知识发现法在电气类力学课程中的应用

顾 娟，孙慜倩，张中威，岳 蕾，孙丽慧

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

力学是自然学科中最古老的一门学科，也是自然科学中最早精确化的科学。现代自然科学是从力学开始，直到19世纪末，精确的自然科学主要就是力学。近些年来，随着高等教育“宽口径”教育模式的实施，各学科融合的趋势也越来越明显。电气大类的学生需要具备一定的力学素养，以适应机器人、智能建筑等新兴专业的需求。以我校电气工程及其自动化专业为例，力学是该专业的技术基础课程，学生需要在大学二年级完成“理论力学”“材料力学”两门共计102学时的课程任务。在对该专业学生进行学情调查时，发现大多数学生在学习力学过程中非常容易产生畏难情绪，逐渐失去学习力学的信心与兴趣，影响后续专业课程的学习。因此有必要进行力学课程教改，以提高学生学习积极性，确保力学课程能够满足电气类各专业的学生对力学知识的需求。

本文主要探讨了在力学教学实践中采用知识发现法教学，重视知识发生过程，激发学生的学习兴趣，做到“知识过程化，课程兴趣化”，提高学生的力学素养。

1 内容及教学体系更新的弊端

不少力学教育工作者指出力学教学内容陈旧，继而提出更改教学内容，形成新的教学体系，适应日新月异的现代科技与人才培养要求。这种形式的教改主要包含以下两方面：①增加前沿知识，拓展基本内容;②更改现有知识体系。倡导“思维认识跳跃”的原则，避免“过分强调循序渐进、过分强调从特殊到一般、从感性到理性的认识模式”，“拓宽、加深认识梯度”。近几年力学课程学时不断压缩，而如果教学内容又要不断体现新颖，增加一些新学科知识或新学科知识的基础，必然会削减基础力学的经典章节，削弱学生对基础的重视。新知识的扩充提高了教学内容起点，也进一步提高了教学内容的难度，将本已令学生感到吃力的学科难上加难，打击学生学习力学课程的信心。况且增加的新知识大多是以力学为基础衍生出来非基础性结论，一些结论也尚未经历时间的检验，并不适用于普及性教学内容。

以近现代材料力学教材发展为例，1930年铁摩新科编写的教材不仅包含弹性基础的梁，还包含板壳理论、柱体扭转、塑性力学、应力集中等专题。而这本《材料力学》教材再版时，将专题部分与基础部分分离，独立出版为《高等材料力学》[1]。基础课内容应该只包含那些对学生以后发展最重要、应用最普遍的内容，并将这些教学内容按相应的教学系统加以整理。

传统的基础力学课程体系充分体现了从特殊到一般的逻辑过程和知识的演变顺序。不少同行提出的新的教学体系追求“居高临下”，追求“思维跳跃”，追求“演绎提高”，比如“理论力学”教改，在静力学部分直接讲平面一般力系，动力学篇先讲达朗贝尔原理，加强分析力学训练，再回过头讲矢量动力学[2]；比如“材料力学”部分有人提倡先介绍杆件内力，紧接着就介绍应力状态与强度理论，第三部分介绍四种基本变形以及刚度计算，第四部分讲能量法，最后讲解压杆稳定[3]。更改过后教学体系从一般、普遍再到特殊，拓宽了认知梯度，却与人从特殊到一般的认知规律相反。这一强调跳跃思维体系与人的认知背道而驰，更改教学体系应该谨慎试行。

2 知识发现法的教改思想与目标

考虑到更改教学内容或教学体系有可能带来的负面效应，基础力学教改需要寻找新的教改思路。许多基础力学在教改实践中没有对教学内容做过多改动，而是将许多新的教学理念落实到实际的课堂教学中。然而一方面许多教师对于这些教学模式理解或者把握不到位，课堂教学显得凌乱，往往达不到预设的教学目的；另一方面基础力学课程理论性强、教学内容量大，学生难以把握要点等特点，在课堂教学进行教学模式改革实践容易流于形式，变成了为了改革而改革，降低了教学效率。这样看来，似乎基础力学教改陷入了“山穷水尽”的境地。

