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学科思维导图结构力学教学研究

2019/03/29 阅读:

摘要:结构力学是土木工程专业一门重要的专业基础课,具有知识点多、实践性强、方法灵活、哲理丰富和趣味性浓等特点,如何快速有效地让学生掌握相应的知识点和提高其力学分析问题的能力是课程教学的重点和难点。文章将学科思维导图应用于结构力学课程教学的课前导学、课堂讲授与课后复习环节中,探索与研究在结构力学教学中运用学科思维导图,提高课堂教学的效果,推动结构力学的教学改革,适应新时代工程教育认证对工科学生提出的具备解决复杂工程问题的能力要求。

关键词:学科思维导图;结构力学;教学研究;复杂工程问题

结构力学是土木工程专业非常重要的一门专业基础课,内蒙古农业大学除土木工程专业外,其他开设结构力学的专业有道路桥梁与渡河工程、农业水利工程、水利水电工程、给排水科学与工程、木材科学与工程等。与其他工科学校相类似,结构力学是继理论力学、材料力学后非常重要的一门力学课程,它为后续钢筋混凝土结构、钢结构、高层建筑结构、桥梁工程等相关专业课程的学习提供必要的力学基础,同时课程中的基本概念、基本原理和方法对以后指导工程设计非常重要,要求同学们重点掌握。但是,由于结构力学知识点多,部分内容理解上比较抽象,再加上学时有限,教师不能将每个知识点讲得非常透彻,所以大部分同学反映该课程比较难学,因此,如何让同学们准确把握知识点的内涵与相互关系,学会力学分析问题的方法和提高其学习的能力,是所有结构力学授课教师必须面对与思考的问题。思维导图是表达发散性思维的有效图形思维工具,改变了传统的线性思维模式,将形象思维与抽象思维进行了很好地结合,帮助人们用联想思维进行思考问题,改善记忆和想象力,充分地开发左右脑的无限潜能[1]。思维导图是发散性的,有助于培养一个人的全面性思维与逻辑性;思维导图是记忆性的,有助于人们学习和记忆各类知识,更高效地完成工作。笔者尝试将思维导图作为一种工具引入到结构力学教学中,给同学们提供一种学习方法,打通知识点掌握到能力提高的壁垒,调动同学们学习结构力学的兴趣,推动结构力学的教学改革,更好地适应新时代工程教育认证对工科学生提出的具备解决复杂工程问题的能力要求。

一、结构力学课程教学的特点

结构力学是研究结构的合理形式以及结构在受力状态下内力、变形、动力反应和稳定性等方面的规律性学科[2]。传统的结构力学课程具有以下特点:

1.知识点多,前后内容环环相扣。既有平面几何组成规律的内容,也有静力荷载作用下五种基本类型结构(梁、拱、桁架、刚架和组合结构)的内力与位移计算问题,还有影响线问题,结构的动力计算、弹性稳定、塑性分析与极限荷载等内容。平面几何组成分析的学习有助于了解结构中杆件组成的相互关系,便于选择对应的计算方法;静定结构中平衡方程与截面法是内力计算的基础,其掌握的程度直接影响后续静定结构的位移计算;而静定结构的位移计算又是超静定结构内力计算的基础;静力荷载下的内力与位移计算是动力荷载结构响应分析的基础;结构的弹性设计又是结构塑性设计与极限荷载计算的基础。这就要求教师不仅重视知识的传授,而且要引导学生归纳知识点,掌握课程的学习方法,避免填鸭式的灌输知识,没有调动学生学习的主观能动性与探索精神。

2.实践性强,与工程实际联系紧密。结构力学中很多计算都是以计算简图作为分析的对象,计算简图的简化是联系实际与计算模型的桥梁,计算简图的合理选择是结构分析的一个重要环节,也是必须解决的首要问题。计算简图的简化要把握“存本去末”与“计算简化”两个基本原则,其简化要点有结构体系的简化、杆件的简化、结点的简化、支座的简化、荷载的简化和材料性质的简化。这就要求教师要重点讲解计算简图知识点,选取不同的工程实例进行讲解,以五种基本结构为原型,不仅讲清楚题目的工程背景,而且要指出哪些是主要因素必须考虑,哪些是次要因素可以忽略。这样可以充分调动学生学习的积极性,避免为了解题而解题。

