的一个挑战。笔者结合自身多年的教学经验，介绍了几个基本概念的讲解方法，以此期望能够更好地完成教学工作。
关键词：工程力学 基本概念 教学
工程力学是研究机械运动一般规律的科学，是自然科学的理论基础，又是现代工程技术的理论基础，在日常生活和生产实际中具有非常广泛的应用。工程力学的授课方法较数学、物理、化学有所不同，需要用理论研究和实验分析相结合的观点，将一些复杂的研究对象分解为力学模型，使学生不光理解推导的结果，更要掌握推理的技巧，培养学生分析问题和解决问题的能力，逐步形成正确的逻辑思维，在获取知识的同时，能将所学的知识融会贯通，学到科学的思想方法。在工程力学中存在很多的基本概念，若理解不透， 做题时就无从下手。笔者在近几年的教学实践中， 简单介绍几个基本概念的讲解方法， 以供参考。
1不同角度拓展对“平衡”的理解
所谓物体的平衡，我们在工程力学中讲述的概念是是指物体相对于周围物体保持其静止或匀速直线运动的状态。平衡时机械运动的特殊形式，是物体在特殊力系作用下的特殊运动形式。事实上，静止只是存在于理论上面，静止也只是相对的，平衡是力学中一个重要的基本概念，也是学好工程力学的基础，为了加强学生对“平衡”概念的理解，如果能从不同的角度来讲述这个概念，对于学生知识的拓展将会有很大帮助。从整体到局部的关系来探讨平衡的问题，当平衡系统由两个或两相以上物体组成，系统平衡，则组成系统的单个物体也处于平衡状态，系统中的单个物体都可以列出独立的平衡方程；从动力学的角度探讨平衡的问题，当质点做变速运动时，质点的加速度与合外力的方向一致，当加速度等于0时，物体处于匀速直线运动，这就是平衡状态，这个时候质点所受的作用力、反作用力与质点的惯性力组成了零力系，实际上质点是处于假设的平衡状态，也就是相对平衡。
2 对杆件“内力”概念的讲解
在工程技术实际操作中，构件的内力计算是普遍存在的（如悬梁、传动轴、桥梁等），但内力的概念抽象，常常让学生感到含混不清。如何让学生更好地掌握内力的概念、判断截面内力的方向呢？这是工程力学课程需要重点解决的问题。要了解构件的内力，还需要对所受的外力作出分析，那么内力和外力是怎样一种关系呢？他们就类似于初中物理中学过的的拉力与摩擦力的关系。拉力作用于物体，会使物体产生，但是在物体运动之前，摩擦力等于拉力，并随着拉力增大而增大，但增大到一个最大值后，就不会再增大了，即摩擦力有个最大值，就是最大静摩擦力，此时，拉力如果继续增大，就会让物体运动。内力和外力的关系类似于摩擦力与拉力的关系。在构件没有被破坏之前，内力等于外力，并随着外力增大而增大，但增大到一个最大值后，就不会再增大了，这就是内力的最大值，此时，外力如果继续增大，就会破坏构件的结构。了解了内力和外力的关系后，再进行构件内力的分析，在工程力学中求内力往往采用截面法。介绍截面法时，应具体地讲述截面法的步骤，采用截面法的必要性，只有用截面法才可以分析梁的内力情况，对梁的应力可以作进一步的分析。所以先用截面截开梁，将梁的内部露出来，再来分析梁的的内力分布情况。下面介绍一下具体的分析方法：用截面假想把构件分成A、B两部分（如下图），取出A部分，对于A部分进行受力分析，除受外力F1、F2和F3外，在截面上还有来自B部分的作用力，这就是内力。A部分在上述外力和内力的共同作用下保持平衡。类似地，如取出B部分，则它是在外力F4、F5和截面上的内力共同 作用下保待平衡。至于部分B的截面上的内力则是来自A部分的反作用力。根据作用和反用定律，A、B两部分在截面上相互作用的内力，必然是大小相等方向相反的。对于内力这个概念有两个总结：第一，内力是在外力作用下，由于变形而产生的附加内力；第二， 这种内力随外力的增大而增大， 但不会无限增大， 内力达到某一极值， 材料将发生破坏。掌握这些结论性的秘诀，一方面可以将较复杂、理论性较强的内力计算和方向判断简单化；另一方面又可做到理论与实际相结合。十多年的教学实践证明，学生对这种方法较易接受，且记忆比较牢固，学习效果很好。
3 对比法分析工程力学中四种变形的概念
在工程力学的教学中，四大基本变形是材料力学的主要内容，学生在学习四种基本变形时， 往往把几个内力混淆， 惯性矩与极惯性矩也分不清，怎样在教学中能够讲清这四种基本变形，也不是一件容易的事。在教学中如果采用对比分析的方法来讲解这四种变形，会更容易理解。这四种基本变形， 虽然受力及变形特点各不相同，但这四种变形的研究方法基本相似：首先，这四种基本变形都是按照“外力分析—内力及内力图—应力分析—建立强度条件”的方法来研究的；其次，都使用了截面法求内力；另外强度公式相似， 分子都是表示内力的量， 分母都是与截面形状和尺寸有关的几何量。因而， 只要掌握了一种变形的研究方法，其它几种变形就很容易理解，关键对比分析其中不同之处。为了区别这四种变形的不同，可以从生活中寻找例子，如用弹簧来说明拉伸压缩变形的受力特点，拿剪刀剪布、剪纸等例子来说明剪切变形的受力特点；用方向盘来说明扭转变形的受力特点；在弯曲变形中就拿晾衣杆等来说明弯曲变形的受力特点，这样，通过具体的观察、形象的思考、抽象的分析这些从具体到抽象的认识过程，有效地促进难点的转化。
总之，很多同学都认为《工程力学》是一门很难的学科，其实，只要掌握了一定的方法就能迎刃而解，对课程的概念、公式是很容易掌握的。
参考文献：
[1]工程力学教学中的几点探索[J].长沙铁道学院学报，2005（6）.
[2]罗澄清.关于工程力学教学的探讨[J].太原城市职业技术学院学报，2006，（1）.
