“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)”案例情境教學(xué)法應(yīng)用改革研究

邱燕紅

為了加強(qiáng)建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程的理論與工程實(shí)際的聯(lián)系，突出該學(xué)科的實(shí)用功能，可以運(yùn)用案例情境教學(xué)法，筆者以“靜定平面桁架結(jié)構(gòu)”章節(jié)為例，創(chuàng)設(shè)試驗(yàn)情境、案例情境、問(wèn)題情境，使得案例教學(xué)與情境教學(xué)法相互融合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，分組討論平面桁架結(jié)構(gòu)模型的受力特征并總結(jié)規(guī)律。

一、案例情境教學(xué)法的提出背景

建筑工程專(zhuān)業(yè)是眾多高職院校的重頭專(zhuān)業(yè)，建筑工程的學(xué)習(xí)離不開(kāi)對(duì)“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)”知識(shí)的充分理解和掌握。該課程理論性較強(qiáng)，但是它來(lái)源于實(shí)踐，又指導(dǎo)實(shí)踐。傳統(tǒng)教學(xué)偏重于理論，因此，該課程教學(xué)改革迫在眉睫。力學(xué)與結(jié)構(gòu)作為抽象的理論知識(shí)點(diǎn)，應(yīng)使教學(xué)緊密結(jié)合生活實(shí)際，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從力學(xué)角度去觀察身邊的建筑結(jié)構(gòu)，思考力學(xué)與結(jié)構(gòu)問(wèn)題應(yīng)成為教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)之一。

在《大教學(xué)論》中，捷克教育家夸美紐斯就已提出了案例教學(xué)和情境教學(xué)的思想。為了培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，筆者進(jìn)行了案例情境化教學(xué)改革，使得案例教學(xué)與情境教學(xué)法實(shí)現(xiàn)融合，更好地輔助教學(xué)。幾個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐表明，這種教學(xué)模式能有效提高學(xué)生興趣，明顯比傳統(tǒng)的教學(xué)模式更受學(xué)生歡迎。案例情境教學(xué)法值得工作在一線的高職院校教師進(jìn)一步探索和實(shí)踐。

筆者認(rèn)為，高職高專(zhuān)“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)”案例情境教學(xué)法指在教學(xué)過(guò)程中以案例和情境為載體，圍繞教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)與教學(xué)內(nèi)容相輔相成的情境，以及供學(xué)生學(xué)習(xí)的工程案例，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索，提升學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力。因此，在“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)”課程中，“案例導(dǎo)入—情境模擬”教學(xué)是一個(gè)非常有效的方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

二、案例情境教學(xué)法——?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題、試驗(yàn)、案例情境

建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)的教學(xué)應(yīng)圍繞“案例導(dǎo)入—情境模擬”教學(xué)法開(kāi)展，按照試驗(yàn)—理論講解—實(shí)踐應(yīng)用的認(rèn)知規(guī)律，對(duì)課程教學(xué)模式進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，開(kāi)展模型試驗(yàn)情境模擬、工程實(shí)例情境模擬、問(wèn)題情境模擬等教學(xué)研究。在這個(gè)過(guò)程中，教師作為課程的總設(shè)計(jì)師，預(yù)設(shè)實(shí)際問(wèn)題，營(yíng)造相關(guān)的工程實(shí)例情境，讓學(xué)生面對(duì)問(wèn)題，獨(dú)立思考并進(jìn)行創(chuàng)造性思維，提高創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力，指導(dǎo)學(xué)生歸納、總結(jié)建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)的相關(guān)原理與規(guī)律，加深對(duì)課程所學(xué)知識(shí)的理解，從而實(shí)現(xiàn)融會(huì)貫通。

基于上述考慮，筆者在教學(xué)工作中開(kāi)展了一系列探索與研究。在此，以“靜定平面桁架結(jié)構(gòu)”為例進(jìn)行說(shuō)明?！鞍咐龑?dǎo)入—情境模擬”的出發(fā)點(diǎn)是為了提高學(xué)生對(duì)建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程的興趣。所以，案例情境模擬必須貫穿整個(gè)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，包括課前、課中、課后，教學(xué)方案設(shè)計(jì)必須植根于建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又不能過(guò)于枯燥，應(yīng)讓每一個(gè)學(xué)生參與其中。因此，案例情境模擬教學(xué)的方案設(shè)計(jì)是教學(xué)成功的前提。

（一）創(chuàng)設(shè)“問(wèn)題”情境——實(shí)驗(yàn)視頻、案例導(dǎo)入新課

如何引出新課是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。在正式講授教學(xué)內(nèi)容之前，教師通過(guò)一段與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)視頻、微課視頻或工程案例等情境引入課堂，并據(jù)此提出與教學(xué)有關(guān)的一些問(wèn)題，以引起學(xué)生的好奇與思考。這是激發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)興趣與求知欲的有效方法?！皠?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境”是把有啟發(fā)性和需要解決的問(wèn)題，有意識(shí)地、巧妙地與所要講的知識(shí)相聯(lián)系，在學(xué)生心理上造成一種懸念，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激勵(lì)學(xué)生克服困難去解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的求知欲驅(qū)使下，不斷探索完成解答，形成自身新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

