投入 積累 創(chuàng)新——我在清華52年教書育人體會(huì)

范欽珊

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

清華的材料力學(xué)以及工程力學(xué)課程教學(xué)工作，包括教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容更新、課程體系改革、教學(xué)方法改革以及現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用等方面，都取得了一些創(chuàng)新性成果，得到了力學(xué)界和教育界很多同行的認(rèn)同。這不是一個(gè)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(gè)集體中陶冶出的切身體會(huì)。

一、投入的重點(diǎn)是教學(xué)與科研結(jié)合

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

這么多年的教學(xué)生涯，使我體會(huì)到，對(duì)于一個(gè)教師，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵是必須教學(xué)水平與學(xué)術(shù)水平兼?zhèn)?。因此從事教學(xué)工作的同時(shí)必須從事科學(xué)研究。

教學(xué)與科研是相輔相成的。剛剛開始走上教學(xué)工作崗位時(shí)，既要上課又要批改學(xué)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(xué)研究，就必須投入更多的時(shí)間和精力。每年我在完成或者超額完成教學(xué)工作量的同時(shí)，堅(jiān)持從事 “非線性屈曲理論與應(yīng)用”、“反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“結(jié)構(gòu)的疲勞與壽命”、“輸電線路鐵塔的優(yōu)化與CAD設(shè)計(jì)”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(xué)方面的研究工作，取得了一些有價(jià)值的成果。例如，在球殼的屈曲研究中，得到了對(duì)于局部點(diǎn)坑缺陷敏感性的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shè)計(jì)了局部1∶1的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^實(shí)驗(yàn)得到了大量關(guān)于安全殼設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。有的已經(jīng)應(yīng)用于援外的核電站設(shè)計(jì)中。

這些研究成果推動(dòng)我思考原來“材料力學(xué)”課程中關(guān)于壓桿屈曲的某些結(jié)論的正確性。傳統(tǒng)的材料力學(xué)中認(rèn)為壓桿在臨界點(diǎn)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(shí)上臨界點(diǎn)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(diǎn)平衡的穩(wěn)定性與否，與壓桿的細(xì)長程度有關(guān)。我們應(yīng)用初始后屈曲理論首次證明了，對(duì)于細(xì)長桿，其臨界點(diǎn)是穩(wěn)定的。也就是說，當(dāng)壓桿所受的應(yīng)力達(dá)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(yīng)用于工程實(shí)際，取得了明顯的效果，而且還更新了材料力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，開出了一個(gè)新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)——大柔度壓桿非線性屈曲實(shí)驗(yàn)，我們還沒有發(fā)現(xiàn)其他國家開出過類似的實(shí)驗(yàn)。上述研究成果獲得了1項(xiàng)國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、1項(xiàng)部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2項(xiàng)部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，而且更新了材料力學(xué)教材中的有關(guān)內(nèi)容。

傳統(tǒng)的材料力學(xué)是以鋼鐵為主體的材料力學(xué)，已經(jīng)經(jīng)歷了300多年。20世紀(jì)60年代以來，聚合物、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等新材料越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，所占比重與鋼鐵相比越來越大。這表明“材料的力學(xué)行為”在材料力學(xué)課程教學(xué)中已顯得非常重要。為此，我們引入了“復(fù)合材料的力學(xué)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(dú)立成篇，定名為“材料的力學(xué)行為”。這些也是長期從事相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究，開闊學(xué)術(shù)視野，不斷提高學(xué)術(shù)水平的必然結(jié)果。

由于長期從事基礎(chǔ)課的教學(xué)工作，力學(xué)的一些基本概念、基本理論和基本方法比較扎實(shí)，我們在引入上述新的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，不是簡單地引用別人的成果，而是在材料力學(xué)傳統(tǒng)內(nèi)容基礎(chǔ)上，通過合適的簡化模型，得到關(guān)于新內(nèi)容的某些重要結(jié)論。這樣做，不僅加深了學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的理解，而且教會(huì)學(xué)生怎樣應(yīng)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(xué)生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新精神。

