PBL教學模式的實驗力學課程教學方法探索

耿小亮， 趙 彬， 王佩艷， 高宗戰

（西北工業大學力學與土木建筑學院，西安710129）

0 引 言

實驗力學是工程力學專業本科生的專業核心課程之一。內容主要包括應力、應變、變形、損傷等力學參數的測量及實驗結果的分析。通過本課程的學習，旨在培養學生的綜合實驗能力和深化對力學相關理論的理解，培養學生具有制訂實驗方案、探索測試方法以及正確處理和深入分析實驗結果的能力，為學生打下用實驗手段解決力學和工程實際問題的基礎［1］。尤為重要的是：實驗力學課程還對學生認識并遵從“理論與實踐的辯證關系”進而建立起科學的研究方法和有效的研究路線起到重要作用。實驗力學課程的內容涉及力學、數學、電學、光學、計算機圖形學等學科的相關知識，是一門綜合性非常強的課程。同時，課程的研究對象為工程結構或機械零部件的應力、應變、位移或其他力學物理量的測試方法，具有很強的工程背景和實踐性。另外，這門課程還為學生進入研究生階段所必須具備的科研經驗及能力提供初步訓練，因此課程中包含較多綜合性課題、前沿實驗技術。實驗過程知識覆蓋面廣，倡導學生保持思維開放性和工作的深入系統性?；诖?，與其將本課程中的內容視為一個個驗證性的實驗（experimental verification of theory），不如視其為一個個項目（open ended project）。這不僅是一個名詞的變化，更能客觀反映本課程的教學目的，有利于課程參與者建立正確的認識。

目前在實驗力學課程教學中面臨的主要問題有：①師生對本課程教學目的認知不準確，將其視為基本力學實驗的內容簡單擴充；②課程內容豐富，顯示出學生的知識儲備相對不足，綜合運用多學科知識認識及解決實際問題的能力偏低；③經典的實驗教學模式（教師理論講述加示范，即國外所謂的chalk and talk，學生按照既有的實驗流程進行測試及按照模板書寫實驗報告）已無法有效地達到課程要求，適合本課程的教學模式尚未建立。

基于此，實驗力學課程必須探索如何建立科學有效的教學模式才能實現教學目的，激發學生的學習熱情和攻堅克難的科研勇氣，以較短課時條件下達到較好的學習效果。為此，本文通過分析國內外相關課題的研究現狀，探索將基于問題式學習（Problem-Based Learning，PBL）的教學模式引入到實驗力學課程的教學環節。

1 PBL教學模式概述

PBL教學法來源于一種學習理論，該理論鼓勵學習者重構從現實情境中獲取的已知信息，然后獲得新知識，并通過和小組成員的討論以闡明新知識。Anderson［2］提出給該理論命名為信息處理的學習方法。Thomas［3］提出PBL方法在學習動機、推理能力、知識結構和自學能力4方面對學生有很強的促進作用。

PBL教學模式多應用于醫學教育，是通過向學生提供真實病例，以學生為中心、以問題為教材、以小組為單位、以討論引導學習過程，后來被廣泛地應用到包括社會統計學、工程學、計算機基礎教學、生態學、體育教育理論課等教學改革中［4-7］。Kilroy［8］在其發表的著名的綜述文章中對PBL的看法是這種教學方法通過提供了具有高度激勵的環境，強化學習過程，其優點主要是能顯著增強學習者個人學習、合作協同能力，而且能增強其自信心。Bell［9］則熱情地推薦了PBL，他認為在21世紀，PBL教學方法將使學生成為技術交流專家和問題的解決者，對學生培養非常有利。當然，針對PBL教學方法有效性的爭論也很多，主要集中與PBL教學是否過于浪費時間，需要很好的教學實踐和信息搜集條件，也可能在一些專業領域并不適用。Albanese等［10-11］認為PBL方法存在的不足有：學生的認知處理過程較弱，對教學資源利用很高，成本較高。Colliver［12］也認為沒有明顯證據證明PBL強化了知識獲取和學生實際表現。

國內高等教育中使用PBL方法也開展了不少嘗試，并討論比較了PBL教學模式與傳統模式的差異與發展方向。劉楊［13］針對醫學課程中的PBL應用存在的問題和解決方法進行了研究，對問題設計、教師引導、學生參與及考核等方面提出了建議和解決方案。朱毅然［14］在體育教育中嘗試了PBL方法以提高學生學習興趣。王迎超等［15］針對土木工程本科生專業主干課教育即“巖石力學”課程的特點，將PBL教學模式引入大學專業課教育，并對其教學效果進行了對比分析。另外，在物理學、工學、數學等課程方面，也都進行了教學嘗試，總體上顯示正面積極的效果，充分說明PBL教學方法是一種在各類學科中均可探索嘗試的教學方法，改變了學生長期被動接受知識的學習方式，提高學生發現問題和解決問題的能力。

