應用型土木工程專業力學知識體系改造

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摘要：項目式教學非常適用于應用型大學土木工程專業力學教學，但在我國卻難以大規模施行，原因在于高校傳統教學方式與項目式教學知識體系之間存在巨大差異，應針對這些差異對傳統教學知識體系進行改造，以適應項目式教學。

關鍵詞：應用型大學，土木工程，力學，項目式教學

引言

應用型大學土木工程專業力學教育的主要目的是培養學生將力學用于實際工程的實踐能力，而項目式教學法是目前國際工程教育領域較為流行的教學方法，能夠有效地提高學生的工程實踐應用能力，因此項目式教學非常適用于應用型大學的土木工程專業力學教育。但目前項目式教學法在我國卻難以大規模施行，下面就土木工程專業力學教學中項目式教學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法的主要瓶頸在于知識體系的不適應性

1．1項目式教學法的概念

項目式教學法是目前國際工程教學領域比較先進的教學方法，這種方法主張由學生獨立或結組完成一個來源于實際的工程項目，教師主要負責觀察和引導。項目式教學法強調發揮學生的主動性，遇到問題自己尋找資料，自由探索解決辦法，并自行構建知識體系，教師在教學過程中主要起輔助作用。德國聯邦職教所2003年就實行了以行動為導向的項目式教學模式，由教師按照聯邦職教所和手工業、工商業行會聯合頒布施行的教學計劃，仿造實際工程項目制定項目合同，按小組方式，讓學生從教師、互聯網、業內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、對過程進行監測、評價和總結。教師在這個過程中，主要任務是根據學生實際面對的問題，進行相應專業知識的講授，以夠用為原則，避免大而全的知識灌輸方式，并對學生階段性成果進行評價和建議。

1．2應用型大學本科階段土木工程專業力學教育中實行項目式教學的瓶頸

應用型大學以培養注重實踐的應用型人才為主，具體到土木工程專業力學教育領域，則應將力學嵌入到土木工程結構設計的具體項目中進行。采用項目式教學，才能知行合一，提高學生的實際應用能力。如果土木工程專業力學教育脫離實際工程應用背景，這種力學教學將成為無根之萍。但在踐行土木工程專業力學項目式教學方法的過程中，卻發現了很多問題，導致項目式教學難以順利實施。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力學知識體系的不適應性。項目式教學主張學生自主探索，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。教師在項目式教學實踐中，發現主要困難在于我國傳統知識體系的知識點聯系不明確，學生搜集、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，一般學生拿到項目任務要求后，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。但應用型大學一般是普通本科高校轉型而來，其知識體系是按照傳統科目進行組織的，所以學生首先需要猜測問題可能屬于的科目章節，然后到該章節中進行查找。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模試算，就需要學生跳出力學領域，查找程序設計相關的知識點。這種循環往復的搜索工作，對本科學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練，但在頻繁使用項目式教學法且時間有限的情況下，會帶給學生一種挫敗感，最后導致學生不愿進行新的嘗試，而是照抄原案例。究其原因，在于應用型大學仍然沿襲傳統教學的知識體系組織方式，知識點之間關系不明確，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的知識體系，學生容易陷入文獻搜索這種低效勞動的泥沼，最終無奈放棄而照抄原型案例，導致項目式教學半途而廢。

2應用型大學土木工程力學項目式教學所要求的知識體系與傳統知識體系之間的差異性

土木工程專業力學教育中項目式教學法所要求的知識體系和傳統教學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掘，呈現出“窄而深”的特點。高校傳統的力學教學，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生產實踐的滯后，又使得高校傳統教學中大多數知識點淺嘗輒止，不符合工程實踐的要求。學生的實踐能力有待于進入企業后在實際工作中加強，甚至需要進行再培訓才能適應實際生產項目要求，所以高校傳統力學知識體系體現得更多的是一種模塊化，而不是專業化，呈現出“寬而淺”的特點。

2．2“有邊界”和“無邊界”的差別

項目式教學的邊界較為清晰，項目所提供的生產條件，使用的結構設計軟件，以及所達到的標準都是明確的；使用的生產技術基于具體生產條件，較為單一，注重當前的可行性，不需要將現有各種生產技術進行比較之后做最優選擇。高校傳統力學知識體系的邊界是不清晰的。因為高校的知識組織邏輯，除了就業外，還有知識本身的自組織邏輯的要求，需要解釋大量技術方法背后的歷史由來、原理、與其他技術手段的差別。這是一種高屋建瓴的俯視角度，希望盡可能囊括相關知識，體現出知識的嚴密性和全面性，因此高校傳統力學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，是為了生產流程的更加順暢，避免歧義性的干擾。高校傳統力學教學過程中學生面對的不是非常具體的生產環境，而是具有假想性的多種生產環境。這種情況下，高校傳統力學教學知識體系更加強調背后的原理，以便學生能夠適應不同的生產環境。

2．4“短閉環”和“長閉環”的差別

項目式教學中，實踐和理論之間的閉環較短。項目式教學以一個個短期實踐項目為主線，每個短期項目都能實現理論和實踐之間的閉環。項目實踐出現問題，很快就能得到反饋，并找到知識體系上的相應錯誤，迅速修正，進而指導新的實踐。高校傳統力學知識體系中，前期進行大量的鋪墊性講解，然后隔了好幾個學期才在課程設計、畢業設計等實踐環節中做一個固定流程的涉及整體結構內力計算的簡單案例，實踐和理論知識之間的閉環較長。

