搭積木對力學建模教學的啟發

李靜 鄭華升

摘要：教育是強國之本，是全民關注的重點問題之一，如何提高教學質量、培養創新型人才是學校和教師工作的重要任務與職責。力學建模能力對于學生應用力學的基本理論和方法分析解決工程實際問題，尤其是新問題具有重要意義，但其教學效果卻往往不能盡如人意。為了提高力學建模教學效果，培養出創新型人才，通過觀察和對比力學建模與幼兒搭積木的學習歷程，從學生的需求出發，采用對比分析的方法，得出了關注學生的學習狀態、遵循循序漸進的原則、突出實際工程背景、采用多樣化授課方式的教學原則。

關鍵詞：創新型人才；力學建模；教學效果；搭積木

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

隨著社會、經濟、文化的迅猛發展，人們對兒童健康成長發育的重視程度不斷提高，對早期教育的認識不斷深入，越來越多的人開始關注早期教育，[1]其中“搭積木”由于能夠幫助孩子提高空間想象能力、動手能力、創造力等各項能力，受到了不少家長的追捧。

早期教育要抓，大學教育更是不能放松。力學課程作為工科專業的學科基礎課，是學生今后學習專業課不可或缺的堅實基礎，而力學建模是其精髓。我國著名力學家鄭哲敏院士曾經指出：“20世紀以來，應用力學發展了自己一套行之有效的方法論，就是在捕捉主要影響因素的基礎上，發展了多種有效的解法，或用于求得解析解或用于求數值解。”其中“有效的解法”其關鍵是建立合理的力學模型。[2]因此，要想學好力學課必需要學好力學建模。但由于學生對工程實際并不了解，對工程結構單從教材上的平面圖形上來看無法建立空間形體，而新結構形式的出現，對學生抽象簡化為力學模型的能力提出了更高要求，[3]所以如何教好力學建模，培養出培養具有創新能力的人才，是高等教育面臨的新課題。[4]

1 “搭積木”與力學建模的類比分析

俗語有“一理通，百理明”，知識的學習過程是有相通之處的，如果觀察幼兒學習搭積木的過程，你會發現，毫無基礎的幼兒學習搭積木的過程，與學生們學習力學建模的過程十分相似。幼兒搭積木通常是從“了解”積木開始的，他們會一邊看、一邊抓、甚至是一邊啃，猶如力學建模的教學過程中最初是認識構件和約束。接著幼兒將進入按照圖紙拼搭積木的階段，同時逐步提升案例的難度，直到能夠隨心搭出自己想要的新模型，這一系列的舉動，不正與力學建模教學中介紹完了理論知識，講解例題、做練習，甚至運用所學解決新的實際問題的過程相符嗎！

老話說的好“三歲看到老”，如果繼續觀察幼兒搭積木，就會發現就結果也驚人相似。一部分幼兒完成不了任務，放棄拼搭，一部分幼兒僅能完成簡任務，或只能按圖搭建，無法自行創新，還有一部分幼兒則成了積木高手，還能獨立設計各種造型。同樣的，一部分學生學習力學建模效果不佳，甚至連建模的基本知識都沒有理解便想放棄，一部分學生即使具備較強的理論基礎，也很難解決實際問題，尤其是新問題，就像是沒有圖紙無法拼搭積木的孩子，還有一部分學生不僅出色的完成了各項任務，取得好了成績，還能將所學知識運用到實際工程中，并在今后的運用中發展創新。為何在相同的條件下卻“結”出了不同的果，除了“孩子”本身的智力或者天賦之外，還有什么因素在影響著結果呢？要知道大學生本就是在高考這個“大篩子”之中篩選過的，同一個學校相同專業的學生差距并不會太大，同一起跑線，相同的“指導教練”，但結果卻是很多學校的學生仍會出現成績上的差距，甚至是大差距。

2 教學過程的反思

讓我們回到最初，通過那些內心世界毫無遮掩的幼兒來分析原因，仔細想想，當孩子因為缺乏興趣或者反復拼搭不成功要放棄的時候，家長們是怎么做的，有的家長覺得不喜歡就算了，總能找到孩子喜歡的，于是孩子放棄了不再嘗試；有的家長會強制孩子繼續學習，部分孩子可能因為內心抵觸，學習效果不佳，這部分孩子像極了那些被輔導員“逼到”教室卻又無心學習的學生，而掛科的學生往往也來自于他們當中；還有一部分家長鼓勵孩子，幫助孩子找到正確的方法，取得成功，獲得自信，享受樂趣，同時也幫助孩子在今后的人生中建立了不畏難，不怕苦，敢于解決問題并不斷創新的品質。