3.方法灵活,概念与原理的掌握成为根本。结构力学中几何组成分析中三个规则的灵活应用,静定结构内力计算截面法的选取,超静定结构内力计算不同方法的优化选择,影响线的快速绘制等问题,针对这些不同的问题,有着不一样的解法,这就要求教师重点介绍每一种方法的基本原理,挖掘概念、原理及方法的本质,通过讲解典型例题,让学生体会每一种方法的具体应用,不断地变换约束前提条件,分析计算结果的异同,让学生印象更加深刻,避免单纯地做题而缺乏对题目的深刻分析与延伸。

4.哲理丰富,唯物辩证法的主要观点应用成为教学的方法论[3]。唯物辩证法是我们认识世界,改造世界的思想武器,是马克思哲学的核心组成部分,把唯物辩证法运用于结构力学教学中,不仅有助于提高教学效率和质量,而且可以提高学生正确观察、分析、认识事物和解决问题的能力,使学生逐步形成辩证唯物主义世界观。静定结构位移的计算既要用唯物辩证法中联系的观点阐明其与材料力学中结构位移计算的关系,又要用发展的观点阐明图乘法计算结构位移的优势所在;超静定结构内力计算有力法与位移法两种基本方法,教师要用唯物辩证法中对立统一规律进行分析,既要看到二者方法在典型方程形式上的统一方面,也要看到二者在计算系数与自由项涵义上的不同。在教学中应提醒学生注意掌握研究问题的方法,抓住事物主要矛盾,提高分析问题能力,养成良好的思维习惯。

5.趣味性浓,趣味的挖掘成为教学相长的动力。结构力学的趣味性来自于其研究对象的多样性、研究内容的系统性、研究方法的逻辑性、解题思路的灵活性和贴近工程的实践性。学好这门课程,既能积累必要的知识,又能启发心智、锻炼思维、开拓视野、提高能力,从而为今后工作打下良好的基础。东南大学的单建教授为此专门出版《趣味结构力学》著作[4],阐述结构力学课程教学中的趣味性。我国2017版《工程教育认证标准》对毕业生要求提出12条标准[5],其中有8条标准提到“复杂工程问题”,对于复杂工程问题的解决要求强化结构力学基本概念的综合应用和概念设计的理念,还要适应计算机科学的发展而形成的与之适应的结构分析理论与方法。新工科教育也迫切需要在课程教学上进行改革与完善,这就决定了结构力学的课程教学需要以力学基本概念及其科学运用为主线;以客观世界的认知规律为出发点;以工程实践为背景;以素质和能力的提高为根本目标。这就要求教师要不断改进教学方法,将对学生的知识传授与注重能力提高并重,为能培养适应新工科的人才需求而做贡献。

二、思维导图的教学应用

思维导图由英国学者东尼•博赞(TonyBuzan)于20世纪70年代初期所创。其英文为“MindMap”或“MindMap-ping”,前者强调构图结果,后者强调构图过程。它是图像式思维的一种工具,也是有效地表达发散性思维的工具,国内有时译为“心智图”、“心智绘图”或“思维脑图”等[6]。思维导图的应用始于商业,现已逐渐扩展到教育领域。在教育领域的应用更多的集中在教育技术学、数学和化学学科[7],且主要集中在中小学教育中,在大学的教育中,较多地集中在计算机、英语、生物等学科,其在本科力学相关学科的教学应用很少,梁颖晶等人[8]研究了思维导图在建筑力学的课堂教学与课后复习中的应用,其他未曾见过报道。学科思维导图是由刘濯源首先提出,它是以思维导图技术为表现形式,融入逻辑思维的内涵,结合具体教学学科,思维规律、学科规律、考试规律,以实现提升教师教学效能,提高学生学习能力的高效学习工具[9]。学科思维导图相比思维导图更加强调结构化思维、重视概念之间的逻辑关系。这使得学科思维导图比思维导图更适合应用到实际的教学中。李淑凤等人[10]将学科思维导图应用于大学物理课程、汪子君[11]将学科思维导图应用于模拟电路基础课程,二者的研究均表明学科思维导图可以帮助学生构建知识网络,激发学生的学习热情,提高学习效率,起到良好的教学效果。本文在课前导学、课堂教学与课后复习三个环节中恰当地应用学科思维导图辅助开展教学,收到了积极的教学效果。

