應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)力學(xué)知識體系改造★

姜銘閱 董艷英 宋志斌

(河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)力學(xué)教育的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生將力學(xué)用于實際工程的實踐能力，而項目式教學(xué)法是目前國際工程教育領(lǐng)域較為流行的教學(xué)方法，能夠有效地提高學(xué)生的工程實踐應(yīng)用能力，因此項目式教學(xué)非常適用于應(yīng)用型大學(xué)的土木工程專業(yè)力學(xué)教育。但目前項目式教學(xué)法在我國卻難以大規(guī)模施行，下面就土木工程專業(yè)力學(xué)教學(xué)中項目式教學(xué)所遇到問題的深層原因做具體討論，并提出解決辦法。

1 我國施行項目式教學(xué)法的主要瓶頸在于知識體系的不適應(yīng)性

1.1 項目式教學(xué)法的概念

項目式教學(xué)法是目前國際工程教學(xué)領(lǐng)域比較先進的教學(xué)方法，這種方法主張由學(xué)生獨立或結(jié)組完成一個來源于實際的工程項目，教師主要負(fù)責(zé)觀察和引導(dǎo)。項目式教學(xué)法強調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主動性，遇到問題自己尋找資料，自由探索解決辦法，并自行構(gòu)建知識體系，教師在教學(xué)過程中主要起輔助作用。

德國聯(lián)邦職教所2003年就實行了以行動為導(dǎo)向的項目式教學(xué)模式，由教師按照聯(lián)邦職教所和手工業(yè)、工商業(yè)行會聯(lián)合頒布施行的教學(xué)計劃，仿造實際工程項目制定項目合同，按小組方式，讓學(xué)生從教師、互聯(lián)網(wǎng)、業(yè)內(nèi)人士等各種可能接觸的信息源中搜集信息、整理信息，并自行制定計劃、實施計劃、對過程進行監(jiān)測、評價和總結(jié)。教師在這個過程中，主要任務(wù)是根據(jù)學(xué)生實際面對的問題，進行相應(yīng)專業(yè)知識的講授，以夠用為原則，避免大而全的知識灌輸方式，并對學(xué)生階段性成果進行評價和建議。

1.2 應(yīng)用型大學(xué)本科階段土木工程專業(yè)力學(xué)教育中實行項目式教學(xué)的瓶頸

應(yīng)用型大學(xué)以培養(yǎng)注重實踐的應(yīng)用型人才為主，具體到土木工程專業(yè)力學(xué)教育領(lǐng)域，則應(yīng)將力學(xué)嵌入到土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體項目中進行。采用項目式教學(xué)，才能知行合一，提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力。如果土木工程專業(yè)力學(xué)教育脫離實際工程應(yīng)用背景，這種力學(xué)教學(xué)將成為無根之萍。

但在踐行土木工程專業(yè)力學(xué)項目式教學(xué)方法的過程中，卻發(fā)現(xiàn)了很多問題，導(dǎo)致項目式教學(xué)難以順利實施。除去硬件及師資等可短期解決的問題外，深層原因在于高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系的不適應(yīng)性。

項目式教學(xué)主張學(xué)生自主探索，過程比較靈活，可能會涉及多重知識分支，不拘泥于固定流程。教師在項目式教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)主要困難在于我國傳統(tǒng)知識體系的知識點聯(lián)系不明確，學(xué)生搜集、整理知識體系的工作量過大，最后在限時完成的壓力下，很容易演變成照抄案例。

