知識發(fā)現(xiàn)法在電氣類力學(xué)課程中的應(yīng)用

顧 娟，孫慜倩，張中威，岳 蕾，孫麗慧

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

力學(xué)是自然學(xué)科中最古老的一門學(xué)科，也是自然科學(xué)中最早精確化的科學(xué)?，F(xiàn)代自然科學(xué)是從力學(xué)開始，直到19世紀(jì)末，精確的自然科學(xué)主要就是力學(xué)。近些年來，隨著高等教育“寬口徑”教育模式的實施，各學(xué)科融合的趨勢也越來越明顯。電氣大類的學(xué)生需要具備一定的力學(xué)素養(yǎng)，以適應(yīng)機器人、智能建筑等新興專業(yè)的需求。以我校電氣工程及其自動化專業(yè)為例，力學(xué)是該專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，學(xué)生需要在大學(xué)二年級完成“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”兩門共計102學(xué)時的課程任務(wù)。在對該專業(yè)學(xué)生進(jìn)行學(xué)情調(diào)查時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)過程中非常容易產(chǎn)生畏難情緒，逐漸失去學(xué)習(xí)力學(xué)的信心與興趣，影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。因此有必要進(jìn)行力學(xué)課程教改，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，確保力學(xué)課程能夠滿足電氣類各專業(yè)的學(xué)生對力學(xué)知識的需求。

本文主要探討了在力學(xué)教學(xué)實踐中采用知識發(fā)現(xiàn)法教學(xué)，重視知識發(fā)生過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，做到“知識過程化，課程興趣化”，提高學(xué)生的力學(xué)素養(yǎng)。

1 內(nèi)容及教學(xué)體系更新的弊端

不少力學(xué)教育工作者指出力學(xué)教學(xué)內(nèi)容陳舊，繼而提出更改教學(xué)內(nèi)容，形成新的教學(xué)體系，適應(yīng)日新月異的現(xiàn)代科技與人才培養(yǎng)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(nèi)容;②更改現(xiàn)有知識體系。倡導(dǎo)“思維認(rèn)識跳躍”的原則，避免“過分強調(diào)循序漸進(jìn)、過分強調(diào)從特殊到一般、從感性到理性的認(rèn)識模式”，“拓寬、加深認(rèn)識梯度”。近幾年力學(xué)課程學(xué)時不斷壓縮，而如果教學(xué)內(nèi)容又要不斷體現(xiàn)新穎，增加一些新學(xué)科知識或新學(xué)科知識的基礎(chǔ)，必然會削減基礎(chǔ)力學(xué)的經(jīng)典章節(jié)，削弱學(xué)生對基礎(chǔ)的重視。新知識的擴充提高了教學(xué)內(nèi)容起點，也進(jìn)一步提高了教學(xué)內(nèi)容的難度，將本已令學(xué)生感到吃力的學(xué)科難上加難，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程的信心。況且增加的新知識大多是以力學(xué)為基礎(chǔ)衍生出來非基礎(chǔ)性結(jié)論，一些結(jié)論也尚未經(jīng)歷時間的檢驗，并不適用于普及性教學(xué)內(nèi)容。

以近現(xiàn)代材料力學(xué)教材發(fā)展為例，1930年鐵摩新科編寫的教材不僅包含彈性基礎(chǔ)的梁，還包含板殼理論、柱體扭轉(zhuǎn)、塑性力學(xué)、應(yīng)力集中等專題。而這本《材料力學(xué)》教材再版時，將專題部分與基礎(chǔ)部分分離，獨立出版為《高等材料力學(xué)》[1]?；A(chǔ)課內(nèi)容應(yīng)該只包含那些對學(xué)生以后發(fā)展最重要、應(yīng)用最普遍的內(nèi)容，并將這些教學(xué)內(nèi)容按相應(yīng)的教學(xué)系統(tǒng)加以整理。

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)力學(xué)課程體系充分體現(xiàn)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(xué)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(xué)”教改，在靜力學(xué)部分直接講平面一般力系，動力學(xué)篇先講達(dá)朗貝爾原理，加強分析力學(xué)訓(xùn)練，再回過頭講矢量動力學(xué)[2]；比如“材料力學(xué)”部分有人提倡先介紹桿件內(nèi)力，緊接著就介紹應(yīng)力狀態(tài)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(wěn)定[3]。更改過后教學(xué)體系從一般、普遍再到特殊，拓寬了認(rèn)知梯度，卻與人從特殊到一般的認(rèn)知規(guī)律相反。這一強調(diào)跳躍思維體系與人的認(rèn)知背道而馳，更改教學(xué)體系應(yīng)該謹(jǐn)慎試行。

2 知識發(fā)現(xiàn)法的教改思想與目標(biāo)