3 對策分析

由此可知，在力學建模的教學過程中應注重以下環節，具體而言有：

3.1 關注學生的學習狀態

教師應該是鼓勵學生學習、鼓勵各種創新和嘗試，幫助學生建立學習的信心，培養創新意識，讓學生從心里上消除對學習力學建模的抵觸或者輕視心理，學生只有在不抵觸，以及足夠重視的情況下，才能夠正常的進入學習狀態，這是最重要，也是最難的一步，因為每個學生都是獨立的個體，教學卻不是一對一進行的，要做到這一點，就要求教師對學生有足夠的了解，而在學生人數眾多，教師任務繁重的情況下是很難做到的。因此，小班教學、將教師的工作重心從繁瑣的事務性工作中解放出來，讓跟多的精力投入到教學工作中去，都是十分有必要的。

3.2 遵循循序漸進的原則

任務的難度也是影響結果的重要因素之一，通常任務難度越大時放棄的人也會越多。教師利用圖片，視頻、教具等各種資源幫助學生理解知識、運用知識，通過逐步提高難度，減少學習困難，讓學生不斷挑戰新任務，發現新的樂趣，是解決力學建模教學效果不佳的重要手段，而資源的篩選和講解都是對教師業務水平的考驗。

3.3 突出實際工程背景

隨著數值分析軟件的不斷發展和廣泛應用，力學課程教學的重點不應再強調復雜的計算和推導，而應以解決實際問題為目的，側重于講解針對實際問題的基本方法的應用。所以，力學建模的教學應強調實際工程背景，通過調研收集工程實例，提煉出問題的主要因素，提升學生的知識儲備，以幫助學生明確力學建模概念、掌握力學建模要點。

3.4 采用多樣化授課方式

力學建模的教學，以工程實際問題為對象，因而其教學方式應區別于傳統的理論教學，但也不同與實踐教學，而是一種突出將實際問題抽象成理論問題的能力的教學方式。力學建模的教學應綜合開展理論授課、工程現場參觀、實際操作實驗和數值模擬實驗等教學環節，多方位地培養學生的建模意識和建模能力，使學生真正做到理論緊密聯系實際。同時，教師的教學過程要能吸引學生的注意，激發學生的興趣，讓學生主動學習，主動思考，才能事半功倍。例如目前常用的案例教學和討論式教學法，通過趣味、生動、貼近實際生活的案例吸引學生投入其中，全員參與，提高學生團隊意識，幫助學生找準自身的定位，發揮所長，并且培養學生分析問題、思考問題、不斷創新、解決新問題的能力，這也是素質教育的根本，是力學建模教學最終要達到的目標。

4 結語

在各種教學方法和教學手段的不斷改革，教授回歸課堂，重視本科教學質量的社會背景下，要想得到好的教學效果這個果，離不開教師業務能力的不斷提升，以及良好的職業道德水平。要牢記教育不是老師一個人的舞臺，教學過程是教師與學生相交互的過程，教師一個人是無法完成的。“老吾老以及人之老，幼吾幼以及人之幼”，教師要像關心自己的孩子一樣，幫助學生完成心靈上的成長。教師要不斷提升業務能力，幫助學生完成學業上的進步，將每一個學生都能培育成合格的大學生。這才是學好力學建模真正的方法與目的。

參考文獻：

[1]蘭嵐.早期教育與人的發展研究[D].延安：延安大學，2015.

[2]錢麗娟，張競.工程力學建模能力的多方位培養[J].中國科教創新導刊，2013（28）：153.

[3]付明春.工程力學中的建模必要性分析[J].新課程（下），2013（9）.

[4]張淑云，邱繼生，代慧娟，侯丕吉.建筑工程專業方向創新性人才培養研究與實踐[J].教育教學論壇，2018（48）：111112.

基金項目：武漢華夏理工學院校級教學研究項目（1716）

作者簡介：鄭華升（1981），男，副教授。