【关键词】物理学 工程力学
首先从广度上看，物理学涉及了力学、电学、热学、光学、原子物理学等，而工程力学只涉及了物理学的力学部分；物理学是一门为学习专业基础课（如《电工电子学》《工程力学》等）打基础的学科，而工程力学是为学习专业课（《矿山压力与控制》《井巷工程》等）打基础的学科。所以对于高职院校的学生来说，难度要求降低了，专业要求提高了。教师在授课时，要帮助学生克服畏难情绪（特别是对“文科”学生而言），明确告诉学生，在专业课的学习中也许用到工程力学中的一个“点”，但我们现在就要学好一个“面”。从而调动学生的学习积极性，激发学生的学习热情，为今后学习打下良好的学习基础。
第二，从宏观上看，工程力学与物理学有很多相通的地方，从微观上看又有很多不同的地方。例如，在静力学中，从物理学角度出发，为了研究问题的方便，在许多情况下可以将物体看成质点，只有在研究物体的转动问题时才将物体看成刚体，而在工程力学中却不能忽略物体的大小和形状，只能将物体看成刚体；在物理学中，即使将物体看成刚体也无需考虑物体的形变，而在工程力学中，我们必须考虑物体的承载能力（即强度、刚度、稳定性），从而必然要研究物体的形变，此时要将“刚体”假设成“变形固体”。
第三，学好物理学必须掌握一定的数学知识，尤其是在大学阶段，不具备《高等数学》手段，就不能解决物理问题；而学好工程力学除了掌握一定的数学知识外，还必须具备相关的其他专业课（如《工程制图》《机械制造》）的知识。这就不但要求学生要学好相关知识，同时要求教师也要掌握相关知识。
在物理教材中，有一部分概念学生是不知道它们是怎样得来的，也不知道为什么要引入某一概念。比如讲到“杠杆”这一节时，如果在引入杠杆概念前提问学生什么叫杠杆？很多学生会被问得哑口无言，直到学生照书本上读出原句才能解围。但以这们的方式引入和讲解概念是不符合学生认识规律的。其实，任何物理概念都是有事实基础的，教师应精心选择最好的事例，最好的演示，最好的实验，向学生提供直观材料，让学生进行观察、分析、比较，透过形形的现象全力抓住事物的本质特征，并能启发学生用自己的语言概括出本质特征来。
一、教师应当创造条件，使学生在有关物理事物、现象中“漫游”
列举大量的事实，唤起学生已有的感性知识，或进行实验，或组织有关实践活动，使学生从实验观察中获得一些感性知识。其目的是使学生对有待研究的事物有一个明晰的印象。在这个过程中，教师要着重引导学生善于观察，达到了解现象、取得资料、发掘问题和勤于思考的目的。
比如，在教学能量概念的教学中，如果只是简单地告诉学生“一个物体能够做功，这个物体就具有能”，是不符合概念教学程序的，从而也不可能给学生留下深刻的印象。
英国汤姆·邓肯所著的“探索物理知识”一书中，对能量这一重要概念，是从“人做工，需要不断地补充足够的食物”这一生活常识谈起的，提出是不是所有做工都需要“进餐”，机器做工是否也需要“加餐”等一系列有趣的问题。例如，他令学生观察、思考下列问题是否需要“进餐”：
吹胀一个气球；两手拉着一个橡皮带，将它一拉一松；爬山；学习历史；自动手表看上去上发条；真空除尘器吸取尘土；在游泳池里水将人浮起；直升飞机在空中盘旋；……
实际上，提出上述一系列的有趣问题，就相当于引导学生在有关事物、现象中“漫游”！最后得出结论：食物和燃料是能量的仓库，正是这些能量使人或机器做工。如果按照上述内容和形式进行“能量”课题教学，也将很容易得出我们现行课本中关于能量的定义，即一个物体能够做功，我们就说这个物体具有能。而且，课堂教学气氛也将会生动活泼的。
二、引导学生进行比较、分析、综合、概括，排除次要因素，抓住主要因素
例如，教学“功”的概念。
首先，我们可以列举大量的机械工作的实例引入教学。由于学生对此有丰富的感性知识，所以，教师利用生动的板画便可以唤起学生已有的感性知识。如，用一根直杆（杠杆）撬动石头，起重机吊起重物；人推着汽车前进等，使学生对机械工作有一个初步印象。进而引导学生分析机械工作的特点：直杆给石头一个力的作用，且使重物升高；起重机给重物一个力的作用，重物升高距离，人给汽车一个力的作用，且使汽车前进。
不难得出：尽管各种机械（包括人）的构造不同，工作对象也不同，但它们工作时具有的共性是：第一，机械（或人）必须给工作对象施加力的作用；第二，工作对象沿着这个力的方向移动一段距离。可见，力和沿力的方向的距离移动，是机械工作所不可缺少的两个因素。从而总结概括出：当物体在外力的作用下，沿着力的方向移动一段距离时，我们就说力对物体做了机械功。简称功，并定义为：功等于物体所受的力和物体在力的方向上移动的距离的乘积。如果用符号W表示功，用符号F表示力，用符号S表示物体沿力的方向移动的距离，则得W=FS，功的单位是焦耳。功有大小，没有方向，因而是标量。
三、通过与有关、相近概念的对比，以及进行适当的练习运用，来巩固、深化概念的理解
培养学生善于从现象中抽象概括出事物的本质特征的同时，还可以让学生学会将新旧物理概念进行类比的方法。当然被类比的两物理概念必须有某些属性的相似。这样既加深了对旧概念的理解，又为引新概念铺平道路，一举两得。
例如：密度概念，压强概念，速度概念，功率概念等就可进行类比。这四个概念中最早接触的是速度概念。让学生理解作匀速直线运动的物体快慢程度可用相同时间通过的路程来表示。而这个相同的时间一般取单位时间，因此匀速直线运动快慢就用单位时间内通过的路程来表示速度。这样在讲密度时当学生知道相同体积不同物质的质量不同，让学生思考如何表示物质的这个特性呢？让他们可用类比方法，类比出单位体积的质量来表示物质的特性，这样就能顺利地引入密度概念。
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关键词：电动势；概念教学；思维加工
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）6-0014-3
课程目标与教学目标都要通过学生经历特定的学习过程来达成。物理概念教学的目标之一是形成正确的概念。学生需要在获得足够的感性材料的基础上，运用各种思维方法，对感性材料进行思维加工，进而抽象概括出事物的本质属性，从而形成概念[1]。下面以“电动势”的教学为例，探讨物理概念教学中的思维加工策略。
1 设置认知冲突，激发思维活动
