投入 積累 創(chuàng)新——我在清華52年教書育人體會

范欽珊

1956年考入清華，那時清華是5年制，正常情形應該是1961年畢業(yè)。1959年9月，為了適應當時學校迅速發(fā)展的形勢，包括我在內(nèi)的100名三年級學生被抽調(diào)到基礎課，一面當老師，一面當學生，身份仍然是學生。1960年學校又從這100人中抽調(diào)十余名作為正式教師參加教學工作，其中也有我。2002年退休后，作為教學工作的志愿者，一直在教學第一線從事材料力學教學工作，每年為100名左右的學生授課，樂此不疲。至今，我在清華從事材料力學和工程力學教學工作已經(jīng)超過52年。

清華的材料力學以及工程力學課程教學工作，包括教材建設、教學內(nèi)容更新、課程體系改革、教學方法改革以及現(xiàn)代教育技術(shù)的應用等方面，都取得了一些創(chuàng)新性成果，得到了力學界和教育界很多同行的認同。這不是一個人所能做到的，而是清華幾代人辛勤耕耘的結(jié)晶。

“投入、積累、創(chuàng)新”是52年來我在這個集體中陶冶出的切身體會。

一、投入的重點是教學與科研結(jié)合

我給著名的力學家和力學教育家張福范先生當助教，張先生是清華材料力學教研室第一任主任，他對我們講，只做教學是做不好教學的；只教一門課是教不好這門課的。他希望我們，既要做教學又要做研究。這一教誨使我終身受益。

這么多年的教學生涯，使我體會到，對于一個教師，提高教學效果和教學質(zhì)量的關鍵是必須教學水平與學術(shù)水平兼?zhèn)?。因此從事教學工作的同時必須從事科學研究。

教學與科研是相輔相成的。剛剛開始走上教學工作崗位時，既要上課又要批改學生的作業(yè)，每周批改兩次，每次100本左右，已經(jīng)是滿工作量。這種情形下，還要從事科學研究，就必須投入更多的時間和精力。每年我在完成或者超額完成教學工作量的同時，堅持從事 “非線性屈曲理論與應用”、“反應堆結(jié)構(gòu)力學”、“結(jié)構(gòu)的疲勞與壽命”、“輸電線路鐵塔的優(yōu)化與CAD設計”等方面的研究，近期又開展了宇航員在失重和超重情形下骨密度分析等生物力學方面的研究工作，取得了一些有價值的成果。例如，在球殼的屈曲研究中，得到了對于局部點坑缺陷敏感性的數(shù)學表達式；在核電站安全殼鋼襯里的熱屈曲的研究中，不僅提出了錨固鋼襯里的鉚釘?shù)膬?yōu)化間距，而且設計了局部1∶1的實驗模型，通過實驗得到了大量關于安全殼設計的數(shù)據(jù)。有的已經(jīng)應用于援外的核電站設計中。

這些研究成果推動我思考原來“材料力學”課程中關于壓桿屈曲的某些結(jié)論的正確性。傳統(tǒng)的材料力學中認為壓桿在臨界點的平衡是不穩(wěn)定的，這就意味著： 壓桿所受的壓力得到臨界值后便喪失承載能力。事實上臨界點的平衡可以是穩(wěn)定、不穩(wěn)定和中性的三種情形。壓桿臨界點平衡的穩(wěn)定性與否，與壓桿的細長程度有關。我們應用初始后屈曲理論首次證明了，對于細長桿，其臨界點是穩(wěn)定的。也就是說，當壓桿所受的應力達到臨界力后仍然能夠繼續(xù)承受載荷。通過典型試樣以及工程實際的實驗結(jié)果，證明我們所得到的理論結(jié)果是正確的。這一結(jié)果已經(jīng)應用于我國第一條220kV和第一條550kV緊湊型高壓輸電線路。

