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1、基于建构主义的土力学课程教学初探 摘 要 土力学是土木工程专业的重要课程，为适应石家庄铁道大学卓越工程师教育的培养计划，针对土力学课程特点及土力学传统教学的不足之处，提出了建构主义在教学中的应用。对土力学教学运用建构主义的教学法如支架法、抛锚法和随机进入教学法进行了初步探析，以期能更好的培养学生的积极思维和创新能力。 0 引言 土力学是土木工程专业重要的专业基础课，课程学习目的是使土木专业学生掌握有关土力学的基本理论、基本知识和基本技能，为后续专业课的学习打下基础，也为学生从事土木工程工作奠定必要的理论和实践基础。但是课程的基本理论和知识范围较广，知识点又较散，内容连贯性差，公式的假定条件多而
2、且实践性强，给学生学习带来困难，学生普遍反映学习土力学难度较大，学完后感觉理解不深。基于土力学课程的特点以及在土木工程课程体系中的重要性，有必要探索一种更有效的教学方法来提高课程的教学效果。 2012年，石家庄铁道大学被列入“卓越工程师教育培养计划”第二批试点高校，土木工程专业为石家庄铁道大学卓越工程师培养计划的专业之一。为实现“卓越计划”的人才培养要求，土木工程专业的课程教学需要与时俱进，不断探索关于教学内容、实践教学、创新能力培养等方面的教育教学改革，创新教学模式，从而培养出专业基础扎实、实践能力强、创新素质高、适应社会经济发展的高素质工程技术人才。如何根据土力学课程的特点，使学生在获得扎
3、实的基础知识的同时提高其解决问题的能力和创造性思维能力，符合卓越工程师的培养目标，也是土力学教学的一个特定课题。 1 土力学传统教学模式存在的问题 在现代化教学中，除了教师、学生、教材三个传统教学要素外，还增加了“媒体”这个要素。由这四个要素形成的教学过程中的稳定的结构形式，就称之为“教学模式”。传统的教学模式是：以教师为中心，教师利用讲解、板书和各种媒体作为教学的手段和方法向学生传授知识；学生则被动地接受教师传授的知识。在这种模式中，教学过程只强调教师的“教”而忽视学生的“学”，全部教学设计都是围绕如何“教”而展开。教学过程中教师是主动的施教者（知识的传授者、灌输者）；学生是外界刺激的被动接
4、受者、知识灌输的对象；教材是教师向学生灌输的内容；而媒体则是教师向学生灌输的手段、方法。按这样的理论设计的课堂教学，学生参与课堂教学的机会少，大部分时间处于被动接受状态，学生的主动性、积极性很难发挥，不利于创造型人才的成长。 在这种教学模式下，学生学习土力学时，会感觉这门课从理论上不如传统材料力学严谨、有条理，实践上不如其它课程（如钢筋混凝土）那样具体，很难提起学习兴趣，更缺乏主动性，甚至有时会产生厌学情绪。为了提高教学质量和教学效率，教师应采取科学有效的教学方法引导学生学习。 2 建构主义理论 建构主义最早是由瑞士的皮亚杰提出的，他是认知发展领域最有影响的一位心理学家。与建构主义学习理论以及
5、建构主义学习环境相适应的教学模式概括为：以学生为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。 即建构主义学习理论提倡的学习方法是教师指导下的、以学生为中心的学习1。 3 以学生为中心的土木工程课堂教学设计 3.1 教学理念设计 教学理念设计要明确“以学生为中心”。要明确学生是知识意义的主动建构者，教学设计要由传统的以“ 教”为中心转变为以“ 学”为中心，应摒弃以往单纯的只是教师传授的思想，要从“被动传输式”思想向“ 主动建构式”思想转变。教师