转变错误前概念有利于学生在原有知识储备的基础上形成科学认识，这对提高概念教学的效率大有裨益[2]。学生在初中物理的学习的基础上，容易形成“电源电压恒定不变”的错误前概念。电动势概念的教学可以尝试从转变这个前概念引入。
展示生活中熟悉的一些电池，干电池有1.5 V的标志，纽扣电池有3 V的标志，锂电池有3.7 V的标志……提出问题：电池上的1.5 V、3 V、3.7 V等标志有什么含义？是电压吗？
实验1：按图1所示连接电路，将一节标有1.5 V的干电池与电压表接入电路。闭合开关，观察电压表的读数。
实验2：再接上一个小灯泡，按如图2所示连接电路。闭合开关，观察到电压表的读数变小。为了避免偶然性，还可以再并联几个小灯泡，发现并联的灯泡越多，电压表的读数越小。
由于前概念的存在，学生会对实验2的结果感到惊讶，这是认知冲突的表现，由此激发了本节课的思维活动。在《普通高中物理课程标准（实验）》中，“电动势”概念属于二级主题“电路”。电动势是描述电源特性的物理量，而电路恰是电源表现这种特性的环境。电动势反映了电源的内部本质，而路端电压是电源的这种内在性质在电路中的外在表现。由外在表现深入内部本质，符合科学概念产生和发展的规律，也符合学生的学习心理。这样引入教学，为后面建立电动势概念，认识电动势与电压概念的区别，创设了良好的思维情境。
2 通过类比思维，建立新的概念
类比作为一种思维方式，不仅在科学研究中有重要作用，还是中学物理教学中广泛采用的类比教学法的重要基础。建构主义学习理论解释了类比法使用的合理性[3]。对于电动势这类抽象的概念，可通过类比思维加工，降低理解的难度。认识“非静电力”是理解电动势概念内涵的关键。
图3中ACB为一段弯曲的滑轨，小球从滑轨的顶端A自由释放，经过滑轨下滑到达底端B。若要循环此过程，须通过“非重力”做功将小球从B搬回到A再释放。将弯曲滑轨上的力学过程与闭合电路中的电学过程（图4）进行类比，引入“非静电力”。通过非重力做功和非静电力做功的类比，形成电动势的概念。
需要强调的是，使用类比的思维加工策略时，参与类比的事物或过程在物理本质上应当具有一致性。图3与图4所示的物理过程的类比，从做功与能量转化的本质关系上讲是一致的。通过类比的思维加工，分析电源的作用，引出“非静电力”的概念。类比的关键是引导学生基于功和能的观点，将非静电力做功的本领与电源本身转化能量（即提供电能）的能力联系起来，最终建立起电动势的概念。
引导学生讨论怎样描述非静电力做功的本领：非静电力搬运电量为q的正电荷从负极到正极做功W。搬运电量为2q的正电荷呢？搬运电量为3q的正电荷呢？……在归纳出功和电量的比值是定值之后，再引导学生分别从功和能的角度分析该比值的物理意义：一方面表示电源非静电力做功的本领，另一方面表示单位电量的电荷通过电源获得的能量。
3 通过辩证思维，全面理解概念
电动势虽然是个抽象的物理概念，但又是一个可测量的物理量，这恰恰是电源的内在特征和外在表现两者之间矛盾的统一。电动势是电源本身的性质，与电源所处的外部环境（是否接入电路或如何接入电路）没有关系。而电源的这种特性只有在接入电路，发挥其功能时才能表现出来，由此产生了路端电压和电源内阻的概念。围绕这对矛盾的辩证关系，可引导学生设计实验，探究闭合电路中外电路电阻与路端电压的变化关系。
实验3：将图2电路中的小灯泡换成滑动变阻器，如图5所示。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，观察到电压表读数随之变化。
问题1：可以将电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”吗？为什么？
问题2：电源两端的“电压”和电源的“电动势”有可能在数值上相等吗？
路端电压的变化是由于外电路电阻与电源内阻的比例关系发生变化而导致的，于是在“做”实验的过程中自然形成了电源内阻的概念。更重要的是，引导学生思考此变化关系的本质――电源提供给整个电路的电能的分配关系，从而站在电路的视角，认识电动势的物理意义。通过辩证的思维加工，从不同的视角理解电动势的概念，可以更全面地把握概念的内涵。
4 通过批判性思维，深化概念理解
批判性思维是指，为决定相信什么或做什么所进行的合理的、反省的思考[4]。物理思维属于科学的思维方式，本身就决定了其应当具有批判性。实验3的探究完成之后，学生在实验1与实验2的比较中产生的认知冲突得到了化解，实现了由前概念到科学概念的转变。至此，本节课的任务似乎已经完成，然而，学生对电动势和电压这两个概念的本质区别还不一定真正理解。在问题1和问题2的基础上，通过批判性思维的加工，可提出下面的问题：
问题3：不能把电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”，仅仅是因为两者在数值上可能不相等吗？
问题4：“电压”与“电动势”虽然都可用“伏特”作为单位，但是，在本质上有什么区别吗？
问题5：实验1中电压表的读数真的和电源电动势在数值上相等吗？换句话说，实验1真的可以测量电源的电动势吗？
问题6：有办法准确测量电源电动势吗？“准确”意指排除电表内阻的影响。
通过问题3和问题4，引发对于“电动势”与“电压”本质区别的思考。其关键是基于功和能的观点，从做功的力与能量转化的方向两个方面，对电动势与电压两个概念进行辨析，深化概念的理解。问题5和问题6通过反思实验过程，激发学生进一步钻研的兴趣，使本节课中思维品质的教育价值得到充分挖掘和体现。
以上分析了电动势概念教学中的思维加工策略：在解决认知冲突的问题驱动下，引入概念；通过类比的思维加工，形成概念；通过辩证和批判性的思维加工，深化对概念的理解。综上，学生在形成新的物理概念的过程中，需要经历丰富的思维活动，获得充实的思维体验。这种体验应当是一种螺旋式、上升式的思维过程，并充分体现批判性。
参考文献：
[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.
[2]赵娜，张磊.物理“前概念”与任务驱动教学[J].中学物理，2014，（20）：3.
[3]唐凤，唐利强.类比教学的理论基础及其对物理教学设计的启示[J].当代教育理论与实践，2014，（5）：21.
