小議土木專業(yè)力學(xué)課程的教學(xué)革新
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目前，我校的力學(xué)任課教師都是帶著多媒體課件走上講臺，經(jīng)過多年的多媒體教學(xué)實(shí)踐，深深體會到多媒體技術(shù)的應(yīng)用給力學(xué)課程的教學(xué)改革帶來了一片生機(jī)。多媒體教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：第一可以優(yōu)化教學(xué)過程和教學(xué)內(nèi)容。任課教師在課前將教學(xué)的重要內(nèi)容、重要的文字、圖片、聲像等信息事先編制好，在多媒體教學(xué)過程中做到文、圖、聲、像并茂，生動直觀，產(chǎn)生很大的趣味性，從而豐富學(xué)生的想象力，調(diào)動學(xué)生主動參與教學(xué)，使力學(xué)課程不再成為一門枯燥、抽象的純理論課程。第二可以幫助學(xué)生掌握重點(diǎn)和突破難點(diǎn)。多媒體課件把知識的重點(diǎn)和難點(diǎn)或突出以文字，或強(qiáng)調(diào)以色彩，或展示以圖形，對一些抽象的概念或復(fù)雜的關(guān)系，過去使用“千言萬語”和傳統(tǒng)板書也難以精確敘述清楚，現(xiàn)在可用多媒體生動、形象地演示出來，使學(xué)生易懂、易學(xué)。第三可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。多媒體教學(xué)提供了豐富的多媒體信息和資料，可以充分調(diào)動學(xué)生的眼、耳、口、腦等多種感官，教師在課堂上有足夠的時(shí)間與學(xué)生互動、交流，為采用“啟發(fā)式”、“研討式”等教學(xué)方法提供了便利，使學(xué)生好學(xué)樂學(xué)，從而增強(qiáng)教學(xué)效果。
一、傳統(tǒng)教學(xué)方法
傳統(tǒng)教學(xué)方法是指教師以黑板+粉筆為主要教學(xué)工具，用精煉生動的語言完成“傳道、授業(yè)、解惑”教學(xué)內(nèi)容。在課堂教學(xué)中，教師站在講臺上親切自然，面帶微笑，手勢動作友好而輕松，再加上隨之而來的親切話語，講起定理，如嘮家常，流暢自如；講起概念，字字珠璣，句句到位，教師處處為學(xué)生著想，循循善誘，學(xué)生與教師同步思維，師生的心理和情感交融在一起，一堂課在緊張熱烈而又輕松愉快的氣氛中結(jié)束。這種教學(xué)方式具有很大的魅力，對學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的感染力，學(xué)生自然聽得津津有味，教師講授的知識內(nèi)容也就點(diǎn)點(diǎn)滴滴落入學(xué)生的心田。當(dāng)然，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)改革的深入，傳統(tǒng)教學(xué)的局限性也是顯而易見的，例如僅依靠口述和板書在課堂中難以表達(dá)足夠多的信息量，這不符合培養(yǎng)復(fù)合型人才的要求。傳統(tǒng)教學(xué)對圖像的處理功能也較弱，教學(xué)效果還因教師個(gè)體差別而有顯著的不同。雖然傳統(tǒng)教學(xué)存在一些不足之處，但由于其簡便易行，因此傳統(tǒng)教學(xué)不可能完全被現(xiàn)代技術(shù)所替代，傳統(tǒng)教學(xué)中的講授、演示、練習(xí)等教學(xué)方法至今仍有強(qiáng)大的生命力。
二、計(jì)算機(jī)分析法
由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，力學(xué)又增加了一種分析方法，即計(jì)算機(jī)分析法。目前計(jì)算機(jī)分析法已經(jīng)完全融入力學(xué)研究之中，在理論分析中，人們可以借助于計(jì)算機(jī)推導(dǎo)那些難于導(dǎo)出的公式，從而求得復(fù)雜的解析解。在實(shí)驗(yàn)研究中，計(jì)算機(jī)不僅可以整理數(shù)據(jù)、繪制實(shí)驗(yàn)曲線、顯示圖形等，而且可以選用最優(yōu)參數(shù)。特別是隨著有限元理論的逐步成熟及計(jì)算機(jī)硬件的迅速發(fā)展，現(xiàn)行的CAE（ComputerAidedEngineering）軟件已經(jīng)成熟，CAE軟件成為人們實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。教師在力學(xué)課程教學(xué)中使用CAE軟件對工程問題進(jìn)行物理力學(xué)性能的分析、模擬、預(yù)測、評價(jià)和優(yōu)化，這樣能使學(xué)生不出課堂就可獲得最真實(shí)、最全面的信息，極大地拓寬了學(xué)生的知識面，取得最優(yōu)化的教學(xué)效果。
三、工程案例法
