将加强学生能力培养的要求贯穿于教学环节中——以“高等结构动力学”教学为例

赵红华 陈丽华

（北京林业大学水保学院,北京 100083）

将加强学生能力培养的要求贯穿于教学环节中
——以“高等结构动力学”教学为例

赵红华 陈丽华

（北京林业大学水保学院,北京 100083）

该文从“高等结构动力学”教学的各个环节出发,寻求教学改革与提高学生能力的突破口,探讨培养和提高学生各种能力的有效途径。指出在课程教学过程中应对学生进行自学能力、表达能力、科研能力、各学科知识应用能力以及严谨的科研作风等方面的培养。在总结研究生“高等结构动力学”课程教学的基础上,论述了工程类研究生能力培养的重要性及有关措施。

高等结构动力学;教学改革;综合能力;创新意识

“高等结构动力学”是土木工程专业结构方向的研究生课程。该课程是一门技术性很强的专业基础课程,涉及数学建模、演绎、计算方法、测试技术和数值模拟等多个研究领域,同时具有鲜明的工程与应用背景。绝大部分学生对这门课有一个共同的感觉：公式多而冗长、计算难而复杂、求解繁琐、涉及面广、不易理解。不少学生反映看书时经常理不清思路、做习题大多无从下手、复习时往往找不到重点。面对这些问题,提高教学效果,进一步激发学生的学习热情,加强学生科研能力的培养,显得尤为重要。

传统的教育思想偏重知识的传授而忽视学生能力的培养,当代的教育思想则是在传授知识的同时更强调学生的智力,培养学生的各种能力。美国卡内基教学促进会提出：“任何大学都不可能向学生传授所有的知识,而教育的基本目标是要给学生提供能力的培养。”因此,在教学过程中必须加强学生能力的培养[1]。

对学生能力的培养是多方面的,下面以研究生课程“高等结构动力学”教学为例,从加强学生自学能力、表达能力、科研能力、严谨的科研作风、以及学科知识的应用能力等方面的培养加以阐述。

一、使用思维导图软件组织教学,提高学生的自学能力

学生的自学能力是发现、创造能力的基础,自学是获取、深化、巩固和灵活运用科学知识的最有效方法与途径,包括预习和复习2个过程,也就是消化已学的知识和摄取新知识的过程。如果没有一个好的方法,往往事倍功半,收效甚微。

思维导图软件[2]（MindManager）依据全脑思维的概念,全面调动左脑的逻辑、顺序、条例、文字、数字以及右脑的图像、想象、颜色、空间、整体思维,在加速资料的累积量之余,更将数据依据彼此间的关联性分层分类管理,使资料的储存、管理及应用因有系统化而增加大脑运作的效率,使大脑潜能得到最充分的开发,有效地提高记忆力,增强创造力。该软件在英国、美国、新加坡等国家的教育领域得到了广泛的应用,在提高教学效果方面成效非常显著。

课堂上,可以使用思维导图软件组织相关教学资料,进行教学活动。例如,利用该软件完成一幅课程的知识结构图,把课堂所需要的一切资料有序地组织起来,通过边展示、边讲课的过程,引导学生进行思考,把握全局,掌握一种课前预习、课后疏理知识内容的方法,让学生学会使用它建立和完善各章节知识点的结构图,进行课程的预习和复习。图1是学生自己建立的知识结构图。

图1 第三章知识结构图

在这张图上可以随意增加相关信息,链接资料。可以说,这副图含义非常丰富,它能把我们脑海中的思路展现在眼前,甚至可以启发你思维、联想,是大脑容量的一个极大的扩充。通过引导学生掌握这种科学的学习方法,培养和提高其自学能力,为他们后继课程的学习奠定一个良好的基础。

二、让学生走上讲台,培养学生的表达能力

表达能力是指运用语言、文字等方法阐明自己的观点、意见或抒发思想、感情的能力。它包括口头、文字、数字、图示等多种形式的表达能力。对研究生来说,要与导师不断地交流与沟通,和同学共同探讨研究项目,中期时要做好开题报告,结业时要做好毕业答辩,这一切都要求学生有良好的自我表达能力,正确地表达自己的观点。