[4]张大昌，等.普通高中课程标准实验教科书《物理?必修①》[M].北京：人民教育出版社，2010.
（海军航空工程学院 基础部，山东 烟台 264000）
摘 要：“打牢基础，提高能力”是计算机基础课程教学“向实战聚焦，向部队靠拢”的出发点和落脚点。文章分析学员特点，在任务驱动教学法的基础上，提出将任务分层，采用分层任务驱动教学法实现学员动手能力阶梯式提高，同时引入概念图工具作为教和学的辅助工具，构建思维过程，记录思维的发生，促进学员自学，提高教和学的效率。
关键词 ：计算机教学；任务驱动；概念图；分层
第一作者简介：刘瑜，女，讲师，研究方向为计算机教育、自动测试，Hmily12260518@163.com。
0 引 言
当代战争是信息化战争，国内外形势对学员的信息技术水平提出了更高的要求。计算机基础课程的教学承担着学员计算机应用能力和计算思维的培养。教员在教学中运用何种教学方法提高教学效果，使学员掌握扎实理论的同时能将知识应用于实践，提高学员自学能力和解决问题的能力，促使学员养成持续学习的自觉性，是计算机课程教学改革的出发点和落脚点。
计算机教研室担负着全院学员的计算机课程教学，针对以上需求，以“打牢基础，提高能力”为主线，充分挖掘不同专业、不同层次学员的特点和需求，通过基于概念图的分层任务驱动教学法实现学员能力的阶梯式提高，提高学员的动手能力，增强学员学习兴趣，提高学员团队合作能力，达到教学效果的最优化。将概念图作为展现任务解决思路和归纳整理课程知识的工具，记录任务完成的思维过程，可以使零散知识之间的关联以可视化的形式呈现在学员面前，挖掘学员潜能，实现学员能力的全面提高。
1 探索适用于计算机基础课程的现代化教学方法和工具
教员作为教的主体，应在研究教学方法上下工夫。学员是学习的主体，要充分发挥主体作用，自主完成知识的构建。使用学习工具可以起到事半功倍的效果，因此选取适当的学习辅助工具将有效改进学员的学习效果。教员应深入研究课程内容，分析学员解决问题的思维过程和学习特点，研究现有教学方法和学习辅助工具，从而找出适合计算机课程特点的有效的教学方法。
1.1 概念图工具在学习中的应用
常言道：“百闻不如一见”，“一图胜过千言”，如果将知识以图解的方式表示出来，将加速思维的发生，为知识的理解提供很好的辅助和补充。
概念图作为知识可视化工具应用于课堂具有得天独厚的条件。概念图的实现方式灵活，可以使用专门工具或者纸笔绘制。在教师授课和学员自主学习过程中，概念图是很好的知识阐述工具。通过概念图，教员可以把概念阐述清楚，把原理分析透彻，加快问题解决过程中思维的发生。概念图可以辅助学员进行知识整理，对于纷繁零散的知识，学员通过概念图将知识脉络绘制出来，体现知识之间的联系，形成知识网络结构，有助于深刻理解课程内容。在学员解决问题的过程中，利用概念图将思维的发生记录下来，形成思维过程，有助于问题的解决[1]。
按照最新课程标准的要求，大学计算机基础课程要讲授七大部分内容，包括计算机基本信息表示、计算机系统、计算机网络与应用、计算机应用技术、信息安全基础、计算思维与计算机问题求解。课程内容宽泛，知识点多，授课学时较少，因此教员授课应“有点有面”。教员在授课过程中重点讲授“点”，对于“面”的内容不做重点讲授，需要学员在课后加工整理，这对学员的归纳能力和自学能力提出了更高的要求。
将概念图工具应用到2013级学员大学计算机基础课程的授课中，取得了很好的教学效果。概念图为学员提供了一项管理纷繁知识的技术，辅助归纳整理学习思路。绘制概念图的过程也是知识再加工的过程，可以将知识以可视化的形式表现出来，用概念图描述课程的主要内容及内在联系，缩短学员认识教材的过程，加深学员对知识点的理解和应用，提高学习效率。
1.2 任务驱动法应用于实践性强的课程
任务驱动法非常适合实践性强的课程，在设计任务时，教员应注意分析课程教学的总目标，在总目标的框架内将大任务细化为一个个容易掌握的小任务，通过这些具体任务的实施实现总的教学目标，运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统，培养学员应用计算机解决实际问题的意识，养成积极主动地学习和应用信息技术的习惯[3]。
2 基于概念图的分层任务驱动教学法的内涵
2.1 将任务分层，促进学员实践能力阶梯式提高
“任务驱动”教学法是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学方法,符合探究式教学模式,适用于培养学员的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力[2]。计算机类课程是操作性很强的课程,几乎所有需要学员掌握的理论,都建立在一定的技术基础上。如果学员熟练地掌握操作技术,就能够在此基础上对相应的理论有更深刻的理解。教员运用分层任务驱动教学法,把理论知识按难易程度分解成若干个层次,包含在各层具体任务中,让学员在完成任务的基础上学会应用相应的理论知识[3]。
对于学员,计算机相关知识比较抽象,陌生名词多、难点集中，如果教员突然给出一个任务，有可能使学员产生畏难情绪,失去完成任务的信心。教员应在深入研究任务驱动教学方法的基础上，挖掘课程内知识的层次结构，将知识由表及里分成若干个层次，并将任务进行细分，每个层次的知识对应相应层次的任务。每个层次的任务上下衔接、环环相扣、步步深入，使整个教学形成一个有机的整体。使用分层任务驱动教学法进行教学,可以帮助学员建立一条由表及里、层层深入、精益求精的学习途径。
分层任务驱动法的优点在于以一个个经过教员认真划分的小任务为导向,使学员在知识的深入学习过程中完成学习目标，伴随而来的是学员的成就感、浓厚的学习兴趣和高涨的学习热情,将有效提高教学效果。
2.2 将概念图作为分层任务驱动教学法的有力支撑
虽然分层任务驱动教学法为激发学员的主动性、提高学员的实践能力开辟了道路，但任务的顺利完成要以理论为支撑。分层任务驱动教学法实施中经常出现学员思维混乱、无从下手的情形[4]。因此，教员如何在教学过程中帮助学员衔接知识、疏通思路，是分层任务教学方法顺利实施的关键之一。
