“土木工程力學基礎”模擬實驗教學法應用

摘 要 “土木工程力學基礎”是中等職業教育建筑專業國家指定的平臺性課程。由于該課程概念抽象、計算多、邏輯性強的特點，中職學生普遍感到學習困難較大。模擬實驗教學法是行動導向教學框架下適宜專業課教學的一種理實交融的模擬教學法，它按照中職學生形象思維優于抽象思維的認知特點，讓學生在動手模擬實驗中直觀地掌握力學知識與及其應用。本文從中職土木力學教與學的現狀調研入手，提出力學模擬實驗教學改革的必要性，并結合具體實例說明模擬實驗教學法的應用，以對比實驗的方式分析模擬實驗教學法應用效果，同時，對模擬實驗教學中存在問題進行反思，以此來推動模擬實驗教學法在“土木工程力學基礎”課程教學中的成熟應用。

關鍵詞 土木力學 模擬實驗 改革 應用

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.05.051

Application of Simulation Experimental Teaching in

"Basis of Civil Engineering Mechanics"

ZHAO Chonghui

（Construction Vocational School in Fuzhou， Fuzhou， Fujian 350007）

Abstract "Civil Engineering Mechanics Foundation" is secondary vocational education platform for building professional designated by the State curriculum. Due to the abstract concept of the course， to calculate more logical and strong features， vocational students generally feel a greater learning difficulties. Simulation courses teaching pedagogy is an appropriate blend of theory and practice teaching under simulated action-oriented teaching framework， which according to the image of vocational students thinking better cognitive characteristics of abstract thinking， so that students intuitively grasp the hands-on simulation experiment mechanical knowledge and its application. In this paper， the status quo from the post civil mechanics of teaching and learning research， puts forward the need for mechanical simulation experiment teaching reform， combined with specific examples illustrate the application of simulation teaching， to compare experimentally analyze simulation teaching method， but will of simulation teaching reflection problems， in order to promote application of simulation teaching mature "basic civil engineering mechanics" course teaching.

Key words Civil Engineering Mechanics; simulation experiment; reform; application

傳統的中職“土木工程力學基礎”課程內容抽象、枯燥。教師不愛教，學生不愿學，課堂教學不佳。學校專門成立力學教學改革攻關小組，編寫《土木工程力學基礎》（多學時）模擬實驗化教材，開展“土木工程力學基礎”課程模擬實驗教學改革，開發力學模擬實驗教學用的教具和學具（實驗元件），邊改革創新邊課堂實踐，把模擬力學實驗結合多媒體技術，將難于觀察到的桿件受力與變形進行模擬再現，較好地解決了力學理論概念抽象、計算多、邏輯強的問題，同時，幫助學生克服理論與實踐脫節的現象，實現知識到能力的順利遷移，從而有效提高力學教學質量和效果。

1 力學模擬實驗教學改革的緣由

“土木工程力學基礎”是國家規定的中職土木水利類專業的平臺性課程，是連接公共基礎課與專業課之間的橋梁和紐帶，它與其他專業課程相比，存在著概念抽象、計算多、連貫性強的特點。力學課程自身“難”的問題，使中職學生學習普遍感到困難，筆者曾對某年級建筑工程施工專業二百多名學生進行摸底，其中僅有10%左右學生能跟上教師進度，近60%的學生缺乏學習信心，力學期考卷面成績及格率不到50%。同時，任課教師普遍感到自己像是在臺上唱獨角戲，無法體會教學的成就感和喜悅感。面對這一困境，如果教師只會發牢騷、怨天尤人，而不去從自身教學策略上找原因、想辦法，將問題的原因歸結于學生學習能力差、學習態度不端正等方面，那是永遠無法突破力學教學的困境。因而，尋找一種既能適應力學學科特點，又能激發學習積極性的新的教學方法迫在眉睫。

為此，我們從中職學生認知特點和力學課程的學科特點出發，通過長期的研究和實驗，總結出一種不同于傳統教學的新方法——模擬實驗教學。用實驗來模擬構件的受力與變形、揭示力學原理，讓學生從抽象思維中解放出來，激發學生學習興趣，讓學生體驗學習的快樂。

2 力學模擬實驗教學方法的特點

傳統力學課堂教學往往以教師講授為主，整個過程大部分學生在臺下聽、看和算，而學生學習的主動性與創造性難以發揮出來。因此，結合力學教學的特點，利用小實驗模擬，并結合多媒體技術，將難于直觀觀察到的力學現象在課堂上直觀展現出來，同時又能讓學生動手模擬操作，這樣既能解決力學理論抽象、枯燥、不易理解的問題，又能改變學生在學習過程中被動現象，激發學習主動性與積極性。

2.1 模擬實驗直觀地詮釋力學原理

我們研發了與《土木工程力學基礎》教材配套的模擬實驗用元件盒（教具與學具），元件盒里面配備相應的力學模擬實驗器件，通過力學模擬實驗將構件受力變形效果放大（如圖1、圖2），這樣結構構件受力與變形既能看得見又能摸得著，構件的受力原理就可以直觀地呈現出來。同時，直觀化教學符合中職學生直觀學習優于抽象學習的認知特點，有助于降低學生學習難度，獲得成功感，體驗學習快樂，讓學生們在課堂上抬起頭，注意力不再集中在手機上，主動參與學習，真正“動”起來。

