基于學科思維導圖的結構力學教學研究

周海龍 安珍 李平 李昊

摘? 要：結構力學是土木工程專業一門重要的專業基礎課，具有知識點多、實踐性強、方法靈活、哲理豐富和趣味性濃等特點，如何快速有效地讓學生掌握相應的知識點和提高其力學分析問題的能力是課程教學的重點和難點。文章將學科思維導圖應用于結構力學課程教學的課前導學、課堂講授與課后復習環節中，探索與研究在結構力學教學中運用學科思維導圖，提高課堂教學的效果，推動結構力學的教學改革，適應新時代工程教育認證對工科學生提出的具備解決復雜工程問題的能力要求。

關鍵詞：學科思維導圖;結構力學;教學研究;復雜工程問題

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2019）08-0094-04

Abstract： Structural mechanics is an important basic course of civil engineering majors. It has the characteristics of many knowledge points， strong practicality， flexible methods， rich philosophy and strong interest， etc. How to get students to master the corresponding knowledge and improve their mechanical analysis problems quickly and effectively is the focus and difficulty of curriculum teaching. In this paper， the Discipline Mind Map is applied to the leading science， classroom teaching and post-course review of the teaching of structural mechanics course， explored and studied the use of Discipline Mind Map in the teaching of structural mechanics， improve the effect of classroom teaching， promote the teaching reform of structural mechanics， adapt to the new era of engineering education certification for engineering students to have the ability to solve complex engineering problems.

Keywords： discipline mind map; structural mechanics; teaching research; complex engineering problems

結構力學是土木工程專業非常重要的一門專業基礎課，內蒙古農業大學除土木工程專業外，其他開設結構力學的專業有道路橋梁與渡河工程、農業水利工程、水利水電工程、給排水科學與工程、木材科學與工程等。與其他工科學校相類似，結構力學是繼理論力學、材料力學后非常重要的一門力學課程，它為后續鋼筋混凝土結構、鋼結構、高層建筑結構、橋梁工程等相關專業課程的學習提供必要的力學基礎，同時課程中的基本概念、基本原理和方法對以后指導工程設計非常重要，要求同學們重點掌握。但是，由于結構力學知識點多，部分內容理解上比較抽象，再加上學時有限，教師不能將每個知識點講得非常透徹，所以大部分同學反映該課程比較難學，因此，如何讓同學們準確把握知識點的內涵與相互關系，學會力學分析問題的方法和提高其學習的能力，是所有結構力學授課教師必須面對與思考的問題。

思維導圖是表達發散性思維的有效圖形思維工具，改變了傳統的線性思維模式，將形象思維與抽象思維進行了很好地結合，幫助人們用聯想思維進行思考問題，改善記憶和想象力，充分地開發左右腦的無限潛能[1]。思維導圖是發散性的，有助于培養一個人的全面性思維與邏輯性;思維導圖是記憶性的，有助于人們學習和記憶各類知識，更高效地完成工作。筆者嘗試將思維導圖作為一種工具引入到結構力學教學中，給同學們提供一種學習方法，打通知識點掌握到能力提高的壁壘，調動同學們學習結構力學的興趣，推動結構力學的教學改革，更好地適應新時代工程教育認證對工科學生提出的具備解決復雜工程問題的能力要求。

一、結構力學課程教學的特點

結構力學是研究結構的合理形式以及結構在受力狀態下內力、變形、動力反應和穩定性等方面的規律性學科[2]。傳統的結構力學課程具有以下特點：

1. 知識點多，前后內容環環相扣。既有平面幾何組成規律的內容，也有靜力荷載作用下五種基本類型結構（梁、拱、桁架、剛架和組合結構）的內力與位移計算問題，還有影響線問題，結構的動力計算、彈性穩定、塑性分析與極限荷載等內容。平面幾何組成分析的學習有助于了解結構中桿件組成的相互關系，便于選擇對應的計算方法;靜定結構中平衡方程與截面法是內力計算的基礎，其掌握的程度直接影響后續靜定結構的位移計算;而靜定結構的位移計算又是超靜定結構內力計算的基礎;靜力荷載下的內力與位移計算是動力荷載結構響應分析的基礎;結構的彈性設計又是結構塑性設計與極限荷載計算的基礎。這就要求教師不僅重視知識的傳授，而且要引導學生歸納知識點，掌握課程的學習方法，避免填鴨式的灌輸知識，沒有調動學生學習的主觀能動性與探索精神。