基于概念图的分层任务驱动教学法是指将概念图作为知识可视化工具和思维工具，运用于分层任务驱动教学法中，以提高学员知识建构能力和实践能力为宗旨，达到教学效果最优化。在基于概念图的分层任务驱动教学法中，概念图的作用主要体现在以下两个方面。
（1）帮助学员完成知识建构，提高学员自学能力。程序设计类课程的内容与应用联系紧密，实践性较强，但实践要以理论为支撑。要想学员学好理论，仅靠教员课堂讲授远远不够，还需要课后复习消化，将知识真正变成自己的知识。对于较简单的知识，将由学员自主完成；对于有一定难度的内容，教员利用概念图工具将要求学员掌握的知识以概念图节点的形式绘制出来，为学员的学习整理提供支撑，让学员添枝画叶，形成知识框架。概念图绘制完毕后，整个章节的知识网络以可视化的形式显示在学员面前，提高学员的成就感。
（2）用概念图展现思维过程，加速思维的发生。教员给出任务后，引导学员将所有围绕主题的想法都写下来,再对想法进行加工，画出初步的概念图，重新思考，新的想法就可能产生，再经过不断修改，直至学员能清晰地确定任务的解决方法。
分层任务驱动教学法需要学员团队合作、共同完成。首先由每个学员画出自己的想法,然后将各人的概念图合并，决定取舍，根据需要再加入新想法，最后重组为一个共同的概念图。在这个共同思考的过程中，碰撞出思想的火花，迸发出创造的思维，产生更多创意。
基于概念图的分层任务驱动教学法中，每一层任务都是概念图中的一个大节点，层与层之间的联系体现在节点的联系中，下一层的解决方法和用到的知识点都体现在概念图中，是学员解决下一层任务的基础。
3 基于概念图的分层任务驱动教学法在计算机基础课程中的应用
3.1 应用范围
程序设计类课程的教学注重理论的讲解，更注重培养学员的动手能力。教员可将基于概念图的分层任务驱动教学法应用于计算机程序设计课程中，注重任务设计，将任务进行分层。理论讲解由浅入深，任务设置由易到难，适应各层次理论的实践需求。教员指导学员以概念图为工具绘制探究思路，进行小组合作，实现了学员知识和技能阶梯式的提高。
大学计算机基础课程知识点多，需要学员课后理清知识点之间的关系，对学员自主学习能力提出了更高的要求。教员将概念图作为学习辅助工具推荐给学员，讲授绘制概念图的方法和要领，帮助学员消化整理。
3.2 实施过程
2013年，我们基于2012级学员的计算机程序设计课程的授课任务进行教学试验，随机选取实验班和对照班，验证基于概念图的分层任务驱动教学法应用于程序设计类课程的可行性和有效性。
在实验实施过程中，学员首先分析任务，将每个层次的任务作为概念图的第一层节点，将节点细分为小问题,然后找出与小问题关联的概念、规则、方法作为节点的枝叶，通过解决问题的全景图找出突破口,从而展开思路找到解决的方法。学员通过小组讨论循环往复地绘制、修改、反思、再设计概念图,在完善概念图的同时完成各层任务。每层任务都与知识点相关联，学员学得扎实，实现相对容易，同时也比较容易暴露学员的知识弱点，提高学员解决问题的能力。
3.2.1 基于概念图的分层任务驱动教学法的实施案例
在采用基于概念图的任务驱动教学法进行授课时，应遵循“任务设计—任务分层—应用概念图—完成分层任务—完成总任务”的过程。
例如在计算机程序设计课程中，循环嵌套的知识较难理解，学员掌握起来有一定的困难，设计任务要求学员用二重循环的方式在屏幕上输出一个99表，将任务分为以下几层。
（1）输出一行由m个“*”组成的图形。
（2）输出由“*”组成的m*n矩阵，printf语句只能每次输出一个“*”。
（3）输出由“*”组成左三角形图形。
（4）将任务3中的“*”换成积。
（5）输出1*1=1 2*2=4 9*9=81格式的三角形99表。
最终概念图如图1所示。
在讲解循环时，根据知识的深度，抛出任务的不同阶段，让学员分层次完成。根据上述任务，学员依次完成了单重循环、二重循环嵌套、利用循环嵌套输出各种矩阵图形的知识建构，最终实现了99表的打印输出。学员在完成任务的同时，找出自身知识弱点，各个击破，最终实现目标，既深入理解了知识，又达到了应用的目的，极大地提高了教学效果。
3.2.2 概念图作为学员自主学习辅助工具的实施案例
大学计算机基础课程是学院本科学员的公共限定选修课，课程内容丰富，知识点多，有的知识点较抽象，学员接受有困难。课题组在授课过程中将概念图作为学习辅助工具推荐给学员，通过绘制概念图体现知识之间的层次和联系，帮助学员梳理知识。如在讲解计算机组硬件系统时，由于硬件系统由许多的硬件设备组成，在学习时又是单独的知识点，因此用概念图表示知识的关联有助于学员消化理解。
计算机硬件组成概念图如图2所示。
利用概念图辅助学员进行知识的建构，缩短了学员认识教材的过程,有助于增强记忆与巩固知识,加深对各知识点的理解及应用,提高了学习效率,受到学员普遍欢迎和认可。
3.3 实施效果
在实验过程中，课堂气氛活跃，学员学习主动性高，能够在教员给定的任务基础上进行扩展并深入学习。学员频繁交流互动，探讨知识应用过程存在的问题和解决方法，从本质上把握问题的关键所在。教员将概念图在实验班学员中推广，利用概念图辅助学员学习，使他们对该门课程的知识结构有一个直观、系统的认识。将概念图作为分层任务驱动的思维激发工具，记录思维亮点，梳理解决思路，大大提高了学员探究的效率和信心。课程授课结束后，经考核发现，实验班学员考核成绩明显高于对照班，学员知识掌握程度相对扎实，圆满完成了给出的任务，任务解决方法较对照班灵活多样。
4 结 语
教学实践证明，理论与实践相结合，辅以多种形式的教学方法，是适宜部队计算机教学、提高教学质量的合理途径；“打牢基础，提高能力”是计算机基础课程教学“向实战聚焦，向部队靠拢”的出发点和落脚点。在计算机教学方面，教员只有做到准确定位，根据不同的教学对象灵活运用教学方法，才能有效地激发学员学习的主动性、积极性，提高课程教学效率；在因人施教的教学中，教员应注意引导学员学习计算机知识的学习方法，培养学员的自学能力，使课程以新的内容与新的形式展现在学员面前，实现学员能力的全面提高。
参考文献：
[1] 刘晓霞. 概念图知识表示方法的研究[J]. 计算机应用与软件, 2001(8): 56-59.
