应用型大学土木工程专业力学知识体系改造★

2021-01-18姜铭阅董艳英宋志斌

山西建筑 2021年4期

姜铭阅董艳英宋志斌

(河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛 066004)

0 引言

应用型大学土木工程专业力学教育的主要目的是培养学生将力学用于实际工程的实践能力，而项目式教学法是目前国际工程教育领域较为流行的教学方法，能够有效地提高学生的工程实践应用能力，因此项目式教学非常适用于应用型大学的土木工程专业力学教育。但目前项目式教学法在我国却难以大规模施行，下面就土木工程专业力学教学中项目式教学所遇到问题的深层原因做具体讨论，并提出解决办法。

1 我国施行项目式教学法的主要瓶颈在于知识体系的不适应性

1.1 项目式教学法的概念

项目式教学法是目前国际工程教学领域比较先进的教学方法，这种方法主张由学生独立或结组完成一个来源于实际的工程项目，教师主要负责观察和引导。项目式教学法强调发挥学生的主动性，遇到问题自己寻找资料，自由探索解决办法，并自行构建知识体系，教师在教学过程中主要起辅助作用。

德国联邦职教所2003年就实行了以行动为导向的项目式教学模式，由教师按照联邦职教所和手工业、工商业行会联合颁布施行的教学计划，仿造实际工程项目制定项目合同，按小组方式，让学生从教师、互联网、业内人士等各种可能接触的信息源中搜集信息、整理信息，并自行制定计划、实施计划、对过程进行监测、评价和总结。教师在这个过程中，主要任务是根据学生实际面对的问题，进行相应专业知识的讲授，以够用为原则，避免大而全的知识灌输方式，并对学生阶段性成果进行评价和建议。

1.2 应用型大学本科阶段土木工程专业力学教育中实行项目式教学的瓶颈

应用型大学以培养注重实践的应用型人才为主，具体到土木工程专业力学教育领域，则应将力学嵌入到土木工程结构设计的具体项目中进行。采用项目式教学，才能知行合一，提高学生的实际应用能力。如果土木工程专业力学教育脱离实际工程应用背景，这种力学教学将成为无根之萍。

但在践行土木工程专业力学项目式教学方法的过程中，却发现了很多问题，导致项目式教学难以顺利实施。除去硬件及师资等可短期解决的问题外，深层原因在于高校传统力学知识体系的不适应性。

项目式教学主张学生自主探索，过程比较灵活，可能会涉及多重知识分支，不拘泥于固定流程。教师在项目式教学实践中，发现主要困难在于我国传统知识体系的知识点联系不明确，学生搜集、整理知识体系的工作量过大，最后在限时完成的压力下，很容易演变成照抄案例。

具体而言，一般学生拿到项目任务要求后，都是从模仿某个案例开始，遇到新问题或新需求则独立探索可行路径。但应用型大学一般是普通本科高校转型而来，其知识体系是按照传统科目进行组织的，所以学生首先需要猜测问题可能属于的科目章节，然后到该章节中进行查找。另外即使找到知识点，但该知识点常常会牵扯到其他知识点，比如在实际项目中常常涉及到大规模试算，就需要学生跳出力学领域，查找程序设计相关的知识点。这种循环往复的搜索工作，对本科学生来说有时是极为困难和繁琐的。如果仅有一两个实践项目需要这么做，还不失为一种很好的训练，但在频繁使用项目式教学法且时间有限的情况下，会带给学生一种挫败感，最后导致学生不愿进行新的尝试，而是照抄原案例。究其原因，在于应用型大学仍然沿袭传统教学的知识体系组织方式，知识点之间关系不明确，理论知识过多，实践类知识较少，知识点过于离散，缺乏一种真正适用于项目式教学的知识体系，学生容易陷入文献搜索这种低效劳动的泥沼，最终无奈放弃而照抄原型案例，导致项目式教学半途而废。