本科基礎力學實驗，主要內容是針對材料力學和理論力學的課程，其目的是驗證理論、培養學生獨立實驗操作能力。與之不同，實驗力學課程則更重視培養學生對在完成科研項目時必需的協作攻關能力。PBL教學正是強調以小組合作的形式進行研究探索，針對提出的問題，學生之間可以分組進行討論，暢所欲言，提出自己的觀點和看法，學生與教師及小組成員相互合作，形成“研究共同體”。小組各成員都能充分發揮個人的智力水平，促進了團隊成員之間的協作，實現了團隊成員的優勢互補，從而培養了學生的團隊協作能力以及溝通交流、組織、表達等綜合素質。

2 PBL教學模式在實驗力學課程教學中的實踐

2.1 基于PBL教學模式的教學流程

PBL教學流程是教學實施的指導線，是PBL的重點研究內容。目前常用的教學流程有3種：Barrows模型、五步教學流程和七步教學流程［16-17］，依據實驗力學的課程特點對文獻［16］中提出的五步教學流程進行了改進，其模型見圖1。

圖1 改進后的PBL五步教學流程模型圖

改進后的PBL五步教學流程，增加了“解決問題”的環節，也就是實驗的環節，而將“成果展示”和“評價反饋”整合在一起。該流程中，“提出問題”即確定實驗項目需解決的問題；“分析問題”即小組內討論問題、人員分工和計劃；“確定方案”即需要學生在教師指導下，組織已有的知識，自己查找并研讀所學知識，制定實驗方案；“解決問題”是學生在教師指導下完成實驗過程。

2.2 在實驗力學課程中的實施

以典型桁架結構靜態載荷下的測試及理論模型建立實驗為例。該實驗提供學生可自行組裝搭建的空間桁架式結構，各桿端部均有安裝孔，提供桁架間的安裝角片和連接螺栓，學生可按照自己的結構構想設計，將這些桿進行合理組裝，搭建起不同空間的桁架形式。如圖2所示，加載點可在底座上自由調整位置。

圖2 空間桁架式結構

2.2.1 教學目的

①使學生懂得如何將工程桁架結構進行理論簡化，求出其理論解并指導試驗方案設計；②掌握多點靜態應變測量技術；③學會用電阻應變法確定危險截面或指定截面的應力；④培養討論、匯報和交流能力。

2.2.2 實驗儀器、裝置

桁架結構實驗裝置，應變片，靜態電阻應變儀，其他工具。

2.2.3 PBL教學流程的安排

（1）組織分組并確定所需研究的問題。PBL教學模式第1步，教師指導學生分組，可自由組合或按某一規則組合，本實驗每小組的人數3或4人較為適宜。指導小組成員適當分工，有設計、測試、計算、報告等，以便具體工作有人負責，形成科研工作的合作意識，利于培養學生責任感。由本課程PBL教學法實施過程獲得的經驗來看，小組分工是一項極為重要的工作。鑒于學生知識背景、能力、性格等差異，部分學生參與的主動性不足，如果沒有明確分工，這些同學將會游離在活動之外，不僅自身不能獲益，而且會影響團隊其他成員的積極性。

在教學中可發現，多數學生具有解題能力，但缺乏提出問題的能力。因此在此階段，在教師指導下，幫助學生確定要研究的問題是非常必要的?？赏ㄟ^“頭腦風暴”的方法，對面臨的項目進行探討，比如從應用背景開始，或者從教材中相關理論開始，深入討論，列出一系列可能的問題，再進行選擇，解決其中1個或幾個。在該實驗中，由于研究對象是多桿連接的桁架結構，結合教材理論重點，可提出如①桁架結構中各桿的內力分布特征；②桁架結構中各桿兩端的約束條件造成的影響；③不同桁架形式承載能力差異；④加載點位置對結構受力的影響分析等一系列問題。

（2）分析問題、形成要點、制定計劃、小組分工。

小組成員首先根據已經選擇的問題進行分析，形成輸入（理論解）和輸出（測試結果及處理）條件，確定影響實驗過程及結果的重要因素。然后制定實驗計劃，依據實驗任務，小組成員分工完成不同的工作內容，如A完成理論分析、B制定貼片方案、某人負責實驗操作、某人負責實驗數據和報告的編寫等。在任務分工的基礎上，成員之間再相互溝通來完成項目。

（3）查閱資料、收集信息、形成實驗方案。在各小組成員的積極努力下，各司其職，充分利用圖書館、網絡等各種資源，在廣泛查閱大量資料、小組成員充分溝通的基礎上形成實驗方案。此階段的工作依據學生的層次和程度的不同可以有不同的選擇，有的實驗利用材料力學、結構力學的知識即可獲得理論解，比較容易確定位置和貼片方式；而有的實驗，學生是無法利用現有知識獲得理論解的，在這種情況下教師可推薦學生學習ABAQUS等有限元軟件或Matlab等工具來獲得實驗的分析解，從而幫助確定實驗方案。