在“高等结构动力学”课程教学中,采取将一部分比较容易的内容布置给学生,要求每位学生自己准备1小时的教案,讲解的内容要配有课件、板书、图示、科技符号及演算等。通过训练,学生既掌握了讲稿课件的制作方法,又锻炼了其表达能力。同时,投影、放映等其他方面的技能也得到训练,为将来研究生课题开题、答辩工作的顺利进行作了必要的准备。

此外,每位学生讲解完后由同学提问、老师点评,结束后总结1份该项课堂活动的书面报告,说明该活动的目的、经验以及收获等。点点滴滴,启发学生认真做事,勤于思考,专心学习。

三、适当进行编程训练,掌握一定的科研方法

结构类研究生编程能力的培养是研究生培养体系中一个极其重要的环节,也是体现研究生综合科研能力有别于本科生的一个重要标志[3]。

首先,研究生具备一定的编程能力是研究生课程知识及理论素养的综合体现。因为,在研究生课程学习阶段,成绩的考核一般是出题考试,或写读书报告。前一种方式,不能将课程的所有知识点覆盖,且受时间限制;而后一种方式,则难以反映对课程基本概念及方法学习的情况。编程必须建立在对基本原理全面、透彻地掌握的基础上,否则正确的计算程序是编不出的。有些学生,在课程学习阶段,对一些概念和原理似懂非懂,通过编程能迫使他们将基本原理及有关细节扎实掌握,同样达到了巩固课程知识的效果。

其次,研究生的编程能力是研究生科研能力的一个重要组成部分。科研手段大致有3种：理论推导、实验和编程计算。当然,现在的通用计算软件很多很全,一些常规计算完全可以依靠这些软件来完成。但是,如果完全依赖这些软件,在完成科研课题时也会遇到不少问题,如这些软件的参数、功能设置、建模方式不一定完全符合所作课题的要求,软件参数的取值范围与所作课题不适应,计算时甚至出现异常情况,等等。因此,作为科研手段之一,编程计算是必不可少的。即使学位论文以理论推导或实验为主,不需要编程计算,但学生掌握一种强有力的科研手段,对于今后的工作也是非常必要的。

再者,编程和调试过程实际上是对自己逻辑思维能力的一种非常有效的训练。有了这样一种训练,无论今后是从事教学、科研或是管理工作,都是大有帮助的。更为重要的是,编程绝不仅仅是对理论推导的执行或是与实验结果的相互检验,在编程和计算调试过程中,可以发现一些计算方法的缺陷,提出改进方法;在计算过程中如果出现异常情况,还可以由此反省原有原理的局限、错误,建立新的原理,乃至提出新的概念。

在传统的“高等结构动力学”教学中,主要是以理论分析和公式推导为主,但无论是单自由度、多自由度还是连续体结构,通过方程精确求解得到的或者近似求解得到的描述结构振动规律的表达式都十分复杂,直观上很难想象,也很难直接从复杂的公式表达中得出系统的各物理参数对振动规律的影响,所以要适当进行编程训练,比如学生通过用FORT RAN或VC++语言,自行练习编程,用Duhamel法 、Jacobi法、Newmark-β法以及 Wilson-θ法来求解结构的动力响应问题,将结构动力反应计算方法自己编程实现,并在计算机上绘制其反应曲线,真正理解动力学抽象理论及动态全过程的概念,同时也掌握一定的从事科研工作的科学方法。

四、通过作业把关,培养严谨的科研作风

研究生教育的核心任务在于培养研究生进行科学探索和寻求科学真理的能力。科学研究不仅是研究生学习知识的方式,更是研究生创造知识的途径。“求真、求实、求精、求是”是科学研究必须遵循的基本准则。科学是严谨的,从事科研的人要注意培养实事求是的严谨的科研作风[4],老师对研究生科研素质的培养具有直接的责任和义务。

“高等结构动力学”知识的掌握,必须配合一定数量的作业来巩固。根据作业题内容的不同,作业完成形式可分为书面和电子文档2种形式。书面作业要求整洁、清晰、严谨,计算书要书写整洁。书写整洁,与其说是一种能力,毋宁说是一种习惯,一种郑重和负责任的习惯[4]。既要有形式上的整洁,更要有内容上的清晰。做题要步骤分明,思路清楚,图形简明,数据准确。电子文档要求使用 word、excel、autocad等多种办公软件,并制定一定的格式要求,其完成及提交都要求规范化,比如各种数据处理结果的动画演示过程、自己编制程序的源代码、利用大型有限元软件时的模型及参数,等等。然后在课堂上对于突出的问题重点讲评。通过该项活动,既训练学生熟悉各种办公软件的使用,同时又培养学生严谨的科研作风。