這些研究成果不僅應用于工程實際，取得了明顯的效果，而且還更新了材料力學的相關內(nèi)容，開出了一個新的教學實驗——大柔度壓桿非線性屈曲實驗，我們還沒有發(fā)現(xiàn)其他國家開出過類似的實驗。上述研究成果獲得了1項國家科技進步二等獎、1項部級科技進步一等獎、2項部級科技進步二等獎，而且更新了材料力學教材中的有關內(nèi)容。

傳統(tǒng)的材料力學是以鋼鐵為主體的材料力學，已經(jīng)經(jīng)歷了300多年。20世紀60年代以來，聚合物、復合材料、工業(yè)陶瓷等新材料越來越多地應用于各個領域，所占比重與鋼鐵相比越來越大。這表明“材料的力學行為”在材料力學課程教學中已顯得非常重要。為此，我們引入了“復合材料的力學行為”、“聚合物的黏彈性行為”、“材料的非線性黏彈性行為”、“材料的屈服與塑性行為”、“材料的斷裂行為”和“材料的疲勞行為”等內(nèi)容，獨立成篇，定名為“材料的力學行為”。這些也是長期從事相關學科的科學研究，開闊學術(shù)視野，不斷提高學術(shù)水平的必然結(jié)果。

由于長期從事基礎課的教學工作，力學的一些基本概念、基本理論和基本方法比較扎實，我們在引入上述新的教學內(nèi)容時，不是簡單地引用別人的成果，而是在材料力學傳統(tǒng)內(nèi)容基礎上，通過合適的簡化模型，得到關于新內(nèi)容的某些重要結(jié)論。這樣做，不僅加深了學生對于傳統(tǒng)教學內(nèi)容的理解，而且教會學生怎樣應用基本概念、基本理論以及基本方法去分析和處理新的問題，有利于發(fā)揮學生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新精神。

教學與科研的結(jié)合，提高了學術(shù)敏銳性，對于工程上的一些重要成果以及一些重大事故，都要從力學的角度加以分析，并且將所得到的結(jié)果引入課堂教學，使同學看到力學并不是一些枯燥的概念和理論，而是活生生的現(xiàn)實。例如，某些高層建筑的空心中庭，高層建筑的峽谷效應，建筑腳手架的坍塌事故等等。

前幾年某彩虹橋的坍塌，其原因當然與官員的腐敗有關。但是，某大學的一位教授在庭審作證時說： 我們用美國的什么程序和什么程序?qū)Σ屎鐦蜻M行了計算，結(jié)果表明彩虹橋的固有頻率與24名戰(zhàn)士跑步的頻率相差很遠，因此，24名戰(zhàn)士跑步不是橋破壞的原因。我覺得這個結(jié)論有問題，因為振動問題與我所研究的屈曲問題有相似之處，就是對于缺陷的敏感性。也就是說，有缺陷和沒有缺陷的結(jié)構(gòu)的固有頻率可以相差很多。你所用的程序當然沒有錯，但是你所用的模型是有缺陷的還是沒有缺陷的，你并沒有向法庭交代。事實上，坍塌前的彩虹橋已經(jīng)多處出現(xiàn)裂紋。其次，24名戰(zhàn)士跑步過橋時對橋的作用力是一種沖擊力，相當于人體體重3～4倍。最后，24名戰(zhàn)士跑步過橋是第一次還是多次，也沒有向法庭交代。事實上，這24名戰(zhàn)士跑步過橋并非一次。因此，不能說沒有一點責任。根據(jù)累積損傷理論，跑一次雖然不致使橋坍塌，但是會造成損傷，跑的次數(shù)多了，損傷就會累積，最后致使結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)而破壞。

這些工程實例引入課堂教學，不僅引起同學很大興趣，而且產(chǎn)生很大的震撼。

二、了解學生，尊重學生，合理而嚴格要求學生

52年的教學生涯的另一個重要體會是，要取得很好的教學效果，不僅要深入研究教學內(nèi)容，而且需要認真了解學生，精心組織和安排教學內(nèi)容，同時還要尊重學生，提出合理而嚴格的要求。