考慮到更改教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)體系有可能帶來的負(fù)面效應(yīng)，基礎(chǔ)力學(xué)教改需要尋找新的教改思路。許多基礎(chǔ)力學(xué)在教改實踐中沒有對教學(xué)內(nèi)容做過多改動，而是將許多新的教學(xué)理念落實到實際的課堂教學(xué)中。然而一方面許多教師對于這些教學(xué)模式理解或者把握不到位，課堂教學(xué)顯得凌亂，往往達(dá)不到預(yù)設(shè)的教學(xué)目的；另一方面基礎(chǔ)力學(xué)課程理論性強、教學(xué)內(nèi)容量大，學(xué)生難以把握要點等特點，在課堂教學(xué)進(jìn)行教學(xué)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(xué)效率。這樣看來，似乎基礎(chǔ)力學(xué)教改陷入了“山窮水盡”的境地。

此時，不如靜下心來，遠(yuǎn)離追形式、湊熱鬧、急功近利的教改，把教學(xué)改革的焦點回歸到知識本身。知識發(fā)生過程教學(xué)的理論是建立在皮亞杰、布魯納、贊可夫、達(dá)維多夫等人有關(guān)理論的基礎(chǔ)上，簡單來說，就是再現(xiàn)知識的來龍去脈，揭示知識的本質(zhì)、順序與聯(lián)系[4]。

知識發(fā)生過程教學(xué)下的學(xué)習(xí)是濃縮或簡化人類的認(rèn)知過程，重演人類豐富多彩的科學(xué)活動，讓學(xué)生去親歷探究的過程，感受科學(xué)的啟迪。知識發(fā)生過程教學(xué)發(fā)掘知識點的根源，避免“無源水”的知識灌輸；揭示知識應(yīng)用背景，從客觀需求上讓學(xué)生理解理論與實際的關(guān)系；尊重歷史發(fā)展順序、演示知識發(fā)生、概念深化、方法更迭的復(fù)雜過程，潛移默化中在學(xué)生內(nèi)心深處播下創(chuàng)新的種子。

3 知識發(fā)生過程教學(xué)的教改實踐

3.1 選擇合適的教材

基礎(chǔ)力學(xué)教材，需要精選傳統(tǒng)的經(jīng)典內(nèi)容，注重基本概念精確性，實現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容的相互貫通、相互融合、相互滲透，提高教學(xué)效率；要突出對工程實例的力學(xué)分析，突出例題和習(xí)題的優(yōu)化，避免陷于“抽象的概念與理論”的泥潭。當(dāng)然教材的好壞沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)，選擇教材的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(fēng)險，建議選擇最新版國家級規(guī)劃教材，那些經(jīng)過“六五”“七五”“八五”……一直到今天“十二五”仍在不斷完善的優(yōu)秀教材經(jīng)久不衰，而一些更改教學(xué)內(nèi)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(xué)校在使用。

一些教改中加進(jìn)了的以力學(xué)為基礎(chǔ)派生出的新學(xué)科的基本概念和一些初步成果，可以作為參考書奉獻(xiàn)給學(xué)生，此外還可以增加一些與力學(xué)課程相關(guān)的網(wǎng)址供學(xué)生查詢，以滿足不同學(xué)生對知識的不同渴望。為確保教學(xué)效果、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，作者在授課時還給學(xué)生配發(fā)了與教材相配套的自編教材——導(dǎo)學(xué)案。導(dǎo)學(xué)案中包含了各章節(jié)提要、學(xué)習(xí)目的、學(xué)習(xí)要求、習(xí)題解答和適用于課堂討論、作業(yè)布置的思考題以及相應(yīng)的參考文獻(xiàn)和拓展資料。

3.2 授課教師需要加強人文修養(yǎng)

教師上課時并不是簡單進(jìn)行知識傳授，而是和學(xué)生一起將知識所包含的情感和智慧展開，使學(xué)生獲得的不僅是知識還有感性和智慧。因此力學(xué)教師不僅要十分熟悉與教學(xué)相關(guān)的專業(yè)業(yè)務(wù)，還應(yīng)力求對專業(yè)相關(guān)的文化進(jìn)行深造，要掌握一定的方法論與教育學(xué)基本理論，懂得教育規(guī)律，懂得學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、學(xué)習(xí)規(guī)律，這樣可以更好地把握教學(xué)方向，受益終身。

力學(xué)教師還應(yīng)提高自身的文化修養(yǎng)，這是理工科教師經(jīng)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，啟迪不了學(xué)生的智慧，何況力學(xué)課程本來就容易陷入呆板、嚴(yán)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(xué)生并能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的原始動力。

3.3 知識發(fā)現(xiàn)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(xué)習(xí)“要以自己的經(jīng)驗做根，以這經(jīng)驗所發(fā)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(jīng)驗做根的知識既是指已經(jīng)內(nèi)化的知識，比如當(dāng)工程上的機器動反力用動力學(xué)普遍定理求解而十分繁瑣時，跳出動力學(xué)定理求解的框架，從學(xué)生非常熟悉的靜力學(xué)平衡方法入手引出“虛加慣性力”的概念，進(jìn)而延伸至所要掌握的新知識“動靜法”；比如學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”時又跳出剛體研究范疇開始研究變形體。遵從知識發(fā)生次序，從已知到未知，感知知識發(fā)生的常態(tài)化形態(tài)，進(jìn)而對某一知識追根溯源，最終把握知識的來龍去脈。