具體而言，一般學(xué)生拿到項目任務(wù)要求后，都是從模仿某個案例開始，遇到新問題或新需求則獨立探索可行路徑。但應(yīng)用型大學(xué)一般是普通本科高校轉(zhuǎn)型而來，其知識體系是按照傳統(tǒng)科目進行組織的，所以學(xué)生首先需要猜測問題可能屬于的科目章節(jié)，然后到該章節(jié)中進行查找。另外即使找到知識點，但該知識點常常會牽扯到其他知識點，比如在實際項目中常常涉及到大規(guī)模試算，就需要學(xué)生跳出力學(xué)領(lǐng)域，查找程序設(shè)計相關(guān)的知識點。這種循環(huán)往復(fù)的搜索工作，對本科學(xué)生來說有時是極為困難和繁瑣的。如果僅有一兩個實踐項目需要這么做，還不失為一種很好的訓(xùn)練，但在頻繁使用項目式教學(xué)法且時間有限的情況下，會帶給學(xué)生一種挫敗感，最后導(dǎo)致學(xué)生不愿進行新的嘗試，而是照抄原案例。究其原因，在于應(yīng)用型大學(xué)仍然沿襲傳統(tǒng)教學(xué)的知識體系組織方式，知識點之間關(guān)系不明確，理論知識過多，實踐類知識較少，知識點過于離散，缺乏一種真正適用于項目式教學(xué)的知識體系，學(xué)生容易陷入文獻(xiàn)搜索這種低效勞動的泥沼，最終無奈放棄而照抄原型案例，導(dǎo)致項目式教學(xué)半途而廢。

2 應(yīng)用型大學(xué)土木工程力學(xué)項目式教學(xué)所要求的知識體系與傳統(tǒng)知識體系之間的差異性

土木工程專業(yè)力學(xué)教育中項目式教學(xué)法所要求的知識體系和傳統(tǒng)教學(xué)法的知識體系有著巨大的差別。

2.1 “窄而深”和“寬而淺”的差別

項目式教學(xué)每次主要是針對某種專項工程，因此往往具有單核心的特點，幾乎所有的知識信息都是圍繞某個具體項目深挖細(xì)掘，呈現(xiàn)出“窄而深”的特點。

高校傳統(tǒng)的力學(xué)教學(xué)，授課時講究面面俱到，是多核心的；而且實踐項目的匱乏和高校理論知識相對企業(yè)生產(chǎn)實踐的滯后，又使得高校傳統(tǒng)教學(xué)中大多數(shù)知識點淺嘗輒止，不符合工程實踐的要求。學(xué)生的實踐能力有待于進入企業(yè)后在實際工作中加強，甚至需要進行再培訓(xùn)才能適應(yīng)實際生產(chǎn)項目要求，所以高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系體現(xiàn)得更多的是一種模塊化，而不是專業(yè)化，呈現(xiàn)出“寬而淺”的特點。

2.2 “有邊界”和“無邊界”的差別

項目式教學(xué)的邊界較為清晰，項目所提供的生產(chǎn)條件，使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，以及所達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)都是明確的；使用的生產(chǎn)技術(shù)基于具體生產(chǎn)條件，較為單一，注重當(dāng)前的可行性，不需要將現(xiàn)有各種生產(chǎn)技術(shù)進行比較之后做最優(yōu)選擇。

高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系的邊界是不清晰的。因為高校的知識組織邏輯，除了就業(yè)外，還有知識本身的自組織邏輯的要求，需要解釋大量技術(shù)方法背后的歷史由來、原理、與其他技術(shù)手段的差別。這是一種高屋建瓴的俯視角度，希望盡可能囊括相關(guān)知識，體現(xiàn)出知識的嚴(yán)密性和全面性，因此高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系的邊界是外延的，模糊不清的。

2.3 “重可行性”和“重原理”的差別

項目式教學(xué)傾向于實踐，可行性是最重要的，有些看似武斷的安排，是為了生產(chǎn)流程的更加順暢，避免歧義性的干擾。

高校傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)過程中學(xué)生面對的不是非常具體的生產(chǎn)環(huán)境，而是具有假想性的多種生產(chǎn)環(huán)境。這種情況下，高校傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)知識體系更加強調(diào)背后的原理，以便學(xué)生能夠適應(yīng)不同的生產(chǎn)環(huán)境。

2.4 “短閉環(huán)”和“長閉環(huán)”的差別

項目式教學(xué)中，實踐和理論之間的閉環(huán)較短。項目式教學(xué)以一個個短期實踐項目為主線，每個短期項目都能實現(xiàn)理論和實踐之間的閉環(huán)。項目實踐出現(xiàn)問題，很快就能得到反饋，并找到知識體系上的相應(yīng)錯誤，迅速修正，進而指導(dǎo)新的實踐。

