知識發現法在電氣類力學課程中的應用

顧 娟，孫慜倩，張中威，岳 蕾，孫麗慧

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

力學是自然學科中最古老的一門學科，也是自然科學中最早精確化的科學。現代自然科學是從力學開始，直到19世紀末，精確的自然科學主要就是力學。近些年來，隨著高等教育“寬口徑”教育模式的實施，各學科融合的趨勢也越來越明顯。電氣大類的學生需要具備一定的力學素養，以適應機器人、智能建筑等新興專業的需求。以我校電氣工程及其自動化專業為例，力學是該專業的技術基礎課程，學生需要在大學二年級完成“理論力學”“材料力學”兩門共計102學時的課程任務。在對該專業學生進行學情調查時，發現大多數學生在學習力學過程中非常容易產生畏難情緒，逐漸失去學習力學的信心與興趣，影響后續專業課程的學習。因此有必要進行力學課程教改，以提高學生學習積極性，確保力學課程能夠滿足電氣類各專業的學生對力學知識的需求。

本文主要探討了在力學教學實踐中采用知識發現法教學，重視知識發生過程，激發學生的學習興趣，做到“知識過程化，課程興趣化”，提高學生的力學素養。

1 內容及教學體系更新的弊端

不少力學教育工作者指出力學教學內容陳舊，繼而提出更改教學內容，形成新的教學體系，適應日新月異的現代科技與人才培養要求。這種形式的教改主要包含以下兩方面：①增加前沿知識，拓展基本內容;②更改現有知識體系。倡導“思維認識跳躍”的原則，避免“過分強調循序漸進、過分強調從特殊到一般、從感性到理性的認識模式”，“拓寬、加深認識梯度”。近幾年力學課程學時不斷壓縮，而如果教學內容又要不斷體現新穎，增加一些新學科知識或新學科知識的基礎，必然會削減基礎力學的經典章節，削弱學生對基礎的重視。新知識的擴充提高了教學內容起點，也進一步提高了教學內容的難度，將本已令學生感到吃力的學科難上加難，打擊學生學習力學課程的信心。況且增加的新知識大多是以力學為基礎衍生出來非基礎性結論，一些結論也尚未經歷時間的檢驗，并不適用于普及性教學內容。

以近現代材料力學教材發展為例，1930年鐵摩新科編寫的教材不僅包含彈性基礎的梁，還包含板殼理論、柱體扭轉、塑性力學、應力集中等專題。而這本《材料力學》教材再版時，將專題部分與基礎部分分離，獨立出版為《高等材料力學》[1]。基礎課內容應該只包含那些對學生以后發展最重要、應用最普遍的內容，并將這些教學內容按相應的教學系統加以整理。

傳統的基礎力學課程體系充分體現了從特殊到一般的邏輯過程和知識的演變順序。不少同行提出的新的教學體系追求“居高臨下”，追求“思維跳躍”，追求“演繹提高”，比如“理論力學”教改，在靜力學部分直接講平面一般力系，動力學篇先講達朗貝爾原理，加強分析力學訓練，再回過頭講矢量動力學[2]；比如“材料力學”部分有人提倡先介紹桿件內力，緊接著就介紹應力狀態與強度理論，第三部分介紹四種基本變形以及剛度計算，第四部分講能量法，最后講解壓桿穩定[3]。更改過后教學體系從一般、普遍再到特殊，拓寬了認知梯度，卻與人從特殊到一般的認知規律相反。這一強調跳躍思維體系與人的認知背道而馳，更改教學體系應該謹慎試行。

2 知識發現法的教改思想與目標

考慮到更改教學內容或教學體系有可能帶來的負面效應，基礎力學教改需要尋找新的教改思路。許多基礎力學在教改實踐中沒有對教學內容做過多改動，而是將許多新的教學理念落實到實際的課堂教學中。然而一方面許多教師對于這些教學模式理解或者把握不到位，課堂教學顯得凌亂，往往達不到預設的教學目的；另一方面基礎力學課程理論性強、教學內容量大，學生難以把握要點等特點，在課堂教學進行教學模式改革實踐容易流于形式，變成了為了改革而改革，降低了教學效率。這樣看來，似乎基礎力學教改陷入了“山窮水盡”的境地。