[2] 胡啸. 任务驱动法在计算机基础教学中的应用[J]. 软件导刊, 2013(1): 171-172.
[3] 梁建军. 分层教学、任务驱动的教学实践与探索[J]. 天津职业院校联合学报, 2007(9): 75-77.
关键词：概念图 ； 高中计算机教学； 应用
新课改和计算机的学科特点都要求教师在教学过程中积极研究、探讨，寻找更行之有效的方法，培养学生的信息素养和学习能力，提高教学质量和教学效果。概念图作为表征知识的工具，旨在激发学生学习计算机的兴趣，通过多样化的学习策略帮助学生更好地认知与学习。本文从概念图的内涵和教学功能入手，简要论述了概念图在高中计算机教学中具体应用。
一、概念图的内涵
概念图最早是由美国的Novak博士在20世纪60年代根据意义学习理论发明的一种学习管理方法。它由节点、连线、层级、命题四个要素构成，以认知理论为基础，把知识的内部组织方式转化为概念命题的层次网络图模式，它帮助学生理解相关概念，明晰概念之间的联系，然后用更具体的概念加以填充。概念图这一知识学习管理方法逐渐应用于教学领域中，相比于其它学习方法，概念图的认知层次更深，基于概念图自身的结构化特点，绘制图形使信息的可捕捉性更强，信息的统计更加直观、形象。在概念图的绘制过程中，学生能够形成自己的认知组织模式，从整体上把握知识，加强知识之间的内在联系，概念图把旧知识和新知识通过图形的形式概括起来，不仅能加深学生的记忆，还有利于学生形成良好的思考和认知结构。
二、概念图的教学功能
概念图作为帮助学生认识的教学策略，可以用于不同的教学环境。了解概念图在教学活动中应用的不同类型及教学功能，可以更好地发挥它的效用。概念图在具体的教学实践中更具有以下功能。
1.知识表达工具
在教学过程中，概念图可以作为展示教学内容的工具，教师可以通过概念图的应用让知识理解的可视化，此外，概念图展示的完整直观的知识结构框架，帮助学生了解教师的教学过程，明确本次课的教学任务和目标，为具体知识概念、命题的讲授打下良好的基础。
2.学习工具
概念图除了帮助学生加强概念之间的关系，也使知识的整合过程的意义更加明晰。概念图在教学过程中应用，有助于学生保持长期的记忆。Jonassen认为当学习者用图形的形式来表达自己的思想时，最有助于思维的激活。概念图作为一种学习工具，可以在各种学习策略中加以应用和发挥，它不仅有利于知识的整合、建构和识记，更有助于学生将所学的知识的长期储存，通过绘制与主题相关的知识结构，在所学的知识结构中注入新的概念、命题，进一步对学习过程进行有效修正等。
3.评价工具
概念图可以进行形成性评价和总结性评价，概念图不仅可以反映学生的理解程度，概念图还可以用于学生的自我评价。通过对某一知识点、某一章节课程绘制概念图，可以帮助学生查缺补漏、复习所学、巩固记忆，并且了解自己所学知识的掌握情况，及时解决学习过程中的存在的问题，进而提高学习质量和效率，获得较好的学习效果。
三、高中计算机教学中概念图的实践应用
计算机学科是一门思维方式复杂、创造性高、逻辑性强的学科，在计算机课程设计中可以找到许多的工程图和流程图，这就需要利用图例把计算机的复杂的知识结构以符号的形式表现出来，这无疑是一个繁琐的创作过程，学生很难在短时间内熟练地使用软件，而概念图在计算机教学中的应用，恰好解决了这一难题，大大提高教学效率。
以“网上搜索”为案例：
教学准备：
在学期伊始，对某班级进行分组，准备以小组为组织方式开展新的学习模式。该班共有52名学生，其中男生30名，女生22名，根据学生的学习状况和性格差异将学生分为6组，每组8到9名成员，每组5台电脑，选择一名概念图掌握较好、自主学习能力强的学生担任组长，具体负责小组其它成员的学习活动。
教学内容：学习搜索引擎以及搜索方式
教学目标：学会利用网络进行信息搜索，并对收集的信息进行筛选和分工，用概念图对环境污染问题进行分析，培养学生的创新精神、自主学习能力、团队精神和协作能力。
教学策略：教师讲授示范后，要求学生学会利用网络搜索自己所需要的信息，并对搜索到的信息进行有效的处理、加工，提高学生的技能素养。明确概念图的构图任务，学生依据具体情况选择制图工具，比如纸、笔、Microsoft Word 软件制图等。
教学方法：采用演示法，讲解搜索引擎和搜索方法的使用，制定“环境污染”的概念图的绘制任务，调动学生的积极性，锻炼学生上机操作能力。
课时：2课时教具：计算机网络
教学流程：
1、创设情景。教师根据所要解决的问题，创设具体的情景。介绍如何搜索引擎和常用的搜索方式，演示上机操作的网上信息查找方式，之后出示环境污染的图片、视频资料，使学生对“环境污染”有一定的感性认识，创设有福安污染问题的概念图。
2、组长分工，明确小组成员的具体制图任务。比如，组长可以安排三名同学负责制作大气污染的概念图，两名同学负责噪声污染的概念图等，遇到困难可以进行小组交流或向教师寻求帮助。
3、小组成员做概念图。小组成员按照组长的安排完成各自的收集任务，自主、合作、整合，共同完成概念图的制作。
4、组际交流概念图。各小组将自己制作的概念图展示给教师和同学，其它小组可提出自己的看法与质疑，锻炼学生的批判和反思能力。
5、归纳总结、修正完善。教师对各小组的表现进行总结，解答疑问，完善小组概念图，最终制作出最佳概念图。
教学评价和反思：小组互评和教师点评后，各小组针对本次教学活动写一份总结。
在计算机教学中，概念图是值得推广的教学方法之一，它的应用不仅帮助学生更好地掌握与运用知识，而且还锻炼了学生独立思考、探索和解决问题的能力。
参考文献：
[1]裴新宁：概念图及其在理科教学中的应用，《全球教育展望》，2001年第8期
[2]齐伟：《概念图/思维导图在教学中的应用实例》，《教育技术导刊》，2005年7月
关键词：电动势；概念教学；思维加工
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）6-0014-3
课程目标与教学目标都要通过学生经历特定的学习过程来达成。物理概念教学的目标之一是形成正确的概念。学生需要在获得足够的感性材料的基础上，运用各种思维方法，对感性材料进行思维加工，进而抽象概括出事物的本质属性，从而形成概念[1]。下面以“电动势”的教学为例，探讨物理概念教学中的思维加工策略。