2．5“高內聚”和“高離散”的差別

項目式教學的知識環節之間是環環相扣的，是在一個共同的具體目標下組織起來的，無用的知識會在流程的運轉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，知識點之間關系牢靠明確，具有高度的內聚性。高校傳統力學知識體系離散性非常高。高校傳統教學方法的學習次序首先是基礎課，然后是專業基礎課，最后是專業課。看起來邏輯清晰、基礎牢固、逐層遞進，但在實際工作中，大量的原理性、推導性知識都被工具軟、硬件屏蔽起來了，除非做科研或二次開發，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聯并不那么重要，整個知識體系前后嚴密的邏輯聯系被弱化了。因此，很多畢業生告誡學弟學妹的學習經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，要認真學。這種知識邏輯關聯的弱化不僅體現在學生對學業的要求上，也體現在教師的課程內容組織上，很多教師授課只從本課程的角度出發，對前期和后續專業課的滲透很少顧及。綜上，高校土木工程專業傳統力學知識體系和項目式教學知識體系之間存在巨大差異，需要根據差異性對傳統知識體系進行改革，方能適應項目式教學的要求。

3依據項目式教學要求重塑應用型大學土木工程專業力學知識體系

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。如果按照傳統力學知識組織方式采用章節作為知識體系的基本單元，粒級過粗。以往的教學實踐也證明，章節內部必須分出專題，并指明各專題的邏輯聯系，學生才能深入理解；而且學生在應用力學知識的時候，也不是以章節為單位回憶的，而是采用具象性的聯想回憶方式。因此，采用知識點作為力學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方式

知識點的表達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絡方法，但該方法目前還難以應用于實踐。語義網絡在復雜知識體系的表達中會造成語義的組合爆炸，不具備可行性。另外語義網絡事實上是人腦中某種全息信息加工的結果，是為了配合計算機功能限制的一種表達方式，人腦更擅長模糊化聯想，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，應用上也更加靈活，所以知識點采用具象性的表達方式進行比較合適。如果為了嚴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，引導學生建立抽象語言描述，也就是說抽象必須以具象為基礎。經驗上看，一般5min～10min能夠講透的具象性內容，可以作為一個知識點，時長再多學生就容易注意力渙散。

3．3要建立公共知識體系網絡平臺

傳統的知識組織是紙媒的，將科目分門別類羅列出來，各自為政。即使進入網絡信息時代，網絡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重新建立公共專業知識網絡平臺，把力學知識點攤開、平面化，使得知識點之間的鏈接更加方便，讓各科目教師和學生能夠面對同一個力學知識點實體進行操作，在不同的項目任務之間反復迭代，使知識點互相連接并流動起來。有了以知識點為基礎的網絡平臺，才可能進行后續的各種操作，進而實現項目式教學知識體系的再組織，這是至關重要的一步。

3．4打造項目式教學知識體系的垂直連接

項目式教學方法中教師必須首先做一些前期工作，要按照項目任務要求對知識點進行垂直方向跨科目的適當再組織，使知識點有多重歸屬，這樣才能便于學生短時間內在頭腦中形成網狀知識地圖，更方便快捷地進行項目式教學。3．5利用網絡實現項目式教學的情景化項目式教學的情景化非常重要，真實情境的背景能夠帶給學生一些潛移默化的情緒上的動力，比如扮演設計院的具體項目設計人員，對一個結構設計施工圖，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。這和學生的未來擇業息息相關，學生很容易代入情境。在現實教學中，因為課時有限、資源有限，這種模擬很難做到，但在網上，這種情景化是可以做到的。

3．6采用短閉環搭建知識體系

知識和實踐之間的閉環不宜太長，否則正反饋會變慢甚至斷裂。要盡可能采用短閉環，要對傳統知識體系進行重新整理，將長閉環破開。力學教學中，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。最后這些短期項目可以合并達到大項目的要求。這種辦法也可以解決學生學習動力的問題。通過按項目切割，減小閉環長度，快速解決實際問題，學生能夠頻繁獲得成就感，品嘗到學習的樂趣，有利于迅速獲得內生動力。內生動力能夠替代考試等外生動力，避免學生押題和臨時抱佛腳等怠學的情況。傳統力學知識體系經過上述這些方法的改造之后，能夠符合應用型大學土木工程專業力學的項目式教學要求：由寬泛的多核心介紹，變成關鍵核心項目的具體實現；注重具體場景和生產條件，避免了無限制蔓延的知識羅列；提高對項目直接相關知識的關注，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，破開為反應迅速的短閉環；加強了知識和具體流程之間的對應，體現出高度的內聚性。

4結語

在應用型大學土木工程專業的力學教學中采用項目式教學，在我國還是一種新的嘗試，任重而道遠，需要更多的探索實踐才能建立完整高效的項目式教學體系。對傳統力學知識體系結合信息技術進行改造，使其更適合應用型大學土木工程專業力學的項目式教學，是一種有益的嘗試。

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作者：姜銘閱 董艷英 宋志斌 單位：河北科技師范學院城市建設學院