开发内化教学模式在力学课程中的应用
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）02-0145-03
武昌理工学院提出了开发内化教学模式，并在全校范围内推广此教学模式。开发内化理论认为，人的素质虽以先天为基础，但终究是后天开发内化形成的。主体素质的高低与其开发内化程度正相关，这就是素质的后天开发内化规律。这一规律表现为，系统学习内化、实践经验内化、环境同化、自我修炼内化。而学校教育是有组织、有目的、有计划、持续时间最长的系统培育人的活动，属于系统学习内化的范围。基于上述教学理念，作者在力学课程的教学中做了以下几方面的工作。
一、新教学内容的引入
经典力学理论中，不管是《理论力学》、《材料力学》还是《结构力学》，每一章节都有新的理论、新的知识点要介绍讲解，而且随着课程的延续所讲内容的深度会加大，学生会觉得越来越难于理解，更别谈消化吸收了。面对这样的问题，如何开发学生的学习热情，保持积极的学习态度，就尤为重要了。在一堂课的开始，为了引起学生的兴趣，作者结合这堂课要讲的内容，提出了学生日常生活中遇到的，并引起广泛关注的事情作为课程的切入点，如：请你看一张照片，如果你看到的是一位年轻的女人则表示你拥有年轻的心态，而你看到的是一位老妪，那你就拥有老者的心态。很多学生的关注点都在自己的心态是否年轻上了，而没有发现这个事件中另外一层含义，那就是，不同的观察者看到同一件事物时，会有不同看法，进而会得出不同的结论，而这种思想正好可以用在力学的教学中。
在讲解《结构力学》中平面几何组成分析的三个基本原则时，就可以这样引入。如图1所示，由杆AB、BC、AC组成的三角形，是学生非常熟悉的稳定结构，即几何不变无多余约束。如果学生看到的是地位相同的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个刚片（图2），它的描述为，由不共线的三个单铰两两相连，那就是“三刚片原则”；如果看到的是地位突出的Ⅰ、Ⅱ两个刚片和一根不通过A铰链杆组成（图3），那就是“两刚片原则”；如果看到的只有刚片Ⅰ比较突出（图4），它的描述为，在体系（刚片Ⅰ）上增加或减去AC、BC组成的二元体，不改变原有的几何性质，则为“二元体原则”。通过这种方式的讲解，平面几何组成分析的三个基本原则，就变得简单，有利于学生理解和吸收了。
这种教学方法还可以应用于其它章节的讲解，如介绍力法和位移法时，就可以这样引导学生。在超静定结构的分析中，有一部分学生观察点放在了超静定结构存在多余约束上，他们总是希望去掉这些多余约束，将结构改变成自己熟悉的静定结构，由这个方向研究下去就是“力法”的基本思想；而另外一部分学生发现框架结构是由几种常见的超静定单跨杆件组合而成的，他们想法是，如果弄清楚了这几种杆件的内力情况，再研究清楚它们的组合规律，是否也可以解题呢？这就演化出了“位移法”。开发内化教学法，就是力求将学习复杂专业知识的过程转化为对简单常见事物的认知过程，消除学生学习力学的恐惧心理。
二、教学内容的深度和广度
教学内容的深度和广度是教学深层次的内涵，它与学校是研究型还是教学型的大学有关，与生源的质量有关，更与学生的就业方向有关。我校为教学型大学，一直本着“能用、会用、够用”三用原则来组织教学内容。追求教学内容的深度和广度，有利于学生对基本力学理论的理解，更有利于培养学生的创新精神。
