PBL教学模式的实验力学课程教学方法探索

耿小亮， 赵 彬， 王佩艳， 高宗战

（西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710129）

0 引 言

实验力学是工程力学专业本科生的专业核心课程之一。内容主要包括应力、应变、变形、损伤等力学参数的测量及实验结果的分析。通过本课程的学习，旨在培养学生的综合实验能力和深化对力学相关理论的理解，培养学生具有制订实验方案、探索测试方法以及正确处理和深入分析实验结果的能力，为学生打下用实验手段解决力学和工程实际问题的基础［1］。尤为重要的是：实验力学课程还对学生认识并遵从“理论与实践的辩证关系”进而建立起科学的研究方法和有效的研究路线起到重要作用。实验力学课程的内容涉及力学、数学、电学、光学、计算机图形学等学科的相关知识，是一门综合性非常强的课程。同时，课程的研究对象为工程结构或机械零部件的应力、应变、位移或其他力学物理量的测试方法，具有很强的工程背景和实践性。另外，这门课程还为学生进入研究生阶段所必须具备的科研经验及能力提供初步训练，因此课程中包含较多综合性课题、前沿实验技术。实验过程知识覆盖面广，倡导学生保持思维开放性和工作的深入系统性。基于此，与其将本课程中的内容视为一个个验证性的实验（experimental verification of theory），不如视其为一个个项目（open ended project）。这不仅是一个名词的变化，更能客观反映本课程的教学目的，有利于课程参与者建立正确的认识。

目前在实验力学课程教学中面临的主要问题有：①师生对本课程教学目的认知不准确，将其视为基本力学实验的内容简单扩充；②课程内容丰富，显示出学生的知识储备相对不足，综合运用多学科知识认识及解决实际问题的能力偏低；③经典的实验教学模式（教师理论讲述加示范，即国外所谓的chalk and talk，学生按照既有的实验流程进行测试及按照模板书写实验报告）已无法有效地达到课程要求，适合本课程的教学模式尚未建立。

基于此，实验力学课程必须探索如何建立科学有效的教学模式才能实现教学目的，激发学生的学习热情和攻坚克难的科研勇气，以较短课时条件下达到较好的学习效果。为此，本文通过分析国内外相关课题的研究现状，探索将基于问题式学习（Problem-Based Learning，PBL）的教学模式引入到实验力学课程的教学环节。

1 PBL教学模式概述

PBL教学法来源于一种学习理论，该理论鼓励学习者重构从现实情境中获取的已知信息，然后获得新知识，并通过和小组成员的讨论以阐明新知识。Anderson［2］提出给该理论命名为信息处理的学习方法。Thomas［3］提出PBL方法在学习动机、推理能力、知识结构和自学能力4方面对学生有很强的促进作用。

PBL教学模式多应用于医学教育，是通过向学生提供真实病例，以学生为中心、以问题为教材、以小组为单位、以讨论引导学习过程，后来被广泛地应用到包括社会统计学、工程学、计算机基础教学、生态学、体育教育理论课等教学改革中［4-7］。Kilroy［8］在其发表的著名的综述文章中对PBL的看法是这种教学方法通过提供了具有高度激励的环境，强化学习过程，其优点主要是能显著增强学习者个人学习、合作协同能力，而且能增强其自信心。Bell［9］则热情地推荐了PBL，他认为在21世纪，PBL教学方法将使学生成为技术交流专家和问题的解决者，对学生培养非常有利。当然，针对PBL教学方法有效性的争论也很多，主要集中与PBL教学是否过于浪费时间，需要很好的教学实践和信息搜集条件，也可能在一些专业领域并不适用。Albanese等［10-11］认为PBL方法存在的不足有：学生的认知处理过程较弱，对教学资源利用很高，成本较高。Colliver［12］也认为没有明显证据证明PBL强化了知识获取和学生实际表现。

国内高等教育中使用PBL方法也开展了不少尝试，并讨论比较了PBL教学模式与传统模式的差异与发展方向。刘杨［13］针对医学课程中的PBL应用存在的问题和解决方法进行了研究，对问题设计、教师引导、学生参与及考核等方面提出了建议和解决方案。朱毅然［14］在体育教育中尝试了PBL方法以提高学生学习兴趣。王迎超等［15］针对土木工程本科生专业主干课教育即“岩石力学”课程的特点，将PBL教学模式引入大学专业课教育，并对其教学效果进行了对比分析。另外，在物理学、工学、数学等课程方面，也都进行了教学尝试，总体上显示正面积极的效果，充分说明PBL教学方法是一种在各类学科中均可探索尝试的教学方法，改变了学生长期被动接受知识的学习方式，提高学生发现问题和解决问题的能力。