2 应用型大学土木工程力学项目式教学所要求的知识体系与传统知识体系之间的差异性

土木工程专业力学教育中项目式教学法所要求的知识体系和传统教学法的知识体系有着巨大的差别。

2.1 “窄而深”和“宽而浅”的差别

项目式教学每次主要是针对某种专项工程，因此往往具有单核心的特点，几乎所有的知识信息都是围绕某个具体项目深挖细掘，呈现出“窄而深”的特点。

高校传统的力学教学，授课时讲究面面俱到，是多核心的；而且实践项目的匮乏和高校理论知识相对企业生产实践的滞后，又使得高校传统教学中大多数知识点浅尝辄止，不符合工程实践的要求。学生的实践能力有待于进入企业后在实际工作中加强，甚至需要进行再培训才能适应实际生产项目要求，所以高校传统力学知识体系体现得更多的是一种模块化，而不是专业化，呈现出“宽而浅”的特点。

2.2 “有边界”和“无边界”的差别

项目式教学的边界较为清晰，项目所提供的生产条件，使用的结构设计软件，以及所达到的标准都是明确的；使用的生产技术基于具体生产条件，较为单一，注重当前的可行性，不需要将现有各种生产技术进行比较之后做最优选择。

高校传统力学知识体系的边界是不清晰的。因为高校的知识组织逻辑，除了就业外，还有知识本身的自组织逻辑的要求，需要解释大量技术方法背后的历史由来、原理、与其他技术手段的差别。这是一种高屋建瓴的俯视角度，希望尽可能囊括相关知识，体现出知识的严密性和全面性，因此高校传统力学知识体系的边界是外延的，模糊不清的。

2.3 “重可行性”和“重原理”的差别

项目式教学倾向于实践，可行性是最重要的，有些看似武断的安排，是为了生产流程的更加顺畅，避免歧义性的干扰。

高校传统力学教学过程中学生面对的不是非常具体的生产环境，而是具有假想性的多种生产环境。这种情况下，高校传统力学教学知识体系更加强调背后的原理，以便学生能够适应不同的生产环境。

2.4 “短闭环”和“长闭环”的差别

项目式教学中，实践和理论之间的闭环较短。项目式教学以一个个短期实践项目为主线，每个短期项目都能实现理论和实践之间的闭环。项目实践出现问题，很快就能得到反馈，并找到知识体系上的相应错误，迅速修正，进而指导新的实践。

高校传统力学知识体系中，前期进行大量的铺垫性讲解，然后隔了好几个学期才在课程设计、毕业设计等实践环节中做一个固定流程的涉及整体结构内力计算的简单案例，实践和理论知识之间的闭环较长。

2.5 “高内聚”和“高离散”的差别

项目式教学的知识环节之间是环环相扣的，是在一个共同的具体目标下组织起来的，无用的知识会在流程的运转过程中被弱化并逐渐淘汰，只有有用的知识才能被留存下来，知识点之间关系牢靠明确，具有高度的内聚性。

高校传统力学知识体系离散性非常高。高校传统教学方法的学习次序首先是基础课，然后是专业基础课，最后是专业课。看起来逻辑清晰、基础牢固、逐层递进，但在实际工作中，大量的原理性、推导性知识都被工具软、硬件屏蔽起来了，除非做科研或二次开发，一般来说普通工作人员只要会使用软件及硬件，并不需要深刻掌握其背后的原理，前后课程的理论逻辑关联并不那么重要，整个知识体系前后严密的逻辑联系被弱化了。

因此，很多毕业生告诫学弟学妹的学习经验就是哪些课程将来用不上，及格就行；哪些课程将来是安身立命之本，要认真学。这种知识逻辑关联的弱化不仅体现在学生对学业的要求上，也体现在教师的课程内容组织上，很多教师授课只从本课程的角度出发，对前期和后续专业课的渗透很少顾及。

综上，高校土木工程专业传统力学知识体系和项目式教学知识体系之间存在巨大差异，需要根据差异性对传统知识体系进行改革，方能适应项目式教学的要求。

3 依据项目式教学要求重塑应用型大学土木工程专业力学知识体系

3.1 以知识点为基本单元

首先要确定的是进行知识组织的基本单元。如果按照传统力学知识组织方式采用章节作为知识体系的基本单元，粒级过粗。以往的教学实践也证明，章节内部必须分出专题，并指明各专题的逻辑联系，学生才能深入理解；而且学生在应用力学知识的时候，也不是以章节为单位回忆的，而是采用具象性的联想回忆方式。因此，采用知识点作为力学知识组织的基本单元较为合适。