2. 實踐性強，與工程實際聯系緊密。結構力學中很多計算都是以計算簡圖作為分析的對象，計算簡圖的簡化是聯系實際與計算模型的橋梁，計算簡圖的合理選擇是結構分析的一個重要環節，也是必須解決的首要問題。計算簡圖的簡化要把握“存本去末”與“計算簡化”兩個基本原則，其簡化要點有結構體系的簡化、桿件的簡化、結點的簡化、支座的簡化、荷載的簡化和材料性質的簡化。這就要求教師要重點講解計算簡圖知識點，選取不同的工程實例進行講解，以五種基本結構為原型，不僅講清楚題目的工程背景，而且要指出哪些是主要因素必須考慮，哪些是次要因素可以忽略。這樣可以充分調動學生學習的積極性，避免為了解題而解題。

3. 方法靈活，概念與原理的掌握成為根本。結構力學中幾何組成分析中三個規則的靈活應用，靜定結構內力計算截面法的選取，超靜定結構內力計算不同方法的優化選擇，影響線的快速繪制等問題，針對這些不同的問題，有著不一樣的解法，這就要求教師重點介紹每一種方法的基本原理，挖掘概念、原理及方法的本質，通過講解典型例題，讓學生體會每一種方法的具體應用，不斷地變換約束前提條件，分析計算結果的異同，讓學生印象更加深刻，避免單純地做題而缺乏對題目的深刻分析與延伸。

4. 哲理豐富，唯物辯證法的主要觀點應用成為教學的方法論[3]。唯物辯證法是我們認識世界， 改造世界的思想武器， 是馬克思哲學的核心組成部分，把唯物辯證法運用于結構力學教學中， 不僅有助于提高教學效率和質量， 而且可以提高學生正確觀察、分析、認識事物和解決問題的能力， 使學生逐步形成辯證唯物主義世界觀。靜定結構位移的計算既要用唯物辯證法中聯系的觀點闡明其與材料力學中結構位移計算的關系，又要用發展的觀點闡明圖乘法計算結構位移的優勢所在;超靜定結構內力計算有力法與位移法兩種基本方法，教師要用唯物辯證法中對立統一規律進行分析，既要看到二者方法在典型方程形式上的統一方面，也要看到二者在計算系數與自由項涵義上的不同。在教學中應提醒學生注意掌握研究問題的方法，抓住事物主要矛盾，提高分析問題能力，養成良好的思維習慣。

5. 趣味性濃，趣味的挖掘成為教學相長的動力。結構力學的趣味性來自于其研究對象的多樣性、研究內容的系統性、研究方法的邏輯性、解題思路的靈活性和貼近工程的實踐性。學好這門課程，既能積累必要的知識，又能啟發心智、鍛煉思維、開拓視野、提高能力，從而為今后工作打下良好的基礎。東南大學的單建教授為此專門出版《趣味結構力學》著作[4]，闡述結構力學課程教學中的趣味性。

我國2017版《工程教育認證標準》對畢業生要求提出12條標準[5]，其中有8條標準提到“復雜工程問題”，對于復雜工程問題的解決要求強化結構力學基本概念的綜合應用和概念設計的理念，還要適應計算機科學的發展而形成的與之適應的結構分析理論與方法。新工科教育也迫切需要在課程教學上進行改革與完善，這就決定了結構力學的課程教學需要以力學基本概念及其科學運用為主線;以客觀世界的認知規律為出發點;以工程實踐為背景;以素質和能力的提高為根本目標。這就要求教師要不斷改進教學方法，將對學生的知識傳授與注重能力提高并重，為能培養適應新工科的人才需求而做貢獻。

二、思維導圖的教學應用

思維導圖由英國學者東尼·博贊（Tony Buzan）于20世紀70年代初期所創。其英文為“Mind Map”或“Mind Mapping”，前者強調構圖結果，后者強調構圖過程。它是圖像式思維的一種工具，也是有效地表達發散性思維的工具，國內有時譯為“心智圖”、“心智繪圖”或“思維腦圖”等[6]。思維導圖的應用始于商業，現已逐漸擴展到教育領域。在教育領域的應用更多的集中在教育技術學、數學和化學學科[7]，且主要集中在中小學教育中，在大學的教育中，較多地集中在計算機、英語、生物等學科，其在本科力學相關學科的教學應用很少，梁穎晶等人[8]研究了思維導圖在建筑力學的課堂教學與課后復習中的應用，其他未曾見過報道。