1 设置认知冲突，激发思维活动
转变错误前概念有利于学生在原有知识储备的基础上形成科学认识，这对提高概念教学的效率大有裨益[2]。学生在初中物理的学习的基础上，容易形成“电源电压恒定不变”的错误前概念。电动势概念的教学可以尝试从转变这个前概念引入。
展示生活中熟悉的一些电池，干电池有1.5 V的标志，纽扣电池有3 V的标志，锂电池有3.7 V的标志……提出问题：电池上的1.5 V、3 V、3.7 V等标志有什么含义？是电压吗？
实验1：按图1所示连接电路，将一节标有1.5 V的干电池与电压表接入电路。闭合开关，观察电压表的读数。
实验2：再接上一个小灯泡，按如图2所示连接电路。闭合开关，观察到电压表的读数变小。为了避免偶然性，还可以再并联几个小灯泡，发现并联的灯泡越多，电压表的读数越小。
由于前概念的存在，学生会对实验2的结果感到惊讶，这是认知冲突的表现，由此激发了本节课的思维活动。在《普通高中物理课程标准（实验）》中，“电动势”概念属于二级主题“电路”。电动势是描述电源特性的物理量，而电路恰是电源表现这种特性的环境。电动势反映了电源的内部本质，而路端电压是电源的这种内在性质在电路中的外在表现。由外在表现深入内部本质，符合科学概念产生和发展的规律，也符合学生的学习心理。这样引入教学，为后面建立电动势概念，认识电动势与电压概念的区别，创设了良好的思维情境。
2 通过类比思维，建立新的概念
类比作为一种思维方式，不仅在科学研究中有重要作用，还是中学物理教学中广泛采用的类比教学法的重要基础。建构主义学习理论解释了类比法使用的合理性[3]。对于电动势这类抽象的概念，可通过类比思维加工，降低理解的难度。认识“非静电力”是理解电动势概念内涵的关键。
图3中ACB为一段弯曲的滑轨，小球从滑轨的顶端A自由释放，经过滑轨下滑到达底端B。若要循环此过程，须通过“非重力”做功将小球从B搬回到A再释放。将弯曲滑轨上的力学过程与闭合电路中的电学过程（图4）进行类比，引入“非静电力”。通过非重力做功和非静电力做功的类比，形成电动势的概念。
需要强调的是，使用类比的思维加工策略时，参与类比的事物或过程在物理本质上应当具有一致性。图3与图4所示的物理过程的类比，从做功与能量转化的本质关系上讲是一致的。通过类比的思维加工，分析电源的作用，引出“非静电力”的概念。类比的关键是引导学生基于功和能的观点，将非静电力做功的本领与电源本身转化能量（即提供电能）的能力联系起来，最终建立起电动势的概念。
引导学生讨论怎样描述非静电力做功的本领：非静电力搬运电量为q的正电荷从负极到正极做功W。搬运电量为2q的正电荷呢？搬运电量为3q的正电荷呢？……在归纳出功和电量的比值是定值之后，再引导学生分别从功和能的角度分析该比值的物理意义：一方面表示电源非静电力做功的本领，另一方面表示单位电量的电荷通过电源获得的能量。
3 通过辩证思维，全面理解概念
电动势虽然是个抽象的物理概念，但又是一个可测量的物理量，这恰恰是电源的内在特征和外在表现两者之间矛盾的统一。电动势是电源本身的性质，与电源所处的外部环境（是否接入电路或如何接入电路）没有关系。而电源的这种特性只有在接入电路，发挥其功能时才能表现出来，由此产生了路端电压和电源内阻的概念。围绕这对矛盾的辩证关系，可引导学生设计实验，探究闭合电路中外电路电阻与路端电压的变化关系。
实验3：将图2电路中的小灯泡换成滑动变阻器，如图5所示。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，观察到电压表读数随之变化。
问题1：可以将电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”吗？为什么？
问题2：电源两端的“电压”和电源的“电动势”有可能在数值上相等吗？
路端电压的变化是由于外电路电阻与电源内阻的比例关系发生变化而导致的，于是在“做”实验的过程中自然形成了电源内阻的概念。更重要的是，引导学生思考此变化关系的本质――电源提供给整个电路的电能的分配关系，从而站在电路的视角，认识电动势的物理意义。通过辩证的思维加工，从不同的视角理解电动势的概念，可以更全面地把握概念的内涵。
4 通过批判性思维，深化概念理解
批判性思维是指，为决定相信什么或做什么所进行的合理的、反省的思考[4]。物理思维属于科学的思维方式，本身就决定了其应当具有批判性。实验3的探究完成之后，学生在实验1与实验2的比较中产生的认知冲突得到了化解，实现了由前概念到科学概念的转变。至此，本节课的任务似乎已经完成，然而，学生对电动势和电压这两个概念的本质区别还不一定真正理解。在问题1和问题2的基础上，通过批判性思维的加工，可提出下面的问题：
问题3：不能把电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”，仅仅是因为两者在数值上可能不相等吗？
问题4：“电压”与“电动势”虽然都可用“伏特”作为单位，但是，在本质上有什么区别吗？
问题5：实验1中电压表的读数真的和电源电动势在数值上相等吗？换句话说，实验1真的可以测量电源的电动势吗？
问题6：有办法准确测量电源电动势吗？“准确”意指排除电表内阻的影响。
通过问题3和问题4，引发对于“电动势”与“电压”本质区别的思考。其关键是基于功和能的观点，从做功的力与能量转化的方向两个方面，对电动势与电压两个概念进行辨析，深化概念的理解。问题5和问题6通过反思实验过程，激发学生进一步钻研的兴趣，使本节课中思维品质的教育价值得到充分挖掘和体现。
以上分析了电动势概念教学中的思维加工策略：在解决认知冲突的问题驱动下，引入概念；通过类比的思维加工，形成概念；通过辩证和批判性的思维加工，深化对概念的理解。综上，学生在形成新的物理概念的过程中，需要经历丰富的思维活动，获得充实的思维体验。这种体验应当是一种螺旋式、上升式的思维过程，并充分体现批判性。
参考文献：
[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.
