“PBL-互動式”教學模式在“結構力學”中的探索

戴云彤

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230009）

引言

“結構力學”課程在土木工程學科的知識體系中起著承前啟后的關鍵作用，它是基礎課與專業課之間的橋梁，不僅擁有嚴謹的理論體系，而且具有明確的工程背景［1-2］。課程要求學生掌握有關力學的基本理論知識，為后續專業課學習打下扎實基礎，同時要求培養學生的邏輯思維能力、抽象思維能力，以及分析和解決問題的能力。在傳統教學模式中，常見的“灌輸式”“填鴨式”及師徒式教學方式使得該課程教學質量不甚理想。首先，課程固有的理論性及枯燥性使學生缺乏興趣，課堂缺乏活力；其次，課堂講授內容多、時間短且多媒體容量大，留給學生思考的時間有限；最后，教學內容與后續課程及實際脫節，理想模型與工程應用無法對應，學生運用結構力學知識解決實際問題的能力不足。

PBL（Problem-based Learning）教學理念是以問題為基礎、以學生為中心，注重學生的自主學習，將問題作為學習的起點和知識選擇的依據，培養發揮學生的主觀能動性和潛在創造力［3-4］?；邮浇虒W方法是通過營造多維互動的教學環境，在師生平等交流互動的過程中，提倡學生的學習主體性，重視學生表達與實踐能力的培養。將PBL理念與互動式教學有效融合，教師以案例和問題為起點引領學生學習并探索解決方案，注重課堂教學的實用性和趣味性，引導學生積極主動地參與到課程知識的學習中，并在學習活動中得到實踐能力的全面鍛煉。本文以“結構力學”課程為應用案例，引入“PBL-互動式”教學模式，探討以學生為中心、問題為導向、教師互動啟發式施教的教學方法，重點提高學生主觀能動性、自學及實踐能力，以期對現有的教學方法進行有效改進，提高課堂教學的效果，提升學生的綜合素質能力。

一、“PBL-互動式”教學模式的教學優勢

“PBL-互動式”教學模式是將PBL教學理念與互動式教學方法有機結合，主要特點是以學生為中心［5］，以問題為導向，具有較為明顯的教學優勢。

（一）提高學生學習主動性與探索性

傳統的“教師是中心和主宰，學生是知識與活動的被動接受者”的教學模式，在很大限度上阻礙了學生積極性、創造性的發揮。PBL強調將學習設置到有意義的問題之中，通過學生的自主探索和合作來解決問題；基于互動原則，學生是課堂活動的積極參與者，教師是引導者、傾聽者和評價者，師生之間是一種平等合作的關系。在“結構力學”課程教學中，以掌握力學知識為根本出發點，靈活結合力學發展史、工程案例及時事熱點，根據學生接受程度，從實際問題入手組織教學，讓學生循序漸進地發現問題、分析問題、解決問題，并自然而然地接受課堂教學。

（二）培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力

考慮到“結構力學”課程的強實踐性，改變現行的教學主體單一、教學形式呆板的課堂，構建合作、協商、交流的互動課堂，不拘泥于傳統授課方式，注重組織靈活多變的課堂活動，如案例分析、動畫演示、模型實驗、翻轉課堂、分組討論等，理論與案例并舉，趣味與實效并重，在調動課堂氛圍的同時，避免力學理論與工程實際脫節，提高學生解決實際問題的實踐能力。

二、“PBL-互動式”教學模式的構建路徑

“PBL-互動式”教學模式的構建是一個系統工程，用問題和互動將課程內外的知識與應用有機地結合起來，從而打破課程壁壘，真正實現“結構力學”在基礎課和專業課之間的橋梁作用。教師可以從“問題情境”“啟發講授”“互動討論”和“自學解惑”四個方面構建“PBL-互動式”教學模式，如圖1所示。

圖1 “PBL-互動式”教學模式構建路徑

（一）“問題情境”——課程導入

采用“先問題導入，后理論深化”的漸進法教學。在課程導入環節，靈活結合力學發展史、科學家趣聞逸事、工程案例、重大工程建設成就和土木工程學科最前沿研究成果，將課程內容中有意義的問題設置到具體的情景中。在教師的引領下，學生通過分析真實的問題去發掘隱含于問題背后的力學知識，讓學生循序漸進地接受課堂教學，并以問題貫穿課程內容，培養學生主動學習的興趣，以及分析、解決問題的能力。

1.結合力學發展史和科學家趣聞逸事，溯源力學原理發現過程，發揮學生學習主動性。例如，在課程第一節課《緒論》部分，從力學學科發展的角度，以研究對象的由簡到繁，闡述理論力學、材料力學、結構力學之間遞進的區別與聯系；從提供計算方法與基本力學原理的層面，闡述“結構力學”與先修課程及后續課程之間的關系，引導學生自己去發現問題，思考如何學習“結構力學”。

2.針對不同知識點，引入切合實際的工程案例，激發學生的好奇心和學習興趣。例如，在學習三鉸拱的相關內容時，以我國古代或現代各類拱橋、隧道和西方教堂屋頂等為案例導入，自然引出拱結構，繼而利用古代拱橋和教堂屋頂的磚石選材，與三鉸拱的受力特點相呼應，引導學生將理論模型和實際工程對應起來，這是培養學生利用結構力學知識分析實際問題能力的基礎與前提。