（4）進行實驗。依據實驗方案進行實驗，前期雖然進行了大量的準備工作、形成了完備的實驗方案，但在此階段依然會暴露很多問題：設備的使用、貼片的問題、裝置的調整、對于缺乏經驗的人來講存在一系列不可預知的問題，都會對試驗結果造成一定的誤差，這一階段尤其需要教師的指導和組員之間的溝通。實驗進行可不必強調時間，按開放實驗的模式操作，學生采取分時段預約的方式來進行以獲得最好的實驗結果和最大的收獲。

（5）成果展示、評價反饋。PBL的最后一個階段是各小組之間的成果展示、相互學習、相互評價、總結經驗和教訓。在此階段學生可以通過制作PPT，采用分組匯報、教師學生質疑、教師評價等方式對學生的整個實驗過程給出一個公正的評價，作為考核的依據。由于時間和精力有限，通過該環節學生可以對自己未做的實驗也能有一個完整、充分的認識，起到舉一反三的作用。

2.3 實施效果

（1）掌握了多學科的相關知識。在PBL教學的第2階段需要學生廣泛查閱大量資料、掌握相關的軟件和工具，在此基礎上給出實驗的理論解或分析解并由此確定實驗方案。這一階段的工作需要花費大量的時間和精力，但學生可以彌補了前期知識儲備的不足且拓展了知識面。

（2）提高了動手能力和分析問題、解決問題的能力。經過PBL教學模式的訓練，學生的各方面能力都會得到提高。傳統的實驗課教學模式以教師講解理論及實驗操作方法，學生按照教師講解的操作步驟一步一步地操作、記錄實驗數據，實驗課結束；課后學生抄寫書上的實驗原理，簡單的處理實驗數據，上交實驗報告，整個實驗結束［18］。采用PBL教學，所有的實驗環節都需要學生自己去解決，在實驗過程中也會遇到各種各樣的問題，每一個問題的解決都會給學生有所收獲和提高。

（3）培養了團隊協作意識。大學教育是培養社會所需要的人并促進個人能力的全面發展，能否培養出既有獨立工作能力，又善于與人合作，具有團隊合作精神的人才，是衡量大學教育成功與否的標志之一。培養學生團隊合作精神體現在多個教育、教學環節。PBL教學運用學生分組合作方式對培養學生的團隊合作意識具有重要的作用，它對提高學生集體榮譽感，張揚個性、表現特長，團結協作共同完成學習任務起到積極的作用。

（4）滿足了多層次人才培養的需求。PBL教學模式可滿足多層次人才培養的需求，從任務的制定即可體現。在PBL教學流程的第1階段，教師可以和學生溝通，根據學生的基礎和要求制定相應的任務需求。針對能力強、基礎好的學生可以推薦相關的課程和軟件進行學習，而針對基礎差的學生，則要求其能達到課程的基本要求并掌握相關的技能。不同任務的確定滿足了不同層次學生的需求，能夠全面提升學生的綜合素質與解決實際問題的能力。

3 結 語

PBL教學在實驗力學課程實施中對教師提出了更高的要求，要求教師應該具有先進的教學理念、較高的職業素質、扎實廣博的學科知識以及駕馭教學的能力。要求學生應具有自主學習的能力、勇于創新的能力、查閱文獻的能力以及交流協作的能力，以期在最大程度上發揮PBL教學模式的優勢。在硬件設備的投入方面，應加大投入力度，實驗裝置的制作應具有一定的工程應用背景，測試設備應具有一定的先進性，使學生能夠開闊視野，學以致用、緊密結合實際。

實踐表明，PBL的實施改變了學生長期被動接受知識的學習方式，顯著提高了學生發現問題、解決問題的能力，使學生在早期就能夠學會綜合運用基礎知識解決實際問題，很好地實現了基礎學科與專業學科之間知識的融合，顯著提高了學生相互協作達到科研目標的能力，為其將來從事科學研究打下了良好的基礎［13］。

實驗力學課程的特點，尤其是實驗環節的特點就是帶有一定的不確定性、不可預知性，會出現各種問題。實踐表明，基于問題的學習，能達到融會貫通、舉一反三的目的。基于PBL的問題教學法教會了學生“提煉問題、分析問題、解決問題”的能力。教與學的過程中，讓學生在發現與解決問題中掌握多學科的相關知識，提高其綜合素質以及創新的能力，培養其團隊協作精神、溝通技能，為學生后續深造或工作打下堅實的基礎。