此時，不如靜下心來，遠離追形式、湊熱鬧、急功近利的教改，把教學改革的焦點回歸到知識本身。知識發生過程教學的理論是建立在皮亞杰、布魯納、贊可夫、達維多夫等人有關理論的基礎上，簡單來說，就是再現知識的來龍去脈，揭示知識的本質、順序與聯系[4]。

知識發生過程教學下的學習是濃縮或簡化人類的認知過程，重演人類豐富多彩的科學活動，讓學生去親歷探究的過程，感受科學的啟迪。知識發生過程教學發掘知識點的根源，避免“無源水”的知識灌輸；揭示知識應用背景，從客觀需求上讓學生理解理論與實際的關系；尊重歷史發展順序、演示知識發生、概念深化、方法更迭的復雜過程，潛移默化中在學生內心深處播下創新的種子。

3 知識發生過程教學的教改實踐

3.1 選擇合適的教材

基礎力學教材，需要精選傳統的經典內容，注重基本概念精確性，實現相關內容的相互貫通、相互融合、相互滲透，提高教學效率；要突出對工程實例的力學分析，突出例題和習題的優化，避免陷于“抽象的概念與理論”的泥潭。當然教材的好壞沒有絕對的標準，選擇教材的標準應該是對讀者對象的適用與否。為減小教材種類選擇失敗的風險，建議選擇最新版國家級規劃教材，那些經過“六五”“七五”“八五”……一直到今天“十二五”仍在不斷完善的優秀教材經久不衰，而一些更改教學內容與知識體系的新編教材受眾很小，往往就是教材作者所在學校在使用。

一些教改中加進了的以力學為基礎派生出的新學科的基本概念和一些初步成果，可以作為參考書奉獻給學生，此外還可以增加一些與力學課程相關的網址供學生查詢，以滿足不同學生對知識的不同渴望。為確保教學效果、提高學生學習的主動性，作者在授課時還給學生配發了與教材相配套的自編教材——導學案。導學案中包含了各章節提要、學習目的、學習要求、習題解答和適用于課堂討論、作業布置的思考題以及相應的參考文獻和拓展資料。

3.2 授課教師需要加強人文修養

教師上課時并不是簡單進行知識傳授，而是和學生一起將知識所包含的情感和智慧展開，使學生獲得的不僅是知識還有感性和智慧。因此力學教師不僅要十分熟悉與教學相關的專業業務，還應力求對專業相關的文化進行深造，要掌握一定的方法論與教育學基本理論，懂得教育規律，懂得學生的認知規律、學習規律，這樣可以更好地把握教學方向，受益終身。

力學教師還應提高自身的文化修養，這是理工科教師經常忽視的方面。雜亂的思維、混沌的語句、不知所謂的講解肯定吸引不了學生的學習熱情，啟迪不了學生的智慧，何況力學課程本來就容易陷入呆板、嚴肅甚至是壓抑的死胡同。此外，授課教師的得體的衣著、生動的語言、飽滿的情緒也能夠感染學生并能夠激發學生創新的原始動力。

3.3 知識發現法教改的課堂實踐

1)實例先行，追根溯源

陶行知先生指出學習“要以自己的經驗做根，以這經驗所發生的知識做枝，然后別人的知識才會變成我們知識的一部分”[5]。這就是說知識并不是孤立存在的，經驗做根的知識既是指已經內化的知識，比如當工程上的機器動反力用動力學普遍定理求解而十分繁瑣時，跳出動力學定理求解的框架，從學生非常熟悉的靜力學平衡方法入手引出“虛加慣性力”的概念，進而延伸至所要掌握的新知識“動靜法”；比如學習“材料力學”時又跳出剛體研究范疇開始研究變形體。遵從知識發生次序，從已知到未知，感知知識發生的常態化形態，進而對某一知識追根溯源，最終把握知識的來龍去脈。

經驗做根的知識又是指與新知識相關的已經感受到的直接經驗為根本，逐漸理解、掌握、吸收原本晦澀難懂的新知識[6]。于是引入與教學內容相關的生活或工程實例，結合課程內容，將之合理地編排到課堂教學中就具有非常重要的意義。實踐表明給學生提供相關知識的真實背景，引導學生將知識與日常經驗聯系起來，不僅有利于學生對知識的理解與記憶，也促進學生正確知識觀的形成。