筆者在講授“靜定平面桁架結(jié)構(gòu)”這個(gè)章節(jié)時(shí)，通過(guò)播放一段關(guān)于靜定簡(jiǎn)支桁架結(jié)構(gòu)三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)視頻，激發(fā)學(xué)生的求知欲。視頻結(jié)束，教師提示學(xué)生留意試驗(yàn)現(xiàn)象，在跨中豎向荷載作用下靜定桁架的端柱和下弦桿首先發(fā)生破壞。要求學(xué)生在接下來(lái)的課堂教學(xué)中思考以下問(wèn)題：①為什么靜定桁架簡(jiǎn)支梁與同等跨徑的實(shí)腹梁相比，抗彎承載力更高；②端柱和下弦桿首先破壞的原因。這種與直觀內(nèi)容相聯(lián)系的教學(xué)方式吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)還是一門(mén)很有實(shí)用價(jià)值的課程，從而調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（二）創(chuàng)設(shè)“試驗(yàn)”情境——靜定桁架模型試驗(yàn)

基于“靜定平面桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算”一章，為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，形成樂(lè)于研究、勤于動(dòng)手、善于分析和解決問(wèn)題的積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，筆者提出“桁架橋模型情境模擬試驗(yàn)教學(xué)”方案，此教學(xué)方法同樣適用于建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)中梁、拱等桿系結(jié)構(gòu)受力分析的教學(xué)。工程桁架是由若干直桿在兩端通過(guò)焊接、鉸接、鉚接所構(gòu)成的幾何形狀不變的工程承載結(jié)構(gòu)?！办o定簡(jiǎn)支桁架橋”則是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)支橋梁。

圖1簡(jiǎn)支桁架橋模型實(shí)例圖

1.試驗(yàn)情境模擬教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

試驗(yàn)情境模擬教學(xué)方案以“桁架橋梁模型制作比賽”形式開(kāi)展，要求學(xué)生分組進(jìn)行，5人一組，自主設(shè)計(jì)制作紙桁架橋模型、竹桁架橋模型或木桁架橋模型，制作模型的難點(diǎn)在于構(gòu)件之間的連接?！拌旒軜蚰Ｐ汀钡牟牧峡梢詾橹窈?、泡沫板、紙皮、紙張、線繩、白乳膠、502膠水等?？紤]到競(jìng)爭(zhēng)的平等，比賽規(guī)則規(guī)定了桁架桿件的基本材料是學(xué)生隨手可得的竹簽或方便筷，橋面板采用紙張，節(jié)點(diǎn)板采用泡沫板或者紙皮。為便于后期靜載試驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)合理設(shè)計(jì)“桁架橋模型”尺寸大小，必須保證橋面跨度在30cm～50cm。

要求學(xué)生課前完成模型制作，在課堂上對(duì)簡(jiǎn)支桁架橋模型進(jìn)行豎向靜載逐級(jí)加載試驗(yàn)，以20本建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)教材（總重量約20kg）作為靜載，每次加載2本建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)教材（約2kg），均勻緩慢地加載到學(xué)生的桁架橋模型上，查看模型的受力狀態(tài)和變形情況，并與課堂前三分鐘播放的靜定桁架模型抗彎試驗(yàn)破壞現(xiàn)象做對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，積極思考，總結(jié)模型破壞特征，分析模型破壞原因，利用本節(jié)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)提出合理的模型優(yōu)化方案。

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與模型的制作，筆者在桁架橋情境模擬試驗(yàn)中引入競(jìng)爭(zhēng)、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。最后按照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)評(píng)豎向靜載和水平荷載的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)每個(gè)小組必須遞交一份制作說(shuō)明書(shū)（注明小組作品的名稱(chēng)、使用材料、設(shè)計(jì)理念、作品的受力性能及其受力簡(jiǎn)圖、作品的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)等），評(píng)選出優(yōu)秀獎(jiǎng)項(xiàng)，獲獎(jiǎng)小組成員的平時(shí)成績(jī)可加分。

2.試驗(yàn)情境模擬測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)——體現(xiàn)科學(xué)性、先進(jìn)性、安全性、實(shí)用性、美觀性

（1）簡(jiǎn)支桁架橋模型情境模擬試驗(yàn)測(cè)評(píng)的主要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)安全性。

①結(jié)構(gòu)的整體安全性：幾何構(gòu)成、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的斷裂、橋體的搖晃等。