6、是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者，教材知识不再只是教师要传授的内容，而是成为学生主动建构意义的对象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段和方法，而是用来创设情境，作为学生主动学习、协作式探索的认知工具。在整个课堂教学中要强调学生的主体地位，教学过程中应更加重视学生在教师指导下的学习过程。教与学包含了师生间的相互作用和共同实践以及学生主动地建构信息的过程2，3。 3.2 教学模式设计 1）支架式教学。支架式教学即在学习过程中，为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架，在这个概念框架的基础上，学习者可实现对问题的进一步理解。其实质是利用上述概念框架作为学习过程中的脚手架，因此先要
7、把复杂的学习任务加以分解，以便于把学习者的理解逐步引向深入。因此该框架应按照学生智力的“最邻近发展区”来建立，然后通过这种脚手架的支撑作用（或 “支架作用”）不停顿地把学生的认识从一个水平提升到另一个新的更高水平，真正做到使教学走在发展的前面。 下面以学习沉降计算的分层总和法一节为例。 搭设框架：根据上一节的土层侧限压缩试验以及压缩指标的基础知识搭设框架，首先根据单一土层地面受大面积均布荷载的压缩变形特点， ，引导学生得出了一系列的由土的其他压缩指标计算的压缩量计算公式。 进入情境：结合实际工程中地基压缩的特点，如实际地基可由若干土层（非单一土层）组成，地基中附加应力也不一定是均匀分布，引出来
8、分层总和法的概念。简单介绍了分层总和法的大致思路。 独立探索：分层总和法首先要做什么，怎么做？计算每层土的沉降量时怎么做？地基计算深度怎么确定？如有地基回弹该怎么处理等等。 协作学习：在探索上述问题时，学生可自愿组成学习小组，互相交流、探讨。学生学习过程结束后，老师针对学习前提出的问题，每个小组出一个代表来讲解，对于学生讲解的不足之处老师再进行补充说明。 效果评价：对于上述问题，学生对于一般地基情况下的分层总和法计算地基沉降的学习任务基本都能完成，对于一些特殊情况下（如地基回弹等）的计算方法有些同学掌握的不是太好，对此建议他们再找一些参考资料加深理解。经过一段时间的训练后，学生的自主学习能力都
9、有所提高，并且对所学知识认识也比较深刻，有些问题虽然不能当时解决，但是能提出一些问题并且在教师指导下去找资料解决，完成了对所学知识的意义建构。 2）抛锚式教学。抛锚式教学要求建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上，有时也被称为“实例式教学”或“基于问题的教学”。确定这类真实事件或问题被形象地比喻为“抛锚”，因为一旦这类事件或问题被确定了，整个教学内容和教学进程也就被确定了。下面以“土的强度和土中一点极限平衡条件”一节来说明。 创设情境：首先让学生从幻灯片中看一些土体发生强度破坏（地基破坏、挡土墙土压力破坏和土的斜坡失稳）的工程实例，提出一些问题，如土为什么会破坏？由这些实例可看出土的破坏形
10、式是什么？土的强度有哪些特点？由土的强度特点引导学生去学习库伦强度定律。 确定问题：即抛锚，在了解了土的强度及强度特点的基础上，如何避免土体发生强度破坏？这里有一个关键问题，即学生已了解了当土单元某个面上的剪应力小于对应的抗剪强度时，土单元就不会在这个面发生失稳破坏，但这并不代表这个土单元就是稳定的，因为只要土单元在某一个方向发生剪切破坏，那么这个单元就会发生剪切破坏，核心问题是如何判断土单元在所有方向都不会破坏。 自主学习和协作学习：学生带着以上问题先自己学习一些基本认识，分组学习结束之后，每组推出一个代表来讲解，第一个小组代表讲完之后，其他小组代表不需再重复讲解，只需进行更正或补充，在这个