學科思維導圖是由劉濯源首先提出，它是以思維導圖技術為表現形式，融入邏輯思維的內涵，結合具體教學學科，思維規律、學科規律、考試規律，以實現提升教師教學效能，提高學生學習能力的高效學習工具[9]。學科思維導圖相比思維導圖更加強調結構化思維、重視概念之間的邏輯關系。這使得學科思維導圖比思維導圖更適合應用到實際的教學中。李淑鳳等人[10]將學科思維導圖應用于大學物理課程、汪子君[11]將學科思維導圖應用于模擬電路基礎課程，二者的研究均表明學科思維導圖可以幫助學生構建知識網絡，激發學生的學習熱情，提高學習效率，起到良好的教學效果。本文在課前導學、課堂教學與課后復習三個環節中恰當地應用學科思維導圖輔助開展教學，收到了積極的教學效果。

三、學科思維導圖在結構力學課程教學中的應用分析

（一）課前導學中的應用

在每學期開始第一次上結構力學課程時，教師應該建立圖示1所示的結構力學課程學科思維導圖，通過介紹該學科思維導圖，讓同學們從宏觀的角度明白結構力學課程包括的全部內容，并且明確哪些內容是重點學習的內容，哪些內容是自學的內容，各知識單位內容之間的層次關系如何，通過學科思維導圖將本門課程的主要內容展現的非常清晰。

（二）課堂教學中的應用

在每節課講之前或者每章內容開始講授時，均可以繪制相應章節或者知識單元的學科思維導圖，如圖2所示，以結構力學中第2章的平面幾何組成分析為例進行說明。本章共包括七節的內容，每節內容涉及的重要知識點均進行羅列，提綱挈領，思路清晰，這樣同學們學習時就不會盲目，也不會把握不住重點。

（三）課后復習中的應用

在結構力學每章內容結束，教師都應要求學生繪制本章的學科思維導圖，以檢驗學生的學習效果，同時，學生通過自己繪制學科思維導圖，加深了對知識點的理解，逐漸地形成總結的良好習慣，對于其成績的提高非常有幫助。教師在每章內容結束后，應該總結本章的知識點，自己繪制學科思維導圖，在課堂上呈現給學生，學生也可以將自己繪制的學科思維導圖與老師繪制的學科思維導圖進行比較，查找知識點的疏漏，提高自己的學習能力。圖3為筆者針對結構力學中平面體系的幾何組成分析這一章內容講完后繪制的學科思維導圖。

四、結束語

本文首先總結了結構力學課程的教學特點，接著分析了目前思維導圖在教學中的應用現狀，最后將學科思維導圖應用于課前導學、課堂教學以及課后復習三個教學環節中，多年的教學實踐表明，學科思維導圖的恰當應用不僅可以調動同學們學習結構力學的興趣，幫助他們梳理前后知識要點的相互關系，提高學業成績，而且培養了他們的邏輯思維能力，對于其更好地將力學應用于工程起到很好的促進作用，更好地適應新時代工程教育認證對工科學生提出的具備解決復雜工程問題的能力要求。

參考文獻：

[1]鴻雁.思維導圖[M].長春：吉林文史出版社，2017.

[2]朱慈勉.結構力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]周海龍，李平，李昊，等.哲學觀點在結構力學課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2017，26（4）：72-74.

[4]單建.趣味結構力學[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.

[5]中國工程教育認證協會.工程教育認證標準-通用標準[S/OL].中國工程教育認證協會官網.http：//cn.ceeaa. org.cn，2017.

[6]楊佳潔，周海龍.基于學科教學的概念圖與思維導圖辨析[J].教學與管理，2018（3）：77-79.

[7]張海森.2001-2010年中外思維導圖教育應用研究綜述[J].中國電化教育，2011（8）：120-124.

[8]梁穎晶，燕樂緯，張永山，等.思維導圖在專業基礎課程建筑力學中的應用[J].教育教學論壇，2017（37）：193-195.

[9]林書揚.為什么要給思維導圖“轉基因”——淺談“學科思維導圖”與“思維導圖”[J].中國信息技術教育，2015（18）：80-81.

[10]李淑鳳，李雪春，鄭殊，等.學科思維導圖與物理知識網絡的構建[J].物理與工程，2018（S1）：8-15.

[11]汪子君，任玉琢，梁偉.學科思維導圖在模擬電路基礎中的應用[J].實驗科學與技術，2018，16（1）：51-52.