教學(xué)與科研的結(jié)合，提高了學(xué)術(shù)敏銳性，對(duì)于工程上的一些重要成果以及一些重大事故，都要從力學(xué)的角度加以分析，并且將所得到的結(jié)果引入課堂教學(xué)，使同學(xué)看到力學(xué)并不是一些枯燥的概念和理論，而是活生生的現(xiàn)實(shí)。例如，某些高層建筑的空心中庭，高層建筑的峽谷效應(yīng)，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(dāng)然與官員的腐敗有關(guān)。但是，某大學(xué)的一位教授在庭審作證時(shí)說： 我們用美國的什么程序和什么程序?qū)Σ屎鐦蜻M(jìn)行了計(jì)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(yuǎn)，因此，24名戰(zhàn)士跑步不是橋破壞的原因。我覺得這個(gè)結(jié)論有問題，因?yàn)檎駝?dòng)問題與我所研究的屈曲問題有相似之處，就是對(duì)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(dāng)然沒有錯(cuò)，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(shí)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(shí)對(duì)橋的作用力是一種沖擊力，相當(dāng)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(shí)上，這24名戰(zhàn)士跑步過橋并非一次。因此，不能說沒有一點(diǎn)責(zé)任。根據(jù)累積損傷理論，跑一次雖然不致使橋坍塌，但是會(huì)造成損傷，跑的次數(shù)多了，損傷就會(huì)累積，最后致使結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)而破壞。

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

二、了解學(xué)生，尊重學(xué)生，合理而嚴(yán)格要求學(xué)生

52年的教學(xué)生涯的另一個(gè)重要體會(huì)是，要取得很好的教學(xué)效果，不僅要深入研究教學(xué)內(nèi)容，而且需要認(rèn)真了解學(xué)生，精心組織和安排教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)還要尊重學(xué)生，提出合理而嚴(yán)格的要求。

尊重學(xué)生就是引導(dǎo)學(xué)生積極思維，激活學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)精神。這是我從事教學(xué)工作的一貫理念。在這個(gè)理念的主導(dǎo)下，經(jīng)過多年的實(shí)踐和不斷完善，逐步形成一套互動(dòng)式、討論式的教學(xué)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(xué)，都深受學(xué)生歡迎，也受到同行專家的一致贊譽(yù)。這種教學(xué)方法概括起來有以下幾點(diǎn)。

首先是要善于提出問題，揭示矛盾，激發(fā)學(xué)生的強(qiáng)烈的求知欲望，加強(qiáng)學(xué)生的聯(lián)想能力、發(fā)散思維的能力，特別是培養(yǎng)學(xué)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(xué)推導(dǎo)與數(shù)字運(yùn)算，強(qiáng)化定性分析，強(qiáng)化基于基本概念的直觀判斷，突出分析思路與分析方法。關(guān)鍵是怎樣在簡捷的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中突出思路、突出方法。因此，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)前，首先要有定性分析，使學(xué)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(dǎo)學(xué)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(dāng)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(xué)生在思考的基礎(chǔ)上去自己得出。當(dāng)然，學(xué)生有時(shí)得出的某些結(jié)論可能是錯(cuò)誤的，但是經(jīng)過教師的引導(dǎo)，他們會(huì)從錯(cuò)誤中得到正確的結(jié)論，這種結(jié)論對(duì)他們可能是更深刻、更牢固的。正如有的同學(xué)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(shí)才是無限的。”

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

為了給學(xué)生留出充分的思維空間，不僅要對(duì)教學(xué)內(nèi)容精選少講，而且要嚴(yán)格控制講課時(shí)數(shù)，要改變教師“一言堂”，展開課堂討論，活躍學(xué)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(shí)提出一個(gè)問題： 怎樣將右邊軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給左邊的軸，使左邊的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)？

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(gè)圓盤固結(jié)在一起；有的說，用夾子將兩個(gè)圓盤夾在一起；有的說，不用打孔，也不用夾子，在兩個(gè)相對(duì)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(shí)，教室里180多人，鴉雀無聲。很快一個(gè)同學(xué)站起來說： 老師，軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來后將兩根軸往中間一擠，產(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)左邊的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這位同學(xué)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(xué)都進(jìn)入思考狀態(tài)；“一片掌聲”表明這一答案既是一個(gè)同學(xué)的，也是屬于絕大多數(shù)同學(xué)的。我當(dāng)時(shí)的心情真是難以言表的。