本科基础力学实验，主要内容是针对材料力学和理论力学的课程，其目的是验证理论、培养学生独立实验操作能力。与之不同，实验力学课程则更重视培养学生对在完成科研项目时必需的协作攻关能力。PBL教学正是强调以小组合作的形式进行研究探索，针对提出的问题，学生之间可以分组进行讨论，畅所欲言，提出自己的观点和看法，学生与教师及小组成员相互合作，形成“研究共同体”。小组各成员都能充分发挥个人的智力水平，促进了团队成员之间的协作，实现了团队成员的优势互补，从而培养了学生的团队协作能力以及沟通交流、组织、表达等综合素质。

2 PBL教学模式在实验力学课程教学中的实践

2.1 基于PBL教学模式的教学流程

PBL教学流程是教学实施的指导线，是PBL的重点研究内容。目前常用的教学流程有3种：Barrows模型、五步教学流程和七步教学流程［16-17］，依据实验力学的课程特点对文献［16］中提出的五步教学流程进行了改进，其模型见图1。

图1 改进后的PBL五步教学流程模型图

改进后的PBL五步教学流程，增加了“解决问题”的环节，也就是实验的环节，而将“成果展示”和“评价反馈”整合在一起。该流程中，“提出问题”即确定实验项目需解决的问题；“分析问题”即小组内讨论问题、人员分工和计划；“确定方案”即需要学生在教师指导下，组织已有的知识，自己查找并研读所学知识，制定实验方案；“解决问题”是学生在教师指导下完成实验过程。

2.2 在实验力学课程中的实施

以典型桁架结构静态载荷下的测试及理论模型建立实验为例。该实验提供学生可自行组装搭建的空间桁架式结构，各杆端部均有安装孔，提供桁架间的安装角片和连接螺栓，学生可按照自己的结构构想设计，将这些杆进行合理组装，搭建起不同空间的桁架形式。如图2所示，加载点可在底座上自由调整位置。

图2 空间桁架式结构

2.2.1 教学目的

①使学生懂得如何将工程桁架结构进行理论简化，求出其理论解并指导试验方案设计；②掌握多点静态应变测量技术；③学会用电阻应变法确定危险截面或指定截面的应力；④培养讨论、汇报和交流能力。

2.2.2 实验仪器、装置

桁架结构实验装置，应变片，静态电阻应变仪，其他工具。

2.2.3 PBL教学流程的安排

（1）组织分组并确定所需研究的问题。PBL教学模式第1步，教师指导学生分组，可自由组合或按某一规则组合，本实验每小组的人数3或4人较为适宜。指导小组成员适当分工，有设计、测试、计算、报告等，以便具体工作有人负责，形成科研工作的合作意识，利于培养学生责任感。由本课程PBL教学法实施过程获得的经验来看，小组分工是一项极为重要的工作。鉴于学生知识背景、能力、性格等差异，部分学生参与的主动性不足，如果没有明确分工，这些同学将会游离在活动之外，不仅自身不能获益，而且会影响团队其他成员的积极性。

在教学中可发现，多数学生具有解题能力，但缺乏提出问题的能力。因此在此阶段，在教师指导下，帮助学生确定要研究的问题是非常必要的。可通过“头脑风暴”的方法，对面临的项目进行探讨，比如从应用背景开始，或者从教材中相关理论开始，深入讨论，列出一系列可能的问题，再进行选择，解决其中1个或几个。在该实验中，由于研究对象是多杆连接的桁架结构，结合教材理论重点，可提出如①桁架结构中各杆的内力分布特征；②桁架结构中各杆两端的约束条件造成的影响；③不同桁架形式承载能力差异；④加载点位置对结构受力的影响分析等一系列问题。

（2）分析问题、形成要点、制定计划、小组分工。

小组成员首先根据已经选择的问题进行分析，形成输入（理论解）和输出（测试结果及处理）条件，确定影响实验过程及结果的重要因素。然后制定实验计划，依据实验任务，小组成员分工完成不同的工作内容，如A完成理论分析、B制定贴片方案、某人负责实验操作、某人负责实验数据和报告的编写等。在任务分工的基础上，成员之间再相互沟通来完成项目。

（3）查阅资料、收集信息、形成实验方案。在各小组成员的积极努力下，各司其职，充分利用图书馆、网络等各种资源，在广泛查阅大量资料、小组成员充分沟通的基础上形成实验方案。此阶段的工作依据学生的层次和程度的不同可以有不同的选择，有的实验利用材料力学、结构力学的知识即可获得理论解，比较容易确定位置和贴片方式；而有的实验，学生是无法利用现有知识获得理论解的，在这种情况下教师可推荐学生学习ABAQUS等有限元软件或Matlab等工具来获得实验的分析解，从而帮助确定实验方案。