力學(xué)課程既是理論性較強(qiáng)又是與工程實(shí)踐聯(lián)系密切的學(xué)科，實(shí)際工程案例是力學(xué)課堂教學(xué)過程中一項(xiàng)不可缺少的教學(xué)材料。在案例教學(xué)中，教師事先向?qū)W生公布案例討論的題目，指定閱讀材料。學(xué)生利用課后時(shí)間學(xué)習(xí)研究案例，進(jìn)行小組討論交流。在課堂討論中，學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于案例分析和計(jì)算，就案例中的主要問題進(jìn)行辯論和探討。教師對于討論進(jìn)程和重點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，并總結(jié)提煉必要的理論知識和基本原理。案例素材來源于工程實(shí)際，案例教學(xué)促進(jìn)了理論與實(shí)際的結(jié)合，這樣既能幫助學(xué)生很快掌握理論知識，縮短理論與實(shí)際的距離，又能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會創(chuàng)新思維方法，全面提高學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題等多方面的能力。
四、多種教學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合
在教學(xué)過程中，教師是教學(xué)的組織者，起著主導(dǎo)作用。教師在講授力學(xué)課程時(shí)，應(yīng)針對本課程的教學(xué)特點(diǎn)，根據(jù)不同章節(jié)的不同內(nèi)容，恰到好處地使用教學(xué)手段，并把各種教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來，相得益彰，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。下面以理論力學(xué)、材料力學(xué)課程為例，介紹根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容有效發(fā)揮多種教學(xué)方法的優(yōu)勢，盡量做到和諧統(tǒng)一，以取得良好的教學(xué)效果?！熬w論”這一章，涉及面較廣，許多內(nèi)容與工程實(shí)際聯(lián)系，而學(xué)生又缺乏工程背景知識，教師可運(yùn)用多媒體技術(shù)將大量的工程實(shí)例用動畫演示，還可以在課堂中放映電視錄像教材《力學(xué)在工程中的應(yīng)用》，通過影片介紹力學(xué)在土木、水利、機(jī)械、航空航天等工程中的應(yīng)用。這些動畫、錄像資料起到了很好的輔助教學(xué)作用，大大增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)感和授課的信息量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性?！包c(diǎn)的合成運(yùn)動”和“剛體的平面運(yùn)動”這兩章一直是運(yùn)動學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，對于動點(diǎn)的絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動、牽連運(yùn)動三種運(yùn)動的分析，牽連點(diǎn)概念的理解，以及剛體的平動、定軸轉(zhuǎn)動、平面運(yùn)動三種運(yùn)動的判斷是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)教學(xué)方式講解具有很大的難度，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的教學(xué)方法無法向?qū)W生展示機(jī)構(gòu)動態(tài)的效果，不利于學(xué)生對知識的理解和掌握。教師可以充分利用多媒體技術(shù)把各構(gòu)件的運(yùn)動情況演示出來，多媒體動畫的效果和作用是其它教學(xué)手段無法實(shí)現(xiàn)的。例如，用動畫演示刨床急回機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，形象地展示每個(gè)構(gòu)件各自的運(yùn)動以及它們之間運(yùn)動傳遞的聯(lián)接點(diǎn)，在播放的過程中講解一個(gè)點(diǎn)兩個(gè)系三種運(yùn)動，這樣就能讓學(xué)生直觀地感受到動點(diǎn)三種運(yùn)動的形成過程。在講授剛體平面運(yùn)動可分解為隨基點(diǎn)的平移和繞基點(diǎn)的轉(zhuǎn)動時(shí)，為了解釋說明平移的運(yùn)動規(guī)律與基點(diǎn)的選擇有關(guān)，而轉(zhuǎn)動的運(yùn)動規(guī)律與基點(diǎn)的選擇無關(guān)，可以選擇不同的點(diǎn)作為基點(diǎn)，然后用動畫把運(yùn)動過程生動的展現(xiàn)出來，學(xué)生自然就一目了然了。