基于上述教學(xué)理念。在課堂上我總是鼓勵(lì)學(xué)生參與；鼓勵(lì)他們要積極思維，不要被動(dòng)思維，更不要拒絕思維；鼓勵(lì)他們講話。

了解學(xué)生，對(duì)于同學(xué)們在學(xué)習(xí)中存在的一些問題需要加以認(rèn)真分析，采取有效的措施，對(duì)同學(xué)提出合理而嚴(yán)格的要求，就能收到很好的效果。

例如，對(duì)于學(xué)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(xué)生無法按時(shí)完成，沒有辦法，于是就“抄”；二是學(xué)生的學(xué)風(fēng)問題。于是，我一方面嚴(yán)格控制課外作業(yè)的分量： 2課時(shí)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(shí)在沒有時(shí)間，可以先做2道，但是絕對(duì)不要抄。此外，為了鼓勵(lì)學(xué)生認(rèn)真獨(dú)立完成作業(yè)，我在開學(xué)第一堂課就宣布本課程實(shí)行資格考試和水平考試： 在期末考試前，先進(jìn)行資格考試，考試的內(nèi)容就是平時(shí)的作業(yè)題，但是進(jìn)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(xué)分。期末考試屬于水平考試，實(shí)行開卷考試，是考期末成績中的另外40分。考試方法的改革有效地遏制了抄襲作業(yè)的現(xiàn)象，對(duì)于加強(qiáng)學(xué)風(fēng)建設(shè)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(xué)打瞌睡，一了解，上午12：30才下課，馬上又要上課，實(shí)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(gè)盹。

三、涉足新領(lǐng)域，再上新臺(tái)階

課堂教學(xué)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(xué)資源、有賴于不斷地積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，而且還需要充分應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，包括信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)課程內(nèi)容與教學(xué)體系改革以及應(yīng)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(jì)課程教材”；我們最先在課堂教學(xué)中使用課堂教學(xué)軟件——電子教案；我們最先出版材料力學(xué)分析計(jì)算軟件——材料力學(xué)問題求解器；我們最先建設(shè)成立體化、網(wǎng)絡(luò)化、精品化的工程力學(xué)教學(xué)資源庫。

這些成果，體現(xiàn)力學(xué)教育的重要性——力學(xué)無處不在，力學(xué)是一種文化，力學(xué)教育是一種素質(zhì)教育；體現(xiàn)力學(xué)教育在培養(yǎng)學(xué)生工程概念方面的重要作用；體現(xiàn)清華大學(xué)高水平力學(xué)教育的優(yōu)良傳統(tǒng)——既重視基礎(chǔ)，又注重發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性；體現(xiàn)啟發(fā)式、討論式教學(xué)過程；體現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)的教學(xué)手段的結(jié)合——將視頻、動(dòng)畫、圖形、文本集成為一個(gè)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(chǔ)，形成自己的教學(xué)系統(tǒng)。技術(shù)的應(yīng)用引起教學(xué)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(xué)生身臨其境；另一方面，通過應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，講課時(shí)間縮短了，從而為引進(jìn)新的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)造了條件。

技術(shù)的應(yīng)用引導(dǎo)學(xué)生從書本和教室走向廣闊的外部世界——能夠使學(xué)生感受到力學(xué)并不是枯燥的理論和繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而是具有豐富多彩的實(shí)際內(nèi)涵。比如，同學(xué)們在書本上學(xué)習(xí)到的桁架結(jié)構(gòu)中桿件的連接點(diǎn)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(rèn)識(shí)到，這些圓圈實(shí)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(shí)際工程中卻起著非常重要的作用。這些，只有通過實(shí)際結(jié)構(gòu)的視頻演示，才能讓學(xué)生體會(huì)到。

技術(shù)的應(yīng)用引導(dǎo)教育者采用更好的教學(xué)策略，啟發(fā)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

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

作者簡介

范欽珊： 航天航空學(xué)院教授