高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系中，前期進行大量的鋪墊性講解，然后隔了好幾個學(xué)期才在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)中做一個固定流程的涉及整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的簡單案例，實踐和理論知識之間的閉環(huán)較長。

2.5 “高內(nèi)聚”和“高離散”的差別

項目式教學(xué)的知識環(huán)節(jié)之間是環(huán)環(huán)相扣的，是在一個共同的具體目標(biāo)下組織起來的，無用的知識會在流程的運轉(zhuǎn)過程中被弱化并逐漸淘汰，只有有用的知識才能被留存下來，知識點之間關(guān)系牢靠明確，具有高度的內(nèi)聚性。

高校傳統(tǒng)力學(xué)知識體系離散性非常高。高校傳統(tǒng)教學(xué)方法的學(xué)習(xí)次序首先是基礎(chǔ)課，然后是專業(yè)基礎(chǔ)課，最后是專業(yè)課。看起來邏輯清晰、基礎(chǔ)牢固、逐層遞進，但在實際工作中，大量的原理性、推導(dǎo)性知識都被工具軟、硬件屏蔽起來了，除非做科研或二次開發(fā)，一般來說普通工作人員只要會使用軟件及硬件，并不需要深刻掌握其背后的原理，前后課程的理論邏輯關(guān)聯(lián)并不那么重要，整個知識體系前后嚴(yán)密的邏輯聯(lián)系被弱化了。

因此，很多畢業(yè)生告誡學(xué)弟學(xué)妹的學(xué)習(xí)經(jīng)驗就是哪些課程將來用不上，及格就行；哪些課程將來是安身立命之本，要認(rèn)真學(xué)。這種知識邏輯關(guān)聯(lián)的弱化不僅體現(xiàn)在學(xué)生對學(xué)業(yè)的要求上，也體現(xiàn)在教師的課程內(nèi)容組織上，很多教師授課只從本課程的角度出發(fā)，對前期和后續(xù)專業(yè)課的滲透很少顧及。

綜上，高校土木工程專業(yè)傳統(tǒng)力學(xué)知識體系和項目式教學(xué)知識體系之間存在巨大差異，需要根據(jù)差異性對傳統(tǒng)知識體系進行改革，方能適應(yīng)項目式教學(xué)的要求。

3 依據(jù)項目式教學(xué)要求重塑應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)力學(xué)知識體系

3.1 以知識點為基本單元

首先要確定的是進行知識組織的基本單元。如果按照傳統(tǒng)力學(xué)知識組織方式采用章節(jié)作為知識體系的基本單元，粒級過粗。以往的教學(xué)實踐也證明，章節(jié)內(nèi)部必須分出專題，并指明各專題的邏輯聯(lián)系，學(xué)生才能深入理解；而且學(xué)生在應(yīng)用力學(xué)知識的時候，也不是以章節(jié)為單位回憶的，而是采用具象性的聯(lián)想回憶方式。因此，采用知識點作為力學(xué)知識組織的基本單元較為合適。

3.2 知識點采用具象性的表達(dá)方式

知識點的表達(dá)方式目前常見思路是采用人工智能的自然語言處理的語義網(wǎng)絡(luò)方法，但該方法目前還難以應(yīng)用于實踐。語義網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜知識體系的表達(dá)中會造成語義的組合爆炸，不具備可行性。另外語義網(wǎng)絡(luò)事實上是人腦中某種全息信息加工的結(jié)果，是為了配合計算機功能限制的一種表達(dá)方式，人腦更擅長模糊化聯(lián)想，對人腦而言往往全息信息本身更加高效。比如一張圖，用語言清楚的描述可能需要幾百字，而記憶圖片本身比記憶幾百個文字要容易得多，應(yīng)用上也更加靈活，所以知識點采用具象性的表達(dá)方式進行比較合適。

如果為了嚴(yán)密性和完整性必須給出抽象的定義和定理，就要以具象性的例子作為引子，引導(dǎo)學(xué)生建立抽象語言描述，也就是說抽象必須以具象為基礎(chǔ)。經(jīng)驗上看，一般5 min～10 min能夠講透的具象性內(nèi)容，可以作為一個知識點，時長再多學(xué)生就容易注意力渙散。