尊重學生就是引導學生積極思維，激活學生的學習積極性與主動精神。這是我從事教學工作的一貫理念。在這個理念的主導下，經(jīng)過多年的實踐和不斷完善，逐步形成一套互動式、討論式的教學方法。1996年以來，除了清華外，我在全國20多所院校，面向?qū)W生作200多場示范教學，都深受學生歡迎，也受到同行專家的一致贊譽。這種教學方法概括起來有以下幾點。

首先是要善于提出問題，揭示矛盾，激發(fā)學生的強烈的求知欲望，加強學生的聯(lián)想能力、發(fā)散思維的能力，特別是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

其次是在課堂講授中淡化繁瑣的數(shù)學推導與數(shù)字運算，強化定性分析，強化基于基本概念的直觀判斷，突出分析思路與分析方法。關鍵是怎樣在簡捷的數(shù)學推導過程中突出思路、突出方法。因此，在數(shù)學推導前，首先要有定性分析，使學生懂得“問題是什么？”“問題的性質(zhì)是什么？”“解決問題的方法是什么？”

再次是引導學生自己思考，并得出某些結(jié)論，包括一些重要結(jié)論。講課教師一般都很重視結(jié)論，這當然是正確的。但是有些結(jié)論包括一些重要結(jié)論，可以讓學生在思考的基礎上去自己得出。當然，學生有時得出的某些結(jié)論可能是錯誤的，但是經(jīng)過教師的引導，他們會從錯誤中得到正確的結(jié)論，這種結(jié)論對他們可能是更深刻、更牢固的。正如有的同學所說的： “老師講得再多、再好都是有限的；而我們自己琢磨出來的知識才是無限的?！?/p>

最后是為學生留出充分的思維空間，留出一些問題讓學生去想、去自學、去研究，講好每一章的結(jié)論與討論。有些問題本來應該讓學生去想的，結(jié)果老師講掉了，用老師的思維代替了學生的思維。講得過多、過細、過全，學生不用思維、不用動腦筋，這種灌輸?shù)霓k法，實際上窒息了學生的思維。老師的愿望是好的，但效果適得其反。

為了給學生留出充分的思維空間，不僅要對教學內(nèi)容精選少講，而且要嚴格控制講課時數(shù)，要改變教師“一言堂”，展開課堂討論，活躍學術(shù)氣氛。在講“摩擦”這一章的最后，我在大屏幕上打出一張圖片：

同時提出一個問題： 怎樣將右邊軸的轉(zhuǎn)動傳給左邊的軸，使左邊的軸一起轉(zhuǎn)動？

課堂氣氛一下子活躍起來。有的說，在圓盤上打上孔，然后用螺栓將兩個圓盤固結(jié)在一起；有的說，用夾子將兩個圓盤夾在一起；有的說，不用打孔，也不用夾子，在兩個相對的面上，抹上膠然后粘在一起。

這些都不是我所要的答案。于是，提示大家： 我們現(xiàn)在正在講摩擦吶。這時，教室里180多人，鴉雀無聲。很快一個同學站起來說： 老師，軸轉(zhuǎn)動起來后將兩根軸往中間一擠，產(chǎn)生摩擦力帶動左邊的軸轉(zhuǎn)動。這位同學的話音剛落，教室里響起一片掌聲。

“鴉雀無聲”說明絕大多數(shù)同學都進入思考狀態(tài)；“一片掌聲”表明這一答案既是一個同學的，也是屬于絕大多數(shù)同學的。我當時的心情真是難以言表的。