經(jīng)驗做根的知識又是指與新知識相關(guān)的已經(jīng)感受到的直接經(jīng)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(xué)內(nèi)容相關(guān)的生活或工程實例，結(jié)合課程內(nèi)容，將之合理地編排到課堂教學(xué)中就具有非常重要的意義。實踐表明給學(xué)生提供相關(guān)知識的真實背景，引導(dǎo)學(xué)生將知識與日常經(jīng)驗聯(lián)系起來，不僅有利于學(xué)生對知識的理解與記憶，也促進(jìn)學(xué)生正確知識觀的形成。

2)提煉與簡約知識創(chuàng)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(guān)系應(yīng)用到學(xué)科的發(fā)生與發(fā)展過程，包含兩層含義：一是學(xué)科體系同該學(xué)科地知識發(fā)生歷史一致；二是認(rèn)知過程同歷史上學(xué)科的構(gòu)筑過程一致[7]。根據(jù)這一邏輯辯證法，可以找到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一條途徑：重走前人的知識創(chuàng)新之路，揭示知識內(nèi)涵，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在授課過程中不是簡單地給學(xué)生呈現(xiàn)基礎(chǔ)力學(xué)結(jié)論，而是把知識點看成是創(chuàng)新點，模擬知識產(chǎn)生的背景，和同學(xué)們一起發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，然后去分析、解決問題。授課關(guān)注的不僅僅是將知識講懂，而是以基礎(chǔ)知識為切入點，在力學(xué)史與方法論的指導(dǎo)下，以向?qū)У纳矸菀I(lǐng)學(xué)生探索新知識的發(fā)現(xiàn)及創(chuàng)新過程。

不過在授課過程中也要注意，盡管知識發(fā)生過程教學(xué)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(fā)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(fā)生過程教學(xué)要按照人的認(rèn)知規(guī)律對知識的創(chuàng)新過程進(jìn)行“提煉”與“簡約”?！傲旱膹澢龖?yīng)力”這一章節(jié)的講授正能說明這一問題。1638年伽利略在《兩門新科學(xué)的對話》一書中記載了材料力學(xué)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(yīng)力的計算公式，直到1826年納維在《力學(xué)在機械與結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用》一書中首先正確地給出彎曲正應(yīng)力的公式。期間這兩百多年的時間里科學(xué)家們走了許多創(chuàng)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(xué)史引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“幾何、物理、靜力學(xué)關(guān)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(fā)生過程剪輯成一條似直非直，通過不懈努力可以最終達(dá)到目標(biāo)的一條相對“捷徑”。

3)有選擇的發(fā)現(xiàn)

知識發(fā)生過程教學(xué)要求學(xué)生有所發(fā)現(xiàn)，又不主張無論教什么都讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)，這就要求有選擇。①選擇“最基本、處于人的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵部位的節(jié)點”。越是基本的東西越能提供創(chuàng)新的基礎(chǔ)。比如俄國工程師儒拉夫斯基提出彎曲切應(yīng)力公式，公式的發(fā)現(xiàn)就是根據(jù)最基礎(chǔ)的知識：截面法、微元法、切應(yīng)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(jìn)行教學(xué)。比如講授平面任意力系所受的約束力，把物體系統(tǒng)看成相互聯(lián)系的各個構(gòu)件組成，引導(dǎo)學(xué)生分析系統(tǒng)與構(gòu)件、構(gòu)件與構(gòu)件之間相互聯(lián)系，找出求約束力最簡便的思路，這種分析方法就是從系統(tǒng)的整體觀點出發(fā)，采用系統(tǒng)法，分析系統(tǒng)與要素之間、要素與要素之間的相互聯(lián)系、相互作用，從而找到處理問題的最優(yōu)方法[9]。若知識發(fā)生過程教學(xué)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(xué)生創(chuàng)造力的神來之筆。

4)加強引導(dǎo)作用

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

4 結(jié)語

知識發(fā)現(xiàn)法教學(xué)改革不糾結(jié)如何更新教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)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(xié)調(diào)統(tǒng)一起來，始于知識，終于能力。知識發(fā)現(xiàn)法教學(xué)從看似僵固的知識學(xué)習(xí)中，重演知識產(chǎn)生與發(fā)展的過程，將教學(xué)過程轉(zhuǎn)變成學(xué)生的“亞研究”“再創(chuàng)造”過程。相對其他教改而言，知識發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，這種改革是一種易落實、務(wù)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(yè)的基礎(chǔ)課應(yīng)當(dāng)也是適用的。