11、过程中再进行不断的讨论。一个问题解决后，教师紧接着提出下一个要解决的问题，整个讨论过程要始终针对“锚”的解决。在讨论的过程中，一些基本概念和知识点逐渐被大家更清楚的认识，如土的强度特点、材料力学中应力圆知识的应用以及与中莫尔-库仑定律的结合、应力圆位置与抗剪度线位置关系所表示的含义，最后土单元的极限平衡条件也了解了。针对学生的讨论，老师再对学生集中反映的问题及一些重点、难点进行着重指导和讲解，最终学生不但知识点搞清了，而且知识框架也会很清晰。 效果评价：学生在这个教学模式下，对于老师抛出的“锚”中所涉及的问题，基本上都能够经过思考后在讨论过程中解决。抛锚式教学不仅是为了让学生能够解决“锚”中的
12、问题，而且要通过教学使学生能够自主地完成学习目标，自主地解决复杂背景中的真实问题，从而提高学生解决复杂问题的能力以及与他人合作、交流、相互评价和自我反思的能力，这也是作为一个卓越工程师所必备的基本素质。 3.3 随机进入教学 由于土体本身的特殊性质，土力学知识点多、内容连贯性差，教学中对同一教学内容，要在不同时间、不同情境下、为不同的教学目的、通过不同的方式加以呈现。即学习者在教师的指导下，通过不同途径、不同方式进入同样教学内容的学习，从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解，这就是“随机进入教学”。这里的每次进入绝不仅仅是对同一知识内容的简单重复和巩固，而是都有不同的学习目的和问题侧
13、重点。通过这样的多次进入，达到对该知识内容比较全面而深入的掌握，使学习者获得对事物认识上的飞跃。 如在第四章学习了地基土的压缩后，认识到土的压缩是由于孔隙水的排出和孔隙气体压缩、排出等引起的孔隙体积的减小，而在第一章讲了粘土的压实特性，存在最大干密度与最优含水量的问题，给学生提出一些问题，如粘土的压实与粘土地基的压缩有哪些联系？二者都是使土体压密，又有哪些不同点？学生通过这两块内容的学习很快得出共同点，即两者都使土体压密实（孔隙体积减小）。不同点为：压实只是考虑总体积的变化，而压缩不但要考虑体积变化，还要考虑一维压缩特性；另外一个根本不同点，在老师的提问引导和学生讨论下也逐渐清晰了，即两者都是
14、孔隙体积在外力作用下减少，但压实只是在某个含水量下的压实特性，即认为粘土在压实过程中，只有孔隙气体体积减小，孔隙水体积不变。而压缩中不但包括孔隙气体体积的减小，还包括孔隙水的排出（减小）。在这个过程中，学生不但分清了二者的区别，同时对第一章中粘土的压实特性（最优含水量和最大干密度）有了更深入的认识。 4 土木工程专业课的建构主义教学思考 建构主义教学强调学生“学”的主体地位，把学生对知识的意义的主动建构作为整个学习过程的最终目的，有利于培养学生的主动学习能力、解决问题能力和创造性思维能力，这与土木工程卓越工程师培养创新人才、开展创新实践的目标相一致。在建构主义学习环境中，不论是学生的独立探索、
15、协作学习还是教师辅导，整个教学设计过程紧紧围绕“意义建构”这个中心而展开。学生通过原有知识经验与新经验的相互作用而不断充实、丰富和改造已有知识经验，使求知的过程成为不断改造的过程，让学生在认识世界中发现问题、解决问题，获得“ 创造力”。因此，在教学过程中，要特别注意学生知识的主动构建能力的培养。 另一方面，强调“学”的同时不能忽视“教”。由于土力学的课程特点，要求学生对该课程的内容不加区分一律完成“意义建构”（即达到较深刻的理解与掌握）也是不适当的，意义建构也并不是教师放任学生完全自学。正确的作法是在教学过程中对土力学教学目标进行分析后，教师可选出某些内容、某些主题适时进行建构主义的教学，选出当前所学知识中的基本概念、基本原理、基本方法和基本过程作为当前所学知识的“主题”，然后再选用适当的建构主义教学方法，围绕这个主题进行意义建构。同时，教师则要站在更高的高度去引导学生，这样建构才是真正有意义的，学生对内容的认识才能更深刻、更全面，才是符合教学要求的，才能更有利于培养学生解决问题的能力和创造力。