“土木工程力学基础”模拟实验教学法应用

摘 要“土木工程力学基础”是中等职业教育建筑专业国家指定的平台性课程.由于该课程概念抽象、计算多、逻辑性强的特点,中职学生普遍感到学习困难较大.模拟实验教学法是行动导向教学框架下适宜专业课教学的一种理实交融的模拟教学法,它按照中职学生形象思维优于抽象思维的认知特点,让学生在动手模拟实验中直观地掌握力学知识与及其应用.本文从中职土木力学教与学的现状调研入手,提出力学模拟实验教学改革的必要性,并结合具体实例说明模拟实验教学法的应用,以对比实验的方式分析模拟实验教学法应用效果,同时,对模拟实验教学中存在问题进行反思,以此来推动模拟实验教学法在“土木工程力学基础”课程教学中的成熟应用.

关 键 词土木力学模拟实验改革应用

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.ki.kjdkz.2015.05.051

ApplicationofSimulationExperimentalTeachingin

"BasisofCivilEngineeringMechanics"

ZHAOChonghui

（ConstructionVocationalSchoolinFuzhou,Fuzhou,Fujian350007）

Abstract"CivilEngineeringMechanicsFoundation"issecondaryvocationaleducationplatformforbuildingprofessionaldesignatedbytheStatecurriculum.Duetotheabstractconceptofthecourse,tocalculatemorelogicalandstrongfeatures,vocationalstudentsgenerallyfeelagreaterlearningdifficulties.Simulationcoursesteachingpedagogyisanappropriateblendoftheoryandpracticeteachingundersimulatedaction-orientedteachingframework,whichaccordingtotheimageofvocationalstudentsthinkingbettercognitivecharacteristicsofabstractthinking,sothatstudentsintuitivelygraspthehands-onsimulationexperimentmechanicalknowledgeanditsapplication.Inthispaper,thestatusquofromthepostcivilmechanicsofteachingandlearningresearch,putorwardtheneedformechanicalsimulationexperimentteachingreform,binedwithspecificexamplesillustratetheapplicationofsimulationteaching,topareexperimentallyanalyzesimulationteachingmethod,butwillofsimulationteachingreflectionproblems,inordertopromoteapplicationofsimulationteachingmature"basiccivilengineeringmechanics"courseteaching.

KeywordsCivilEngineeringMechanics,simulationexperiment,reform,application

传统的中职“土木工程力学基础”课程内容抽象、枯燥.教师不爱教,学生不愿学,课堂教学不佳.学校专门成立力学教学改革攻关小组,编写《土木工程力学基础》（多学时）模拟实验化教材,开展“土木工程力学基础”课程模拟实验教学改革,开发力学模拟实验教学用的教具和学具（实验元件）,边改革创新边课堂实践,把模拟力学实验结合多媒体技术,将难于观察到的杆件受力与变形进行模拟再现,较好地解决了力学理论概念抽象、计算多、逻辑强的问题,同时,帮助学生克服理论与实践脱节的现象,实现知识到能力的顺利迁移,从而有效提高力学教学质量和效果.

1力学模拟实验教学改革的缘由

“土木工程力学基础”是国家规定的中职土木水利类专业的平台性课程,是连接公共基础课与专业课之间的桥梁和纽带,它与其他专业课程相比,存在着概念抽象、计算多、连贯性强的特点.力学课程自身“难”的问题,使中职学生学习普遍感到困难,笔者曾对某年级建筑工程施工专业二百多名学生进行摸底,其中仅有10%左右学生能跟上教师进度,近60%的学生缺乏学习信心,力学期考卷面成绩及格率不到50%.同时,任课教师普遍感到自己像是在台上唱独角戏,无法体会教学的成就感和喜悦感.面对这一困境,如果教师只会发牢骚、怨天尤人,而不去从自身教学策略上找原因、想办法,将问题的原因归结于学生学习能力差、学习态度不端正等方面,那是永远无法突破力学教学的困境.因而,寻找一种既能适应力学学科特点,又能激发学习积极性的新的教学方法迫在眉睫.为此,我们从中职学生认知特点和力学课程的学科特点出发,通过长期的研究和实验,总结出一种不同于传统教学的新方法――模拟实验教学.用实验来模拟构件的受力与变形、揭示力学原理,让学生从抽象思维中解放出来,激发学生学习兴趣,让学生体验学习的快乐.

2力学模拟实验教学方法的特点

传统力学课堂教学往往以教师讲授为主,整个过程大部分学生在台下听、看和算,而学生学习的主动性与创造性难以发挥出来.因此,结合力学教学的特点,利用小实验模拟,并结合多媒体技术,将难于直观观察到的力学现象在课堂上直观展现出来,同时又能让学生动手模拟操作,这样既能解决力学理论抽象、枯燥、不易理解的问题,又能改变学生在学习过程中被动现象,激发学习主动性与积极性.

2.1模拟实验直观地诠释力学原理

我们研发了与《土木工程力学基础》教材配套的模拟实验用元件盒（教具与学具）,元件盒里面配备相应的力学模拟实验器件,通过力学模拟实验将构件受力变形效果放大（如图1、图2）,这样结构构件受力与变形既能看得见又能摸得着,构件的受力原理就可以直观地呈现出来.同时,直观化教学符合中职学生直观学习优于抽象学习的认知特点,有助于降低学生学习难度,获得成功感,体验学习快乐,让学生们在课堂上抬起头,注意力不再集中在手机上,主动参与学习,真正“动”起来.

