(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)作學習環(huán)境中的組織環(huán)境的創(chuàng)設為例進行說明。結構力學理論性較強，對于力學基礎不好的學生而言，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，在力學基礎能力培養(yǎng)模塊（尤其是靜定結構受力分析教學單元）教學中，筆者采用課后小組合作學習的形式，全力幫扶學習困難學生。合作學習小組按照“組內(nèi)異質、組間同質”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，為合作學習搭建平臺，這既培養(yǎng)了學生的合作能力、溝通能力和管理能力，又增強了學生學習興趣和學習效果。
（六）學習效果評價設計
傳統(tǒng)的結構力學考核方案主要通過考試考查學生的動手計算能力，但對于結構設計、結構分析、軟件應用、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，筆者進行了結構力學考核方案的設計。該考核方案成績由理論教學考核模塊、實踐教學考核模塊、學習態(tài)度考核模塊三部分構成，各模塊分值比例依次為60%、20%、20%。理論教學模塊主要考查學生的結構計算能力和結構分析能力，理論教學考核模塊（60%）=期中考試（20%）+期末考試（40%）；實踐教學考核模塊主要考查學生的結構設計能力和軟件應用能力，實踐教學考核模塊（20%）=模型制作（10%）+軟件操作（10%）；學習態(tài)度考核模塊主要考查學生的自我管理能力和團隊協(xié)作能力，學習態(tài)度考核模塊（20%）=個人表現(xiàn)（10%）+組內(nèi)表現(xiàn)（10%）。
（七）強化練習設計
結構力學教學內(nèi)容涉及梁、剛架、桁架、組合結構等桿系結構內(nèi)力、位移的計算等內(nèi)容，在學時逐漸減少而教學內(nèi)容不減的情況下，適量的強化練習有助于學生及時掌握所學內(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，以便及時糾正原有的錯誤理解或片面認識，最終達到符合要求的意義建構。
四、實踐結果反饋
上述教學設計在我校土木2014-2016級課程教學中得到探索應用，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）、課程設計、畢業(yè)設計中采用電算的比例（比例提高了近25%）、省結構設計大賽所獲獎項（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，基于建構主義學習理論的教學設計及基于綜合能力培養(yǎng)的考核方案設計較好地實現(xiàn)了課程教學目標，改革效果顯著，有利于創(chuàng)新型高素質應用型人才的培養(yǎng)。
五、結語
1.基于課程教學目標，結合總體教育方法，以理論教學注重工程應用、實踐訓練注重定性分析為原則進行情境創(chuàng)設，能夠增強學生理論聯(lián)系實際的能力，激發(fā)學生的學習熱情。2.課程學習階段實行小組合作學習，強化了協(xié)作、會話環(huán)節(jié)，能夠培養(yǎng)學生的團隊合作能力，全力幫扶基礎薄弱的學生，從整體上保證教學質量。3.基于建構主義學習理論的教學設計符合以學生為中心的教學理念，可以提高學生綜合解決問題的能力，較好地實現(xiàn)課程教學目標。
參考文獻：
［1］包世華，辛克貴.結構力學［M］.第4版.武漢：武漢理工大學出版社，2012.
［2］周臻，尹凌峰，繆志偉.基于首要教學原理的結構力學教學過程重構［J］.高等建筑教育，2011（5）：59-64.
［3］郭翠芳，蔡可鍵，馬永政.“卓越計劃”引領下結構力學課程教學改革與實踐［J］.寧波工程學院學報，2014（4）：75-78.
作者：張學元 張道明 呂春 單位：齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院