（二）“啟發講授”——課堂教學

由于“結構力學”課程具有理論性與實踐性并存的特點，需要多樣化的教學活動來展現課程內容，以激發學生的學習興趣和動力。

1.多運用線上、線下豐富的教學資源，將抽象的、不易語言描述的課程內容通過圖片、動畫、視頻、演示實驗［6］和工程實例等方式展示給學生。例如，在學習幾何組成分析的相關內容時，學生常常對虛鉸、瞬鉸、平行鏈桿等認識模糊，教師利用模擬動畫和實物模型演示［7］還原幾何不變體系、幾何瞬變體系和幾何常變體系，同時提供常見材料以供學生自己動手還原剛片、鏈桿、鉸等組成的各類體系，讓學生更加清晰、深刻地理解這類抽象的理論概念。

2.注意加強不同教學單元之間的聯系，使得知識不僅是縱向展開，也有橫向貫通，教師以疑導學，以問題活躍課堂氣氛，激發學生學習熱情，加強教學效果。例如，虛功原理是聯系平衡問題與幾何問題的橋梁，包含虛位移原理和虛力原理兩類應用，以此為紐帶，將虛功原理求靜定結構內力、機動法求影響線、虛功原理求靜定結構位移這三部分內容串聯起來，引導學生對這類同源共性問題進行歸納分析，啟發學生多角度思考問題，由教師對不同學生的歸納結果進行總結評價，幫助學生拓寬思路。

（三）“互動討論”——師生交互

構建合作、協商、交流的互動式課堂，積極運用慕課、微課［8］、翻轉課堂等互聯網教育資源，通過案例分析、模型實驗、分組討論等方式，融入師生、生生交流的互動教學環境。

1.教師將實驗數據交由學生進行簡單的案例匯報，通過讓學生合作解決專業真實問題，學習隱含于問題背后的科學知識，形成“由書本走向實踐”“由封閉走向開放”的教學模式。例如，在學習結構動力計算部分內容時，教師為學生展示剛架結構動力特性實驗的演示視頻，將實驗得到的剛架結構各階頻率、振型數據提供給學生，并引導學生觀察共振現象，幫助學生形象、具體地了解結構的動力特性。學生在匯報和討論中充分發表想法，在表達和聆聽中進一步梳理對問題的認識，在交流互動中得到再思考、再深化的機會；教師適時引導和點評，幫助學生學習恰當、準確的闡述，加深理解。

2.結合實事，介紹國家重大工程建設成就和土木工程學科最前沿研究成果，時刻提醒學生理論聯系實際的重要性，不僅課程生動形象易于接受，而且能夠激發學生的興趣、培養學生的職業精神和家國情懷。例如，在2020年新冠肺炎疫情期間的“結構力學”課程線上教學中，對疫情下的中國速度開展師生、生生討論，快速建成的火神山醫院、雷神山醫院用于收治確診患者，用事實讓學生看到強盛又堅定的中國力量，增強工程責任感和使命感，培養學生的民族自豪感。

（四）“自學解惑”——課后拓展

在保障便利的線上查閱及線下實驗條件的前提下，為學生設置生動的課外問題，提出需要學生自己動手才能回答的知識拓展問題，布置學生帶著問題有的放矢地進行課外自學、深化，解決在有限課堂時間內無法徹底解決的問題，擴大知識面。

1.在學習結構穩定時，布置學生對因忽略桿件穩定而引發的工程事故進行檢索，引導學生對理論聯系實際進行積極、主動的探索，布置學生撰寫檢索報告、研究報告等，初步培養學生的科學檢索、報告撰寫和表達能力。而后教師通過對學生檢索案例的回顧、分析，幫助學生更加真實、清晰地理解力學概念。

2.為了讓學生更好地將力學概念與工程實際相統一，課后組織學生進入結構大廳和力學實驗室，觀看各類結構實驗和力學實驗［9］，激發學生探究結構力學由理論走向實際的興趣，啟發學生運用所學知識分析實際問題的科學思維。

結語

采用“PBL-互動式”教學模式，對“結構力學”課程教學方式進行改革探索，區別于傳統意義上的以教師為主導、知識單向傳遞給學生、知識的更新主要靠教師的教學模式，它具有以問題為基礎、以學生為中心、以教師為引導、學生自主學習的教學特點?！癙BL-互動式”教學模式包含“問題情境”“啟發講授”“互動討論”和“自學解惑”四個方面。在“問題情境”階段，教師以問題為導入，利用力學發展史、科學家趣聞逸事、工程案例、工程建設成就和學科最前沿研究成果引出知識背景，激發學生學習興趣，提高學生學習主動性；在“啟發講授”階段，教師以疑導學，以問題加強知識的縱向展開和橫向貫通，通過圖片、動畫、視頻、演示實驗和工程實例等方式啟發教學，活躍課堂氣氛，激發學生的學習熱情；在“互動討論”階段，學生以解決問題的專家的身份參與討論，教師則作為傾聽者協助尋找問題的解決方法，構建合作、協商、交流的互動式課堂；在“自學解惑”階段，學生有目的性地進行課外自學、深化，解決在有限課堂時間內無法徹底解決的問題。在“結構力學”課程教學中采用“PBL-互動式”教學模式，以期對現有的教學方法進行有效改進，提高課堂教學的效果，提升學生綜合素質能力。