图1纸板放上链条,纸板向下变弯,体现力与变形一致性原理

图2对不同约束的钢片施压,来模拟不同支座约束与压杆变形的关系

2.2模拟实验灵活地创建教学情境

除了利用实验元件盒中的元件进行模拟实验教学外,而许多模拟实验教学的器件取自日常用品,教师及学生可以结合自身教与学的特点,开发与利用身边的资源,进行创新设计,去模拟结构构件的不同受力方式,巧妙创建教学情境.例如学生学习“平面汇交力系合成与分解”时,教师可以设计这样一个模拟实验：用一根尼龙绳子绑住学生课桌,让学生设法借助教室里其他构件,使自己用最小的力气用绳子拉动课桌,这样的设计能激发学生去思考,去寻找要借助的东西,课堂气氛因此活跃了.这时,学生可以将绳子的另一端头绑在一个固定点上（例如教室的窗栅）,然后从绳子中点垂直于绳子方向用力拉动,就能很轻松地移动课桌,通过这样的现场体验,学生对“力的合成与分解”概念及其应用有了初步认识,再深入学习该章节的内容就容易多了.

2.3模拟实验巧妙地融合信息技术

中职学生普遍对于生活化、工程化的教学内容兴趣较大,对于理论化教学内容比较抵触,他们上课时经常会问这些内容学了有用吗?用在哪里?利用多媒体虚拟技术展现工程背景和模拟场景,形象地回答学生的学习疑问.同时,也能抓住中职年龄段学生普遍对虚拟技术感兴趣的特点,因势利导地将其兴趣与爱好迁移到学习上来.

2.3.1影像技术再现真实场景

我们利用影像制品与动画仿真制作等手段,模仿构件受力现象,呈现隐蔽或微观变形.让学生置身于虚拟的工程生产场景中,打破学习在时间和空间上的约束,从而获得更多的直观性知识,同时也可避免学生在真实环境下不安全因素的影响.例如在介绍“低碳钢拉伸力学性能”时,由于受到实验室条件的限制,我们可以制作“低碳钢在拉伸过程的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等五个阶段强度及变形变化”动画,用动画再现真实情境,剖析低碳钢在拉伸五个阶段的受力特征与变形特点,同样取得真实效果,让学生既能直观地观察受力变形,又能提高学习的安全性.

2.3.2动画技术实现反复学习

利用多媒体动画能实现反复学习,它可实现暂停播放的功能,这有助于教师对某个知识点进行详细的分析,有利于难点突破,同时学生可根据自己学习能力与掌握程度在电脑上进行自主学习,面向全体学生达到分层学习的目的.

3模拟实验教学的应用

在实践教学中可以根据教学目标与任务的要求,合理应用模拟实验教学法,调动学生学习积极性,力求学习效果实现最优化.下面以“直杆轴向拉伸与压缩时的内力”教学为例,说明模拟教学法在“土木工程力学基础”课程教学中的应用（表1）.

4模拟实验教学的成效

教学实践表明,模拟实验教学法不但能调动学生学习的主动性、创造性,而且更重要的是提高学生的自信心.模拟实验教学是让学生在模拟的情境下,通过实实在在的模拟实验操作,来学习和运用专业知识,让难以理解的专业知识变得直观、易学.它符合中职年龄段学生的认知特点,这个阶段学生的认识正处于从具体到抽象的过渡期,模拟教学法能在抽象思维培养与具体实践技能之间把握平衡,帮助学生实现认识形式上的过渡.我们采用非随机分派单组控制前、后测实验法,从2012级建筑工程施工专业中选择“土木工程力学基础”半期考成绩相近的两个班12（18）与12（20）为研究对象,恰巧这两个班级人数以及其它班级状况也比较接近（见表2）.

表22012-2013学年第一学期两个班的半期考成绩（前测）

用抽签的方法确定12（18）班为实验组,12（20）班为对照组.实验组和对照组由同一个老师担任土木工程力学课程教学,实验组用模拟实验法教学,而对照组仍按原来的模式教学.

经过半个学期实验,对比实验组与对照组的学习成绩,由于实验前实验组与对照组力学学习成绩接近,故暂不考虑前测差异的影响,直接对比实验组与对照组土木力学期考成绩.由表3可知,实验组的力学期考平均分比对照组高出14.3分,及格率提高15.7%.

表3实验组与对照组2012-2013学年第一学期期考成绩（后测）

除了对比土木力学成绩外,实验期间课题组成员每个月以听课老师的身份对实验组和对照组进行课堂观察（每组各三次）,并填写观察表,在观察表中设有“专业知识掌握情况”、“专业技能掌握情况”、“注意力集中状态”、“学习参与度”、“学习合作性”及“分析与解决问题能力”等六个观察项,为方便比较,每个观察项按“较好”、“一般”、“较差”分别赋予“3”、“2”、“1”分值.

由表4、图3可知,实验组学生的学习成绩及表现都明显地高于对照组.任课教师也反映,采用模拟实验法教学后,越来越多的学生注意力开始集中到课堂上,同时,每节课不同的实验,使学生学习的热情始终高涨,课堂上玩手机、睡觉的学生明显少了,且打破传统教学的局限性,使教学进入新的境界,学生容易学,教师容易教.

图3实验组与对照组课堂学习状况观察对比

5模拟实验教学反思

（1）中职学生自控能力较差,学生易活跃过头,导致整个教学过程不易控制,造成课堂秩序混乱,所以要求教师加强教学组织与引导工作.（2）学生长时间在课件环境下学习,影像与动画的画面快速变化,很容易产生视觉疲劳,影响学生的学习效果,所以教师要安排好多媒体使用时间,并重视加强教师和学生间的互动和交流.（3）部分模拟实验可进一步优化组合,在有限的时间内突出重点知识的学习.