多媒體教學(xué)可以將教師從煩瑣的板書中解脫出來，為互動式、啟發(fā)式等生動活潑的教學(xué)方法提供了方便。這種方式有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有利于教師知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生知識。例如在講“摩擦角與自鎖”時(shí)，首先展示一些實(shí)際工程中自鎖機(jī)構(gòu)的圖片，如千斤頂?shù)龋缓蠼處熞龑?dǎo)和幫助學(xué)生對自鎖現(xiàn)象和素材進(jìn)行分析歸納，從這些實(shí)例中總結(jié)出抽象化的力學(xué)模型，接著對力學(xué)模型進(jìn)行受力分析，列出其靜力平衡方程，得出機(jī)構(gòu)滿足自鎖條件的結(jié)論，然后用動畫演示摩擦錐的形成過程以及自鎖的條件，最后教師給學(xué)生留有提問題的時(shí)間，教師聯(lián)系學(xué)生的問題進(jìn)行點(diǎn)評，這樣層層深入，啟發(fā)中有互動，互動中有啟發(fā)，課堂精彩場面不斷出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)是力學(xué)重要的研究方法之一。它既可以研究力學(xué)的基本理論應(yīng)用于實(shí)際問題時(shí)的正確性與適用范圍，又可以研究當(dāng)一些基本理論難以解決實(shí)際問題時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)建立合適的簡化模型，為理論分析提供必要的基礎(chǔ)。教師利用動畫模擬演示實(shí)驗(yàn)，形象直觀，可以加強(qiáng)教學(xué)效果。例如，在講解構(gòu)件的四種基本變形的變形特點(diǎn)、材料的力學(xué)性能、沖擊韌性、壓桿穩(wěn)定等內(nèi)容時(shí)，都可運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，通過動畫緩慢地演示整個(gè)試驗(yàn)過程，將結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形、破壞等方面的特性直觀形象地展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生加深理解屈服極限、強(qiáng)度極限、伸長率等重要概念，這明顯要比僅靠言語在課堂上講解實(shí)驗(yàn)的結(jié)論效果要好得多。
隨著力學(xué)課程體系改革的不斷深入，力學(xué)面臨著教學(xué)內(nèi)容要充實(shí)更新的迫切要求。因此，教師在多媒體教學(xué)中應(yīng)引入計(jì)算機(jī)分析這一新方法，這有利于拓寬學(xué)生的知識面。例如，在講述矩形截面梁橫截面上的彎曲應(yīng)力、圣維南原理、應(yīng)力集中等內(nèi)容時(shí)，利用目前在計(jì)算工程領(lǐng)域中最通用和有效的有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，用多媒體技術(shù)在課堂上向?qū)W生演示ANSYS程序的建模、求解、提取結(jié)果三個(gè)基本過程，可以使學(xué)生清晰地觀看到截面上應(yīng)力的變化規(guī)律以及最大應(yīng)力的分布狀況，這不僅對學(xué)生全面掌握課堂教學(xué)內(nèi)容是十分有利的，而且還向?qū)W生介紹了國內(nèi)外有限元技術(shù)的最新科研成果，為將來學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算打下基礎(chǔ)。力學(xué)課程的知識要點(diǎn)繁多，其中有些教學(xué)內(nèi)容并不適合使用多媒體教學(xué)方式，而采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式卻能取得事半功倍的效果。例如，物體的受力分析和構(gòu)件四種基本變形內(nèi)力圖的畫法是學(xué)生必須掌握的基本功，有關(guān)物體平衡、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)問題以及構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性問題的計(jì)算方法是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，學(xué)生只有通過不斷的解題實(shí)踐，才能正確理解基本知識和熟練掌握計(jì)算方法。因此，對于一些重要的基本概念、基本理論、公式推導(dǎo)以及例題的演算等，都應(yīng)由教師在黑板上親自講解。教師適當(dāng)?shù)卦诤诎迳蠈懗鲆恍┲匾拍?、公式、結(jié)論中的關(guān)鍵詞，不但可以突出重點(diǎn)，加深學(xué)生的印象，而且可以調(diào)節(jié)課堂氣氛，避免學(xué)生由于長時(shí)間觀看大屏幕引起的視覺疲勞。在典型例題求解方面，教師更應(yīng)該在黑板上親自去畫、去演示，讓學(xué)生看到老師是怎樣演算的，并讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行同步訓(xùn)練，然后教師總結(jié)解題的思路與方法，這樣就能顯著提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。
五、結(jié)束語
課堂教學(xué)的主體是教師，多媒體教學(xué)法、傳統(tǒng)教學(xué)法、計(jì)算機(jī)分析法、工程案例法等教學(xué)方式都只是教師在課堂教學(xué)過程中輔助的教學(xué)手段，正確的態(tài)度應(yīng)該是對各種教學(xué)方法進(jìn)行揚(yáng)長避短地使用，充分發(fā)揮各自的長處，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，這才是我們追求的目標(biāo)。（本文作者：龍志勤、習(xí)會峰、王志剛 單位：廣東石油化工學(xué)院建筑工程學(xué)院）