3.2 知识点采用具象性的表达方式

知识点的表达方式目前常见思路是采用人工智能的自然语言处理的语义网络方法，但该方法目前还难以应用于实践。语义网络在复杂知识体系的表达中会造成语义的组合爆炸，不具备可行性。另外语义网络事实上是人脑中某种全息信息加工的结果，是为了配合计算机功能限制的一种表达方式，人脑更擅长模糊化联想，对人脑而言往往全息信息本身更加高效。比如一张图，用语言清楚的描述可能需要几百字，而记忆图片本身比记忆几百个文字要容易得多，应用上也更加灵活，所以知识点采用具象性的表达方式进行比较合适。

如果为了严密性和完整性必须给出抽象的定义和定理，就要以具象性的例子作为引子，引导学生建立抽象语言描述，也就是说抽象必须以具象为基础。经验上看，一般5 min～10 min能够讲透的具象性内容，可以作为一个知识点，时长再多学生就容易注意力涣散。

3.3 要建立公共知识体系网络平台

传统的知识组织是纸媒的，将科目分门别类罗列出来，各自为政。即使进入网络信息时代，网络上的知识体系仍然是纸媒的照搬，各课程科目仍然是彼此分离的，没有各个知识实体之间的有机连接。

因此有必要以知识点为基础重新建立公共专业知识网络平台，把力学知识点摊开、平面化，使得知识点之间的链接更加方便，让各科目教师和学生能够面对同一个力学知识点实体进行操作，在不同的项目任务之间反复迭代，使知识点互相连接并流动起来。

有了以知识点为基础的网络平台，才可能进行后续的各种操作，进而实现项目式教学知识体系的再组织，这是至关重要的一步。

3.4 打造项目式教学知识体系的垂直连接

项目式教学方法中教师必须首先做一些前期工作，要按照项目任务要求对知识点进行垂直方向跨科目的适当再组织，使知识点有多重归属，这样才能便于学生短时间内在头脑中形成网状知识地图，更方便快捷地进行项目式教学。

3.5 利用网络实现项目式教学的情景化

项目式教学的情景化非常重要，真实情境的背景能够带给学生一些潜移默化的情绪上的动力，比如扮演设计院的具体项目设计人员，对一个结构设计施工图，指出其中存在的问题，并伴随虚拟奖励和惩罚，比如升职或开除。这和学生的未来择业息息相关，学生很容易代入情境。

在现实教学中，因为课时有限、资源有限，这种模拟很难做到，但在网上，这种情景化是可以做到的。

3.6 采用短闭环搭建知识体系

知识和实践之间的闭环不宜太长，否则正反馈会变慢甚至断裂。要尽可能采用短闭环，要对传统知识体系进行重新整理，将长闭环破开。力学教学中，每个阶段性的知识点集合，都要建立一个实践项目，以便形成实践和理论之间的短闭环。最后这些短期项目可以合并达到大项目的要求。

这种办法也可以解决学生学习动力的问题。通过按项目切割，减小闭环长度，快速解决实际问题，学生能够频繁获得成就感，品尝到学习的乐趣，有利于迅速获得内生动力。内生动力能够替代考试等外生动力，避免学生押题和临时抱佛脚等怠学的情况。

传统力学知识体系经过上述这些方法的改造之后，能够符合应用型大学土木工程专业力学的项目式教学要求：由宽泛的多核心介绍，变成关键核心项目的具体实现；注重具体场景和生产条件，避免了无限制蔓延的知识罗列；提高对项目直接相关知识的关注，减少了过于抽象的原理性探索；将实践和理论之间的过长闭环，破开为反应迅速的短闭环；加强了知识和具体流程之间的对应，体现出高度的内聚性。