三、学科思维导图在结构力学课程教学中的应用分析

(一)课前导学中的应用在每学期开始第一次上结构力学课程时,教师应该建立图示1所示的结构力学课程学科思维导图,通过介绍该学科思维导图,让同学们从宏观的角度明白结构力学课程包括的全部内容,并且明确哪些内容是重点学习的内容,哪些内容是自学的内容,各知识单位内容之间的层次关系如何,通过学科思维导图将本门课程的主要内容展现的非常清晰。

(二)课堂教学中的应用在每节课讲之前或者每章内容开始讲授时,均可以绘制相应章节或者知识单元的学科思维导图,如图2所示,以结构力学中第2章的平面几何组成分析为例进行说明。本章共包括七节的内容,每节内容涉及的重要知识点均进行罗列,提纲挈领,思路清晰,这样同学们学习时就不会盲目,也不会把握不住重点。

(三)课后复习中的应用在结构力学每章内容结束,教师都应要求学生绘制本章的学科思维导图,以检验学生的学习效果,同时,学生通过自己绘制学科思维导图,加深了对知识点的理解,逐渐地形成总结的良好习惯,对于其成绩的提高非常有帮助。教师在每章内容结束后,应该总结本章的知识点,自己绘制学科思维导图,在课堂上呈现给学生,学生也可以将自己绘制的学科思维导图与老师绘制的学科思维导图进行比较,查找知识点的疏漏,提高自己的学习能力。图3为笔者针对结构力学中平面体系的几何组成分析这一章内容讲完后绘制的学科思维导图。

四、结束语

本文首先总结了结构力学课程的教学特点,接着分析了目前思维导图在教学中的应用现状,最后将学科思维导图应用于课前导学、课堂教学以及课后复习三个教学环节中,多年的教学实践表明,学科思维导图的恰当应用不仅可以调动同学们学习结构力学的兴趣,帮助他们梳理前后知识要点的相互关系,提高学业成绩,而且培养了他们的逻辑思维能力,对于其更好地将力学应用于工程起到很好的促进作用,更好地适应新时代工程教育认证对工科学生提出的具备解决复杂工程问题的能力要求。

参考文献:

[1]鸿雁.思维导图[M].长春:吉林文史出版社,2017.

[2]朱慈勉.结构力学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]周海龙,李平,李昊,等.哲学观点在结构力学课程教学中的应用[J].高等建筑教育,2017,26(4):72-74.

[4]单建.趣味结构力学[M].2版.北京:高等教育出版社,2015.

[5]中国工程教育认证协会.工程教育认证标准-通用标准[S/OL].中国工程教育认证协会官网.

[6]杨佳洁,周海龙.基于学科教学的概念图与思维导图辨析[J].教学与管理,2018(3):77-79.

[7]张海森.2001-2010年中外思维导图教育应用研究综述[J].中国电化教育,2011(8):120-124.

[8]梁颖晶,燕乐纬,张永山,等.思维导图在专业基础课程建筑力学中的应用[J].教育教学论坛,2017(37):193-195.

[9]林书扬.为什么要给思维导图“转基因”———浅谈“学科思维导图”与“思维导图”[J].中国信息技术教育,2015(18):80-81.

[10]李淑凤,李雪春,郑殊,等.学科思维导图与物理知识网络的构建[J].物理与工程,2018(S1):8-15.

[11]汪子君,任玉琢,梁伟.学科思维导图在模拟电路基础中的应用[J].实验科学与技术,2018,16(1):51-52.

作者:周海龙 安珍 李平 李昊 单位:内蒙古农业大学

学科思维导图结构力学教学研究

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