五、多种形式进行创造及实验能力的培养

“高等结构动力学”是面向工程综合性和系统性很强的一门课程,在强调基本理论的同时,有必要重视实验技能和计算机仿真技术。由于实验设施受限,计算机仿真技术就成为建立动力学分析过程的重要手段。可以根据课程中不同的内容,分别采用不同的手段,使学生更容易理解动力学抽象理论及动态全过程,体验到“高等结构动力学”基本理论的意义所在,引导学生亲自编程进行仿真试验,开发学生的创造和实验能力。

结合课程内容,培养学生的能力大致可以通过3种形式来表现：第一种形式是采用大型通用有限元分析软件,将其后处理结果,包括动画显示,通过一定的工具处理成可以在课堂上直接播放的效果,这样,不仅十分方便、直观,而且更具有实用价值。第二种形式是通过学习一些结构动力学工具箱,把动力学复杂的分析结果用Matlab仿真分析结果来演示,学生可以自己修改程序参数来调整不同的曲线形式,有效地调动学生主动思考的积极性[5]。第三种形式是通过引导学生认识结构模型设计思路,将一部分验证型、研究型实验通过计算机模拟进行全过程演示,激发学生从多角度去讨论问题。这就要求学生亲自编程进行仿真试验,对计算数据进行分析和处理。当然,这种方法要求学生具备一定的计算机编程水平。

六、注重各学科知识应用能力的培养

现代科技、经济和社会的发展,要求学生具有宽阔的知识背景和更全面的素质。“高等结构动力学”课程涉及的学科、专业面广,学习过程中用到了结构力学、弹性力学、材料力学、复变函数、矩阵论、有限元法等多门相关课程。学科之间的渗透不仅是社会发展的需要,也是各学科本身发展的需要。引入应用,注重渗透,增加学科的广度和深度,对学科今后的发展与延伸必将非常有益。

在教学过程中,要注重理论联系实际,结合实际工程,把抽象思维具体化,使学生弄清理论建立的条件和方法,并能进一步萌发新的问题。通过专题介绍,有意识地将动力学在地震工程和工程振动中的应用与渗透关系,用思维导图画出来,抛砖引玉,让学生自己运用思维导图软件绘制动力学和其他各学科的关系结构图。

另外,要注重章节间的联系与衔接,实际上这是一种小范围的“渗透”,不断进行这样的小“渗透”对学生以后了解、掌握学科间的大“渗透”是非常有益的。通过章节之间知识的渗透使学生明白学科知识间的相互关系,通过引导学生对知识点、知识结构图的正确描绘,各相关关系得到了清晰的表达,提高了学生学科知识的应用能力[1]。

授人以鱼,不如授人以渔。在现代化工程教育中,必须改革以训练记忆能力和思维能力为中心的教学法,代之以培养创新意识和创新能力为中心的教学法。在教学各个环节中要注意发挥学生的主体作用,以人为本,把“高等结构动力学”课程体系从注重于知识本体、智力本体和技能本体转到促进人的全面发展方面。这样,才能真正促进课程建设和教学改革,有利于我们的毕业生成为具备创新意识、创新精神和创新能力的人才[6]。

[1] 张妃二,朱艳峰.在结构力学教学中加强学生能力的培养[J].广东工业大学学报：社会科学版,20011（1）：50-52.

[2] 东尼◦博赞.思维导图大脑使用说明书[M].张鼎昆,徐克茹,译.北京：外语教学与研究出版社,2005.

[3] 李向真,梁萍.土建结构类研究生编程能力的培养初探[J].高等建筑教育,2005,14（1）：85-86.

[4] 侯健.“结构力学”教学中的能力培养[J].中国科技信息,2006（5）：248.

[5] 黄晓吉.MAT LAB在“结构动力学”课程教学中的应用[J].华东交通大学学报,2006,12（23）：55-56.

[6] 胡晓光.论结构力学教学改革中学生综合能力的培养[J].黑龙江高教研究,2005,9（137）：104-105.

（责任编辑 张仕固）