（4）进行实验。依据实验方案进行实验，前期虽然进行了大量的准备工作、形成了完备的实验方案，但在此阶段依然会暴露很多问题：设备的使用、贴片的问题、装置的调整、对于缺乏经验的人来讲存在一系列不可预知的问题，都会对试验结果造成一定的误差，这一阶段尤其需要教师的指导和组员之间的沟通。实验进行可不必强调时间，按开放实验的模式操作，学生采取分时段预约的方式来进行以获得最好的实验结果和最大的收获。

（5）成果展示、评价反馈。PBL的最后一个阶段是各小组之间的成果展示、相互学习、相互评价、总结经验和教训。在此阶段学生可以通过制作PPT，采用分组汇报、教师学生质疑、教师评价等方式对学生的整个实验过程给出一个公正的评价，作为考核的依据。由于时间和精力有限，通过该环节学生可以对自己未做的实验也能有一个完整、充分的认识，起到举一反三的作用。

2.3 实施效果

（1）掌握了多学科的相关知识。在PBL教学的第2阶段需要学生广泛查阅大量资料、掌握相关的软件和工具，在此基础上给出实验的理论解或分析解并由此确定实验方案。这一阶段的工作需要花费大量的时间和精力，但学生可以弥补了前期知识储备的不足且拓展了知识面。

（2）提高了动手能力和分析问题、解决问题的能力。经过PBL教学模式的训练，学生的各方面能力都会得到提高。传统的实验课教学模式以教师讲解理论及实验操作方法，学生按照教师讲解的操作步骤一步一步地操作、记录实验数据，实验课结束；课后学生抄写书上的实验原理，简单的处理实验数据，上交实验报告，整个实验结束［18］。采用PBL教学，所有的实验环节都需要学生自己去解决，在实验过程中也会遇到各种各样的问题，每一个问题的解决都会给学生有所收获和提高。

（3）培养了团队协作意识。大学教育是培养社会所需要的人并促进个人能力的全面发展，能否培养出既有独立工作能力，又善于与人合作，具有团队合作精神的人才，是衡量大学教育成功与否的标志之一。培养学生团队合作精神体现在多个教育、教学环节。PBL教学运用学生分组合作方式对培养学生的团队合作意识具有重要的作用，它对提高学生集体荣誉感，张扬个性、表现特长，团结协作共同完成学习任务起到积极的作用。

（4）满足了多层次人才培养的需求。PBL教学模式可满足多层次人才培养的需求，从任务的制定即可体现。在PBL教学流程的第1阶段，教师可以和学生沟通，根据学生的基础和要求制定相应的任务需求。针对能力强、基础好的学生可以推荐相关的课程和软件进行学习，而针对基础差的学生，则要求其能达到课程的基本要求并掌握相关的技能。不同任务的确定满足了不同层次学生的需求，能够全面提升学生的综合素质与解决实际问题的能力。

3 结 语

PBL教学在实验力学课程实施中对教师提出了更高的要求，要求教师应该具有先进的教学理念、较高的职业素质、扎实广博的学科知识以及驾驭教学的能力。要求学生应具有自主学习的能力、勇于创新的能力、查阅文献的能力以及交流协作的能力，以期在最大程度上发挥PBL教学模式的优势。在硬件设备的投入方面，应加大投入力度，实验装置的制作应具有一定的工程应用背景，测试设备应具有一定的先进性，使学生能够开阔视野，学以致用、紧密结合实际。

实践表明，PBL的实施改变了学生长期被动接受知识的学习方式，显著提高了学生发现问题、解决问题的能力，使学生在早期就能够学会综合运用基础知识解决实际问题，很好地实现了基础学科与专业学科之间知识的融合，显著提高了学生相互协作达到科研目标的能力，为其将来从事科学研究打下了良好的基础［13］。

实验力学课程的特点，尤其是实验环节的特点就是带有一定的不确定性、不可预知性，会出现各种问题。实践表明，基于问题的学习，能达到融会贯通、举一反三的目的。基于PBL的问题教学法教会了学生“提炼问题、分析问题、解决问题”的能力。教与学的过程中，让学生在发现与解决问题中掌握多学科的相关知识，提高其综合素质以及创新的能力，培养其团队协作精神、沟通技能，为学生后续深造或工作打下坚实的基础。