（一）挖掘基本力学理论的教学深度和广度。力学课程的基本理论，看似简单，甚至学生中学就已经学过，但其内涵丰富。如果在教学中，教师注重从深层次引导学生理解基本力学概念，将有可能使学生创造性的应用这些理论，甚至可以解决工程实际问题。如在讲截面法求杆件内力时，内力的正向假设一直是学生学习的难点，如果从力的三要素这一基本概念入手引导，就变得简单了。横截面上存在的内力，应表达完整其三要素，大小为FN、T、FS或者是M；作用点（面）在截开的截面上（内）；方向（转向）往往有两种选择，是未知的，而正向假设正是规定了它的方向，使其统一，这样不同的读者甚至不同国家的读者都有了统一的原则。复杂的、难于理解的概念，可以用简单的理论加以引导，使得学生对这一问题有了更深刻的认识与理解。
（二）挖掘工程实例中的力学教学深度和广度。力学与实际工程是密不可分的。看似枯燥、晦涩的力学理论、力学概念，学生对其兴趣缺缺，但一旦与工程实例相结合，学生的注意力就被吸引过来了。力学的最终任务是使结构经济与安全并行，可以从这个角度引导学生如何进行结构中构件的合理设计。如进行矩形截面和工字型截面梁刚度的对比计算，惯性矩相同时，工字型截面面积只占矩形截面面积的20%；而面积相同时，工字型截面的惯性矩是矩形截面的10.9倍。这样学生很轻松的理解了工程实际中进行梁合理截面的设计的原因，以及如何做到结构既经济又安全。
（三）挖掘工程事故中力学教学深度和广度。从力学发展史中我们发现，理论往往是在事故发生之后才被人们认识、重视并建立起来的。大多数的工程事故特别是灾难性的事故都与力学分不开。授课过程中，引入社会关注的工程事故，并应用力学知识加以解释，可以极大的提高学生的学习兴趣，收到良好的教学效果。
三、教学过程中的启发引导
如何在教学过程中启发和引导学生，不仅仅是力学教师关注的问题，更是众多教育工作者一直在探讨的问题。开发内化教学模式尤其重视在教学中对学生的启发和引导，并称此为“开发”。在材料力学和结构力学中，利用微分关系和叠加法绘制M图，这是力学教学的重点内容，而这部分内容对学生学习专业课也是至关重要的。在讲解中作者引导学生，弯矩图跟梁的真实变形是及其相似的，用这种方法可以提高绘制M图的速度和准确度。如图5（a）、（b）所示，简支梁在均布荷载和集中力作用下产生图中所示的变形曲线，而它们的M图与其变形曲线是一致的；对比图5（b）和（c）会发现，集中力位置变化只会引起变形曲线尖角位置的移动，而尖角的方向有集中力的方向决定，M图与变形曲线一致；图5（d）拍摄的是简支梁在顺时针力偶作用下变形曲线，利用微分关系绘制的M图与变形曲线也是一致的。这些变形曲线与内力图一致的情况并不是巧合，而是由于材料力学与结构力学规定，M图画在梁受拉一侧，才导致两者的相似。若授课过程中，教师多多注意对学生进行启发、引导，帮助学生建立内力图与结构真实变形的关系，那么学生的学习积极性会得到极大的提高，他们会觉得绘制内力图不再是难题而是一件简单而又有意思的事情了。 力学是土木工程专业的专业基础课，它是为后续课程服务的。在讲解应力状态分析主应力迹线时，可以将主应力迹线图和钢筋混凝土中的配筋图联系起来，引导学生加深其对主应力迹线的理解，如图6所示：
四、课外学习与课堂互动
开发内化教学模式就是要鼓励学生积极参与课堂互动，努力成为课堂的主导；同时鼓励学生不要满足于课本上和课堂上教师讲授的知识，要研究和掌握书本、课堂以外的知识。互动，就是学生对教师提出问题的响应，学生和教师之间的对话和交流，拒绝一言堂，教师从头讲到尾。在课堂互动的方式上可以有多种形式，课堂提问式，学生会表现出紧张，因为不知道老师会不会提问他，更不知道问什么问题，自己会还是不会，有这样的心理学生很难在课堂上开小差了，教学效果就自然好，从而学生由被动接受转变成主动学习了。