3.3 要建立公共知識體系網(wǎng)絡(luò)平臺

傳統(tǒng)的知識組織是紙媒的，將科目分門別類羅列出來，各自為政。即使進入網(wǎng)絡(luò)信息時代，網(wǎng)絡(luò)上的知識體系仍然是紙媒的照搬，各課程科目仍然是彼此分離的，沒有各個知識實體之間的有機連接。

因此有必要以知識點為基礎(chǔ)重新建立公共專業(yè)知識網(wǎng)絡(luò)平臺，把力學(xué)知識點攤開、平面化，使得知識點之間的鏈接更加方便，讓各科目教師和學(xué)生能夠面對同一個力學(xué)知識點實體進行操作，在不同的項目任務(wù)之間反復(fù)迭代，使知識點互相連接并流動起來。

有了以知識點為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)平臺，才可能進行后續(xù)的各種操作，進而實現(xiàn)項目式教學(xué)知識體系的再組織，這是至關(guān)重要的一步。

3.4 打造項目式教學(xué)知識體系的垂直連接

項目式教學(xué)方法中教師必須首先做一些前期工作，要按照項目任務(wù)要求對知識點進行垂直方向跨科目的適當(dāng)再組織，使知識點有多重歸屬，這樣才能便于學(xué)生短時間內(nèi)在頭腦中形成網(wǎng)狀知識地圖，更方便快捷地進行項目式教學(xué)。

3.5 利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)項目式教學(xué)的情景化

項目式教學(xué)的情景化非常重要，真實情境的背景能夠帶給學(xué)生一些潛移默化的情緒上的動力，比如扮演設(shè)計院的具體項目設(shè)計人員，對一個結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖，指出其中存在的問題，并伴隨虛擬獎勵和懲罰，比如升職或開除。這和學(xué)生的未來擇業(yè)息息相關(guān)，學(xué)生很容易代入情境。

在現(xiàn)實教學(xué)中，因為課時有限、資源有限，這種模擬很難做到，但在網(wǎng)上，這種情景化是可以做到的。

3.6 采用短閉環(huán)搭建知識體系

知識和實踐之間的閉環(huán)不宜太長，否則正反饋會變慢甚至斷裂。要盡可能采用短閉環(huán)，要對傳統(tǒng)知識體系進行重新整理，將長閉環(huán)破開。力學(xué)教學(xué)中，每個階段性的知識點集合，都要建立一個實踐項目，以便形成實踐和理論之間的短閉環(huán)。最后這些短期項目可以合并達(dá)到大項目的要求。

這種辦法也可以解決學(xué)生學(xué)習(xí)動力的問題。通過按項目切割，減小閉環(huán)長度，快速解決實際問題，學(xué)生能夠頻繁獲得成就感，品嘗到學(xué)習(xí)的樂趣，有利于迅速獲得內(nèi)生動力。內(nèi)生動力能夠替代考試等外生動力，避免學(xué)生押題和臨時抱佛腳等怠學(xué)的情況。

傳統(tǒng)力學(xué)知識體系經(jīng)過上述這些方法的改造之后，能夠符合應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)力學(xué)的項目式教學(xué)要求：由寬泛的多核心介紹，變成關(guān)鍵核心項目的具體實現(xiàn)；注重具體場景和生產(chǎn)條件，避免了無限制蔓延的知識羅列；提高對項目直接相關(guān)知識的關(guān)注，減少了過于抽象的原理性探索；將實踐和理論之間的過長閉環(huán)，破開為反應(yīng)迅速的短閉環(huán)；加強了知識和具體流程之間的對應(yīng)，體現(xiàn)出高度的內(nèi)聚性。

4 結(jié)語

在應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)的力學(xué)教學(xué)中采用項目式教學(xué)，在我國還是一種新的嘗試，任重而道遠(yuǎn)，需要更多的探索實踐才能建立完整高效的項目式教學(xué)體系。對傳統(tǒng)力學(xué)知識體系結(jié)合信息技術(shù)進行改造，使其更適合應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)力學(xué)的項目式教學(xué)，是一種有益的嘗試。