②構(gòu)件（二力桿）的安全性指標(biāo)：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性；強(qiáng)度破壞表現(xiàn)為桿件的拉斷、壓壞；剛度破壞表現(xiàn)為橋面的豎向撓度變形過(guò)大；局部穩(wěn)定性體現(xiàn)為桿件的壓屈失穩(wěn)。

上述安全測(cè)評(píng)指標(biāo)，實(shí)質(zhì)就是高職建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程的核心內(nèi)容。因此在下達(dá)模型制作任務(wù)前，教師務(wù)必要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)安全的重要性。作為建筑工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，保證結(jié)構(gòu)的安全性，是做好試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖滓獥l件。

（2）結(jié)構(gòu)美觀。

在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，動(dòng)員學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維，賦予橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼉?yōu)美的外觀造型。

3.教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)、師生互動(dòng)

（1）課前準(zhǔn)備：為了有效實(shí)施“試驗(yàn)情境模擬教學(xué)法”，教師應(yīng)提前做好教學(xué)準(zhǔn)備。

（2）課前、課中輔導(dǎo)：針對(duì)課前模型制作過(guò)程中學(xué)生提出的問(wèn)題，給予及時(shí)的幫助與指導(dǎo)；在課堂情境模擬教學(xué)中與學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生思考模型試驗(yàn)破壞的特征與原因；同時(shí)在課堂教學(xué)中融入“二力桿、強(qiáng)度、剛度、側(cè)向失穩(wěn)、整體穩(wěn)定性以及局部穩(wěn)定性”等基本概念，為枯燥的術(shù)語(yǔ)賦予生動(dòng)的說(shuō)明；結(jié)合學(xué)生自行制作的桁架模型，能更形象生動(dòng)地介紹桁架結(jié)構(gòu)特殊節(jié)點(diǎn)的識(shí)別方法及其受力特征，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒。

（3）教師點(diǎn)評(píng)：教師適時(shí)對(duì)學(xué)生的作品和發(fā)言進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并針對(duì)試驗(yàn)情境模擬結(jié)果，做出合理的歸納，總結(jié)出其規(guī)律、特點(diǎn)。

（三）創(chuàng)設(shè)“案例”情境——以實(shí)踐性問(wèn)題擴(kuò)展情境

以典型的工程案例為依托，設(shè)計(jì)一些貼合課堂教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的案例，并向?qū)W生下達(dá)任務(wù)，可以督促學(xué)生積極分析和思考真實(shí)學(xué)習(xí)任務(wù)，在教師的啟發(fā)指導(dǎo)下，以小組討論的方式，各小組提出解決方案。創(chuàng)設(shè)“工程實(shí)例”情境教學(xué)法，能有效培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

例如講授“工程桁架”如何簡(jiǎn)化為“建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)平面理想桁架模型”及其內(nèi)力分析時(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)學(xué)習(xí)案例“觀察圖片中廠房屋頂多邊形桁架結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生對(duì)它進(jìn)行力學(xué)分析：畫(huà)出理想桁架的計(jì)算簡(jiǎn)圖，找出結(jié)構(gòu)中的特殊節(jié)點(diǎn)，判斷拉壓桿，判斷零桿，畫(huà)出上弦桿、下弦桿、腹桿、立柱的內(nèi)力圖等”。以小組討論的形式，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)案例的分析，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、討論、分析，直至得到一個(gè)合理、準(zhǔn)確的結(jié)論。通過(guò)創(chuàng)設(shè)“案例”情境，讓學(xué)生體會(huì)到運(yùn)用書(shū)本所學(xué)的理論知識(shí)解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的樂(lè)趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性以及理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。

圖2廠房多邊形桁架屋頂結(jié)構(gòu)

三、結(jié)論

在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師需要結(jié)合不同教材，根據(jù)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，將情境模擬與案例教學(xué)法有機(jī)地糅合在一起，去精心設(shè)計(jì)問(wèn)題情境、案例情境、試驗(yàn)情境，合理運(yùn)用案例，能有效提高教學(xué)效果。

實(shí)踐證明，在教學(xué)中引入“案例情境教學(xué)”可以收到化難為易，化抽象為具體，化枯燥為有趣的效果，為學(xué)生開(kāi)啟了建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)的探討之門(mén)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并以此培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、興趣是教學(xué)過(guò)程的核心。今后的教學(xué)改革研究中，運(yùn)用信息化技術(shù)加強(qiáng)案例情境教學(xué)法在建筑工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用是非常必要的。

[基金項(xiàng)目：廣東省高等教育學(xué)會(huì)高等教育科學(xué)研究十三五規(guī)劃課題“高職《建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革——培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力”（16GYB095）。]

參考文獻(xiàn)：

[1] 柳海民.教育學(xué)概論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2015.

[2] 劉曉敏.建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3] 李丙申.建筑力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

責(zé)任編輯陳春陽(yáng)