2)提煉與簡約知識創新歷程

黑格爾提出“邏輯與歷史的一致性”。將歷史與邏輯的辯證關系應用到學科的發生與發展過程，包含兩層含義：一是學科體系同該學科地知識發生歷史一致；二是認知過程同歷史上學科的構筑過程一致[7]。根據這一邏輯辯證法，可以找到培養學生創新能力的一條途徑：重走前人的知識創新之路，揭示知識內涵，培養創新能力。在授課過程中不是簡單地給學生呈現基礎力學結論，而是把知識點看成是創新點，模擬知識產生的背景，和同學們一起發現問題，提出問題，然后去分析、解決問題。授課關注的不僅僅是將知識講懂，而是以基礎知識為切入點，在力學史與方法論的指導下，以向導的身份引領學生探索新知識的發現及創新過程。

不過在授課過程中也要注意，盡管知識發生過程教學要求重新還原知識的形成過程，但并不意味著“完全按照知識發生順序，甚至連走過的彎路與死胡同都不加刪除的教[8]”。鑒于此，知識發生過程教學要按照人的認知規律對知識的創新過程進行“提煉”與“簡約”。“梁的彎曲正應力”這一章節的講授正能說明這一問題。1638年伽利略在《兩門新科學的對話》一書中記載了材料力學史上的第一個木梁彎曲試驗，但并沒有正確得出梁彎曲時橫截面上正應力的計算公式，直到1826年納維在《力學在機械與結構方面的應用》一書中首先正確地給出彎曲正應力的公式。期間這兩百多年的時間里科學家們走了許多創新的彎路。在授課時并不是完全照搬曲折的研究歷程，而是通過實際案例引入提出問題，穿插力學史引導學生根據“幾何、物理、靜力學關系”分析問題，最終找到解決問題的答案。所以理想的教育是以濃縮的時空和某種必然的形式，削平坡度，將知識發生過程剪輯成一條似直非直，通過不懈努力可以最終達到目標的一條相對“捷徑”。

3)有選擇的發現

知識發生過程教學要求學生有所發現，又不主張無論教什么都讓學生去發現，這就要求有選擇。①選擇“最基本、處于人的認知結構中最關鍵部位的節點”。越是基本的東西越能提供創新的基礎。比如俄國工程師儒拉夫斯基提出彎曲切應力公式，公式的發現就是根據最基礎的知識：截面法、微元法、切應力互等定理、靜力平衡。②注重選擇蘊含豐富思想方法的知識點進行教學。比如講授平面任意力系所受的約束力，把物體系統看成相互聯系的各個構件組成，引導學生分析系統與構件、構件與構件之間相互聯系，找出求約束力最簡便的思路，這種分析方法就是從系統的整體觀點出發，采用系統法，分析系統與要素之間、要素與要素之間的相互聯系、相互作用，從而找到處理問題的最優方法[9]。若知識發生過程教學看成是“畫龍”，則提煉出知識所含的思想方法即時“點睛”，是啟迪學生創造力的神來之筆。

4)加強引導作用

課堂教學是學為主，教為導的雙邊活動，既要尊重學生的主觀能動性，也要加強教師的導向作用。在知識發生過程教學中，經驗做根的知識需要教師提示，濃縮了的知識原創過程需要教師引導，學生的學習效率也依賴教師的有效指導。可見知識發生過程需要建立引導原則，在這個過程中，教師對學生在知識探索過程中遇到的困難和出現的問題，要適時、有效地幫助和引導，并通過交流、討論、合作學習等方式加以解決。引導性原則的核心是引人入勝，使學生有身臨其境之感，讓學生體驗探索自然規律的艱辛與喜悅，領略科學家前輩的研究方法、科學思想、科學精神，得其精髓；引導性原則的重點是把握學生的探索方向，調控探索的難度與進程，排遣探索的困難與阻力；引導性原則的目標是讓學生在一條可控道路上高效地探索知識的發生過程，培育學生具有堅持真理、實事求是、勇于創新的科學態度和科學精神。

4 結語

知識發現法教學改革不糾結如何更新教學內容與教學體系，而是將落腳點放在知識與能力上，希冀將知識與能力有效的協調統一起來，始于知識，終于能力。知識發現法教學從看似僵固的知識學習中，重演知識產生與發展的過程，將教學過程轉變成學生的“亞研究”“再創造”過程。相對其他教改而言，知識發現法教改并不是一種大刀闊斧式的改革，沒有華麗的改革外衣，但在實踐過程中逐漸發現，這種改革是一種易落實、務根基、有效果的教改形式，這種教改視角對于其他電氣類專業的基礎課應當也是適用的。