此时，不如静下心来，远离追形式、凑热闹、急功近利的教改，把教学改革的焦点回归到知识本身。知识发生过程教学的理论是建立在皮亚杰、布鲁纳、赞可夫、达维多夫等人有关理论的基础上，简单来说，就是再现知识的来龙去脉，揭示知识的本质、顺序与联系[4]。

知识发生过程教学下的学习是浓缩或简化人类的认知过程，重演人类丰富多彩的科学活动，让学生去亲历探究的过程，感受科学的启迪。知识发生过程教学发掘知识点的根源，避免“无源水”的知识灌输；揭示知识应用背景，从客观需求上让学生理解理论与实际的关系；尊重历史发展顺序、演示知识发生、概念深化、方法更迭的复杂过程，潜移默化中在学生内心深处播下创新的种子。

3 知识发生过程教学的教改实践

3.1 选择合适的教材

基础力学教材，需要精选传统的经典内容，注重基本概念精确性，实现相关内容的相互贯通、相互融合、相互渗透，提高教学效率；要突出对工程实例的力学分析，突出例题和习题的优化，避免陷于“抽象的概念与理论”的泥潭。当然教材的好坏没有绝对的标准，选择教材的标准应该是对读者对象的适用与否。为减小教材种类选择失败的风险，建议选择最新版国家级规划教材，那些经过“六五”“七五”“八五”……一直到今天“十二五”仍在不断完善的优秀教材经久不衰，而一些更改教学内容与知识体系的新编教材受众很小，往往就是教材作者所在学校在使用。

一些教改中加进了的以力学为基础派生出的新学科的基本概念和一些初步成果，可以作为参考书奉献给学生，此外还可以增加一些与力学课程相关的网址供学生查询，以满足不同学生对知识的不同渴望。为确保教学效果、提高学生学习的主动性，作者在授课时还给学生配发了与教材相配套的自编教材——导学案。导学案中包含了各章节提要、学习目的、学习要求、习题解答和适用于课堂讨论、作业布置的思考题以及相应的参考文献和拓展资料。

3.2 授课教师需要加强人文修养

教师上课时并不是简单进行知识传授，而是和学生一起将知识所包含的情感和智慧展开，使学生获得的不仅是知识还有感性和智慧。因此力学教师不仅要十分熟悉与教学相关的专业业务，还应力求对专业相关的文化进行深造，要掌握一定的方法论与教育学基本理论，懂得教育规律，懂得学生的认知规律、学习规律，这样可以更好地把握教学方向，受益终身。

力学教师还应提高自身的文化修养，这是理工科教师经常忽视的方面。杂乱的思维、混沌的语句、不知所谓的讲解肯定吸引不了学生的学习热情，启迪不了学生的智慧，何况力学课程本来就容易陷入呆板、严肃甚至是压抑的死胡同。此外，授课教师的得体的衣着、生动的语言、饱满的情绪也能够感染学生并能够激发学生创新的原始动力。

3.3 知识发现法教改的课堂实践

1)实例先行，追根溯源

陶行知先生指出学习“要以自己的经验做根，以这经验所发生的知识做枝，然后别人的知识才会变成我们知识的一部分”[5]。这就是说知识并不是孤立存在的，经验做根的知识既是指已经内化的知识，比如当工程上的机器动反力用动力学普遍定理求解而十分繁琐时，跳出动力学定理求解的框架，从学生非常熟悉的静力学平衡方法入手引出“虚加惯性力”的概念，进而延伸至所要掌握的新知识“动静法”；比如学习“材料力学”时又跳出刚体研究范畴开始研究变形体。遵从知识发生次序，从已知到未知，感知知识发生的常态化形态，进而对某一知识追根溯源，最终把握知识的来龙去脉。

经验做根的知识又是指与新知识相关的已经感受到的直接经验为根本，逐渐理解、掌握、吸收原本晦涩难懂的新知识[6]。于是引入与教学内容相关的生活或工程实例，结合课程内容，将之合理地编排到课堂教学中就具有非常重要的意义。实践表明给学生提供相关知识的真实背景，引导学生将知识与日常经验联系起来，不仅有利于学生对知识的理解与记忆，也促进学生正确知识观的形成。