基于上述教學理念。在課堂上我總是鼓勵學生參與；鼓勵他們要積極思維，不要被動思維，更不要拒絕思維；鼓勵他們講話。

了解學生，對于同學們在學習中存在的一些問題需要加以認真分析，采取有效的措施，對同學提出合理而嚴格的要求，就能收到很好的效果。

例如，對于學生中存在的抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，有著兩方面的原因： 一是老師布置的課外作業(yè)分量太重，學生無法按時完成，沒有辦法，于是就“抄”；二是學生的學風問題。于是，我一方面嚴格控制課外作業(yè)的分量： 2課時的課，只布置3道必做的作業(yè)，1道選做的作業(yè)。并且講： 實在沒有時間，可以先做2道，但是絕對不要抄。此外，為了鼓勵學生認真獨立完成作業(yè)，我在開學第一堂課就宣布本課程實行資格考試和水平考試： 在期末考試前，先進行資格考試，考試的內(nèi)容就是平時的作業(yè)題，但是進行閉卷考試，資格考試滿分為100分，取得75分，本門課程就算及格（也就是拿到了期末成績中的60分），就可以獲得學分。期末考試屬于水平考試，實行開卷考試，是考期末成績中的另外40分?？荚嚪椒ǖ母母镉行У囟糁屏顺u作業(yè)的現(xiàn)象，對于加強學風建設起到了很好的作用。

又例如，有一次下午上課，我發(fā)現(xiàn)有一些同學打瞌睡，一了解，上午12：30才下課，馬上又要上課，實在太困了。于是，我就將課間休息的5分鐘改為10分鐘，讓大家打個盹。

三、涉足新領域，再上新臺階

課堂教學方法的改革和創(chuàng)新不僅有賴于不斷地將科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源、有賴于不斷地積累教學經(jīng)驗，而且還需要充分應用現(xiàn)代教育技術(shù)，包括信息技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)等。

最近6年間我和我的集體，在面向21世紀課程內(nèi)容與教學體系改革以及應用現(xiàn)代教育技術(shù)等方面取得了一系列成果。我們最先出版國內(nèi)“面向21世紀課程教材”；我們最先在課堂教學中使用課堂教學軟件——電子教案；我們最先出版材料力學分析計算軟件——材料力學問題求解器；我們最先建設成立體化、網(wǎng)絡化、精品化的工程力學教學資源庫。

這些成果，體現(xiàn)力學教育的重要性——力學無處不在，力學是一種文化，力學教育是一種素質(zhì)教育；體現(xiàn)力學教育在培養(yǎng)學生工程概念方面的重要作用；體現(xiàn)清華大學高水平力學教育的優(yōu)良傳統(tǒng)——既重視基礎，又注重發(fā)揮學生的創(chuàng)造性；體現(xiàn)啟發(fā)式、討論式教學過程；體現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)的教學手段的結(jié)合——將視頻、動畫、圖形、文本集成為一個完整的系統(tǒng)；體現(xiàn)使用方便、有利于二次開發(fā)的原則——使用者以此為基礎，形成自己的教學系統(tǒng)。技術(shù)的應用引起教學內(nèi)容深度和廣度的變化——一方面過去無法在課堂上講授的，現(xiàn)在通過視頻演播，就能夠使學生身臨其境；另一方面，通過應用現(xiàn)代教育技術(shù)，講課時間縮短了，從而為引進新的教學內(nèi)容創(chuàng)造了條件。

技術(shù)的應用引導學生從書本和教室走向廣闊的外部世界——能夠使學生感受到力學并不是枯燥的理論和繁瑣的數(shù)學推導，而是具有豐富多彩的實際內(nèi)涵。比如，同學們在書本上學習到的桁架結(jié)構(gòu)中桿件的連接點只是一些圓圈，我們通過拍攝的不同建筑物中桁架的不同連接形式，使他們認識到，這些圓圈實際上，可以是銷釘連接、鉚接，也可以是焊接。又比如，拉桿看起來簡單，但是在實際工程中卻起著非常重要的作用。這些，只有通過實際結(jié)構(gòu)的視頻演示，才能讓學生體會到。

技術(shù)的應用引導教育者采用更好的教學策略，啟發(fā)學生的思維，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。

隨著教育技術(shù)的不斷進步，我們的教學軟件水平也在不斷提高，教學效果也越來越好。

作者簡介

范欽珊： 航天航空學院教授