课外学习可以和课堂互动联系起来，教师在讲授材料力学课程时，可以给学生一个课外查找的课题，要求每位学生查找一个土木类实际工程的事故案例，交一份300字左右的介绍，交代清楚时间、地点、事故基本情况即可。接下来教师在这些案例中挑出一部分来，将班上学生分组，将选出的题目交给他们，要求其应用材料力学的知识解释这一工程事故，做成ppt，在课堂上展示；而在结构力学里面，在讲完前五章内容后，将学生分组，要求他们利用结构力学知识，就自己感兴趣的一种结构形式进行讲解，也是做成ppt在课堂上展示。这项活动开展了三个学期，收到了非常好的效果。
首先，学生的积极性很高，学生充分参与了课外学习；第二，将力学与工程实际完美的结合在了一起，体现了力学的专业性；第三，极大的开阔了学生的视野，激发了学生的创新精神。
在课题完成过程中，只是要求用到所学力学知识即可，其他细节都没作要求。我们发现，交上来的ppt的内容是非常丰富的，有从宏观上介绍结构、结构形式、桥梁类型的；也有局部介绍某一种结构的，如拱、桁架、斜拉桥、鸟巢、施工过程、隧道等；还有学生将力学与人体结构联系起来，做了非常精彩的讲解。这些都可以证明，学生拥有惊人的创造力，他们需要的就是施展的平台，而教师可以提供，给他们创造机会。活动结束后，作者做了调查，学生一致反应这种教学模式非常好，他们在准备过程中，查阅了大量的课外资料，完成了课外学习任务，同时还学习了制作ppt的计算机知识，在课堂上演讲使自己的口头表达力得到了锻炼。总之，很多学生要求今后更多的课程以这种形式开展。在这样的活动中，学生将所学知识充分内化为自己的知识体系，达到了开发内化教学的目的。
五、开发内化教学模式关键在于转变学生的思维模式
有这样一个益智题“有两个瓶子，分别可以装3升和5升水，请用这两个瓶子量出4升水出来。”很多人都积极开始思考，费了一番周折总可以量出这4升水，但一般费时都很长，因为应用的是一种“定式思维”。而开发内化教学模式，却是要提倡“开放式思维”。显然，只有能装5升水的瓶子才能装得下4升水，接下来就是简单的数学问题，就是？+？=4的问题了，答案只有两个2+2=4和1+3=4，前者人们最先想到，费了很长时间却没有得到解决办法，只能是后者了，就是找“1”和“3”的问题。将3升瓶子装满水倒入5升的瓶子，再将3升瓶子装满倒进5升瓶子，3升水的瓶子剩下1升，这样就找到了“1”，将5升水瓶子倒空，将这一升水倒进5升水瓶子，再将3升水瓶子装满，找到了“3”，倒进5升水瓶子，得到了需找的“4升水”。题目简单，却教会了我们一种开放的思维方式，透过装水的瓶子，我们看到的只是小学题目“？+？=4”的问题，这就需要我们会思考。因此，开放式思维表现为：会读书、会做题、更会思考。
汶川地震后，我国出了新的抗震规范，更是提出了概念设计的理念，为此力学也提出了概念力学分析，即通过运用力学的基本概念确定结构受力状态的主要特征。而概念力学分析，需要的就是这种“开放式思维”，能够灵活应用力学知识，开创性的解决现实问题；不仅能解决问题，而且能够提出具有创意的新思想；既有继承，也有创新，有自己的见解和招数。开放式思维的学生具有综合应用、举一反三的能力。
作者积极在力学课程教学中推行开发内化教学法，经过三个学期的尝试和探索，深刻理解了该教学模式的基本理念，并结合力学课程具体教学过程，从新教学内容的引入、教学内容的深度和广度、教学过程中的启发引导、课外学习与课堂互动以及转变学生思维模式这五个方面执行了该教学法。从开发内化教育理念的理论层面到三个学期具体的实践环节，都在证明着这种教学模式是成功的教学模式，是值得大力推广的教学模式。