2)提炼与简约知识创新历程

黑格尔提出“逻辑与历史的一致性”。将历史与逻辑的辩证关系应用到学科的发生与发展过程，包含两层含义：一是学科体系同该学科地知识发生历史一致；二是认知过程同历史上学科的构筑过程一致[7]。根据这一逻辑辩证法，可以找到培养学生创新能力的一条途径：重走前人的知识创新之路，揭示知识内涵，培养创新能力。在授课过程中不是简单地给学生呈现基础力学结论，而是把知识点看成是创新点，模拟知识产生的背景，和同学们一起发现问题，提出问题，然后去分析、解决问题。授课关注的不仅仅是将知识讲懂，而是以基础知识为切入点，在力学史与方法论的指导下，以向导的身份引领学生探索新知识的发现及创新过程。

不过在授课过程中也要注意，尽管知识发生过程教学要求重新还原知识的形成过程，但并不意味着“完全按照知识发生顺序，甚至连走过的弯路与死胡同都不加删除的教[8]”。鉴于此，知识发生过程教学要按照人的认知规律对知识的创新过程进行“提炼”与“简约”。“梁的弯曲正应力”这一章节的讲授正能说明这一问题。1638年伽利略在《两门新科学的对话》一书中记载了材料力学史上的第一个木梁弯曲试验，但并没有正确得出梁弯曲时横截面上正应力的计算公式，直到1826年纳维在《力学在机械与结构方面的应用》一书中首先正确地给出弯曲正应力的公式。期间这两百多年的时间里科学家们走了许多创新的弯路。在授课时并不是完全照搬曲折的研究历程，而是通过实际案例引入提出问题，穿插力学史引导学生根据“几何、物理、静力学关系”分析问题，最终找到解决问题的答案。所以理想的教育是以浓缩的时空和某种必然的形式，削平坡度，将知识发生过程剪辑成一条似直非直，通过不懈努力可以最终达到目标的一条相对“捷径”。

3)有选择的发现

知识发生过程教学要求学生有所发现，又不主张无论教什么都让学生去发现，这就要求有选择。①选择“最基本、处于人的认知结构中最关键部位的节点”。越是基本的东西越能提供创新的基础。比如俄国工程师儒拉夫斯基提出弯曲切应力公式，公式的发现就是根据最基础的知识：截面法、微元法、切应力互等定理、静力平衡。②注重选择蕴含丰富思想方法的知识点进行教学。比如讲授平面任意力系所受的约束力，把物体系统看成相互联系的各个构件组成，引导学生分析系统与构件、构件与构件之间相互联系，找出求约束力最简便的思路，这种分析方法就是从系统的整体观点出发，采用系统法，分析系统与要素之间、要素与要素之间的相互联系、相互作用，从而找到处理问题的最优方法[9]。若知识发生过程教学看成是“画龙”，则提炼出知识所含的思想方法即时“点睛”，是启迪学生创造力的神来之笔。

4)加强引导作用

课堂教学是学为主，教为导的双边活动，既要尊重学生的主观能动性，也要加强教师的导向作用。在知识发生过程教学中，经验做根的知识需要教师提示，浓缩了的知识原创过程需要教师引导，学生的学习效率也依赖教师的有效指导。可见知识发生过程需要建立引导原则，在这个过程中，教师对学生在知识探索过程中遇到的困难和出现的问题，要适时、有效地帮助和引导，并通过交流、讨论、合作学习等方式加以解决。引导性原则的核心是引人入胜，使学生有身临其境之感，让学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦，领略科学家前辈的研究方法、科学思想、科学精神，得其精髓；引导性原则的重点是把握学生的探索方向，调控探索的难度与进程，排遣探索的困难与阻力；引导性原则的目标是让学生在一条可控道路上高效地探索知识的发生过程，培育学生具有坚持真理、实事求是、勇于创新的科学态度和科学精神。

4 结语

知识发现法教学改革不纠结如何更新教学内容与教学体系，而是将落脚点放在知识与能力上，希冀将知识与能力有效的协调统一起来，始于知识，终于能力。知识发现法教学从看似僵固的知识学习中，重演知识产生与发展的过程，将教学过程转变成学生的“亚研究”“再创造”过程。相对其他教改而言，知识发现法教改并不是一种大刀阔斧式的改革，没有华丽的改革外衣，但在实践过程中逐渐发现，这种改革是一种易落实、务根基、有效果的教改形式，这种教改视角对于其他电气类专业的基础课应当也是适用的。