圖1 紙板放上鏈條，紙板向下變彎，體現力與變形一致性原理

圖2 對不同約束的鋼片施壓，來模擬不同支座約束與壓桿變形的關系

2.2 模擬實驗靈活地創建教學情境

除了利用實驗元件盒中的元件進行模擬實驗教學外，而許多模擬實驗教學的器件取自日常用品，教師及學生可以結合自身教與學的特點，開發與利用身邊的資源，進行創新設計，去模擬結構構件的不同受力方式，巧妙創建教學情境。例如學生學習“平面匯交力系合成與分解”時，教師可以設計這樣一個模擬實驗：用一根尼龍繩子綁住學生課桌，讓學生設法借助教室里其他構件，使自己用最小的力氣用繩子拉動課桌，這樣的設計能激發學生去思考，去尋找要借助的東西，課堂氣氛因此活躍了。這時，學生可以將繩子的另一端頭綁在一個固定點上（例如教室的窗柵），然后從繩子中點垂直于繩子方向用力拉動，就能很輕松地移動課桌，通過這樣的現場體驗，學生對“力的合成與分解”概念及其應用有了初步認識，再深入學習該章節的內容就容易多了。

2.3 模擬實驗巧妙地融合信息技術

中職學生普遍對于生活化、工程化的教學內容興趣較大，對于理論化教學內容比較抵觸，他們上課時經常會問這些內容學了有用嗎？用在哪里？利用多媒體虛擬技術展現工程背景和模擬場景，形象地回答學生的學習疑問。同時，也能抓住中職年齡段學生普遍對虛擬技術感興趣的特點，因勢利導地將其興趣與愛好遷移到學習上來。

2.3.1 影像技術再現真實場景

我們利用影像制品與動畫仿真制作等手段，模仿構件受力現象，呈現隱蔽或微觀變形。讓學生置身于虛擬的工程生產場景中，打破學習在時間和空間上的約束，從而獲得更多的直觀性知識，同時也可避免學生在真實環境下不安全因素的影響。例如在介紹“低碳鋼拉伸力學性能”時，由于受到實驗室條件的限制，我們可以制作“低碳鋼在拉伸過程的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等五個階段強度及變形變化”動畫，用動畫再現真實情境，剖析低碳鋼在拉伸五個階段的受力特征與變形特點，同樣取得真實效果，讓學生既能直觀地觀察受力變形，又能提高學習的安全性。

2.3.2 動畫技術實現反復學習

利用多媒體動畫能實現反復學習，它可實現暫停播放的功能，這有助于教師對某個知識點進行詳細的分析，有利于難點突破;同時學生可根據自己學習能力與掌握程度在電腦上進行自主學習，面向全體學生達到分層學習的目的。

3 模擬實驗教學的應用

在實踐教學中可以根據教學目標與任務的要求，合理應用模擬實驗教學法，調動學生學習積極性，力求學習效果實現最優化。下面以“直桿軸向拉伸與壓縮時的內力”教學為例，說明模擬教學法在“土木工程力學基礎”課程教學中的應用（表1）。

4 模擬實驗教學的成效

教學實踐表明，模擬實驗教學法不但能調動學生學習的主動性、創造性，而且更重要的是提高學生的自信心。模擬實驗教學是讓學生在模擬的情境下，通過實實在在的模擬實驗操作，來學習和運用專業知識，讓難以理解的專業知識變得直觀、易學。它符合中職年齡段學生的認知特點，這個階段學生的認識正處于從具體到抽象的過渡期，模擬教學法能在抽象思維培養與具體實踐技能之間把握平衡，幫助學生實現認識形式上的過渡。我們采用非隨機分派單組控制前、后測實驗法，從2012級建筑工程施工專業中選擇“土木工程力學基礎”半期考成績相近的兩個班12（18）與12（20）為研究對象，恰巧這兩個班級人數以及其它班級狀況也比較接近（見表2）。

表2 2012-2013學年第一學期兩個班的半期考成績（前測）

用抽簽的方法確定12（18）班為實驗組，12（20）班為對照組。實驗組和對照組由同一個老師擔任土木工程力學課程教學，實驗組用模擬實驗法教學，而對照組仍按原來的模式教學。

經過半個學期實驗，對比實驗組與對照組的學習成績，由于實驗前實驗組與對照組力學學習成績接近，故暫不考慮前測差異的影響，直接對比實驗組與對照組土木力學期考成績。由表3可知，實驗組的力學期考平均分比對照組高出14.3分，及格率提高15.7%。

表3 實驗組與對照組2012-2013學年第一學期期考成績（后測）

除了對比土木力學成績外，實驗期間課題組成員每個月以聽課老師的身份對實驗組和對照組進行課堂觀察（每組各三次），并填寫觀察表，在觀察表中設有“專業知識掌握情況”、“專業技能掌握情況”、“注意力集中狀態”、“學習參與度”、“學習合作性”及“分析與解決問題能力”等六個觀察項，為方便比較，每個觀察項按“較好”、“一般”、“較差”分別賦予“3”、“2”、“1”分值。

由表4、圖3可知，實驗組學生的學習成績及表現都明顯地高于對照組。任課教師也反映，采用模擬實驗法教學后，越來越多的學生注意力開始集中到課堂上，同時，每節課不同的實驗，使學生學習的熱情始終高漲，課堂上玩手機、睡覺的學生明顯少了，且打破傳統教學的局限性，使教學進入新的境界，學生容易學，教師容易教。

圖3 實驗組與對照組課堂學習狀況觀察對比

5 模擬實驗教學反思

（1）中職學生自控能力較差，學生易活躍過頭，導致整個教學過程不易控制，造成課堂秩序混亂，所以要求教師加強教學組織與引導工作。（2）學生長時間在課件環境下學習，影像與動畫的畫面快速變化，很容易產生視覺疲勞，影響學生的學習效果，所以教師要安排好多媒體使用時間，并重視加強教師和學生間的互動和交流。（3）部分模擬實驗可進一步優化組合，在有限的時間內突出重點知識的學習。

參考文獻

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