[2]赵娜，张磊.物理“前概念”与任务驱动教学[J].中学物理，2014，（20）：3.
[3]唐凤，唐利强.类比教学的理论基础及其对物理教学设计的启示[J].当代教育理论与实践，2014，（5）：21.
关键词：概念图 协作学习 评价
近年来，随着建构主义的观点不断盛行，无论是概念图这种知识建构的学习工具，还是协作学习这种培养学生自主探究能力的学习策略，都越来越受到广大教育和科研者的重视和热爱。在协作学习中应用概念图，即协作建构概念图不仅是一种新的协作学习方式，同时也是一种新的概念图建构方式，而且无论是对概念图评价功能的发挥，还是对协作学习效率的提高都起到了巨大的促进作用。根据概念图的强大评价功能，笔者设计出了如图1的协作学习流程图：在协作学习各个环节中应用概念图来评价学生各个方面的能力。
一、明确目标，制定计划―引出概念图
教师在提出学习目标后，学生要具体分析所制定的目标，并且根据自身的实际情况确定小组所应达到的目标，同时，为了达到既定的目标还应该制定出详细的学习计划。小组成员在综合分析了各方面的因素之后，可用概念图将学习的具体过程呈现出来，清楚明了，让大家都能清晰地看到整个计划，这个时候绘制的概念图仅仅是呈现出一个学习过程，引出概念图的学习。所表示的是“多媒体作品制作”这节课所要进行的整个学习过程，这样，学生可以很清楚地看到自己应该完成的工作和任务。相比传统目录式的计划，概念图的形式更能刺激学生的感官，引导他们清晰地记住整个过程。
在这个过程中，主要是通过学生绘制协作学习过程概念图的逻辑性、紧密性以及可行性，来评价学生的逻辑思维能力和规划组织能力。
二、搜集资源，归纳整理―设计概念图
学生根据协作学习的任务，首先简单地设计出大纲概念图，然后通过各种途径来搜集相关的资料，以便为以后概念图的建构做好准备。在搜集的过程中，学生会搜集大量的信息，这就涉及到一个信息整理的问题，而这在传统的学习方法中是个老大难的问题，尤其是评价学生整理信息的能力更是难上加难。但是利用概念图就可以很好地解决这个问题，学生在不断搜集信息的过程中，可以随时将搜集到的资源进行归类概括，然后作为大纲各级目录的的下位概念，以分支的形式罗列在其下方。例如采用图3中的归类形式，将自己所搜集的丰富资料进行整理和归纳。在这个过程中，主要评价学生把握总体目标的水平和资源搜集的能力，具体是观察学生设计的大纲概念图的内容是否全面和丰富。这个过程相比传统方式来说更多的是评价学生的信息选择和归类能力。
三、协作建构，小组讨论―创造概念图
学生根据搜集到的资源信息、原有的认知结构和自己的理解深刻分析主题的核心内容和要素，并随时用概念图工具将各个重要概念和要素按照一定的层级结构用相应的连线和恰当的连接词表示出来。在制作概念图的过程中，绘制者要将制作的过程进行公开，使所有的本小组成员都可看见建构过程，并且在制作的过程中不仅要向大家阐述绘制的过程，还要对其中涉及的联系和使用的连接词进行必要的说明和阐释。学习者阐述自己绘制概念图的过程也是把自己的思想和观点转化为语言的过程，这样不仅有助于解释形成概念图的依据，而且还能帮助学习者加深对知识的记忆。因此，这种形式很大程度上评价了学生知识结构和学习思路的清晰程度。在这个过程中，主要评价学生的知识建构能力和创造性思维水平，整个绘制概念图的过程就是一个知识建构和发挥想象、发挥创新思维的过程；还能评价学生的分析能力和协作学习能力，通过观察绘制进程分析制作过程中遇到的问题，并通过相互讨论和交流解决问题，在协作交流的过程中也能推断出学生的同化知识和接受知识的能力。
四、共享成果，修改完善―修改概念图
每个小组完成任务之后将作品上传进行共享，并且每个小组要派代表对其作品进行陈述和说明，重点对概念图中的关键节点及其连接的选择进行说明，将各个联系和连接词语选择的依据进行详细阐述。如果其他的本小组成员有需要补充的地方，可在同伴汇报结束后进行相应补充，同时，其余小组要做好听讲的笔记记录，便于之后提出问题、发表意见。
在这个过程中，主要评价学习者的观点陈述，发散思维和论证信息的能力，在修改概念图的时候还可以判断学生产生新知的能力。
五、评价和反思―评价概念图
在前面的各环节中一直都有形成性评价的进行，在评价中不断修改和完善。经过前面的一系列环节之后，每个小组基本上已经确定了最终的概念图，而这个环节主要是对学生做总结性评价，其中最主要的一个方面就是对学生绘制的概念图做详细评价，在此，我们可以采用Novak博士提出的评价标准。Novak 从概念图的4个方面进行计分：对每个有效连接记1分，对每个有效的等级水平记5分，对每个既有效又重要的横向连接记10分，对有效但没有体现系列相关概念或者命题之间综合联系的横向连接记2分；对每个例子记1分。概念图很明显多了一个既有效又重要的横向连接，评价的时候应该在这个方面多加10分，以反映学生对知识掌握的全面性。在这个过程中主要评价学生的综合评价、全面思维的能力，学生要根据评分体系对每个小组所呈现的概念图进行合理而客观的评价。结束之后教师和学生通过写反思日志，来分别记录整个过程中自己的表现和行为是否朝着大家共同努力的方向，是否促进了大家的共同发展，便于以后作出正确的改善，这对培养学生的反思能力是非常重要的环节。
总之，概念图在教学中不仅是一种教学策略和教学工具，同时也是评价学生思维、信息处理和评价反思等各种能力的有效工具。 而在协作学习中应用概念图评价学生的学习效果，既有利于概念图功能的发挥，又很好地促进了协作学习效率的提高。
参考文献
[1]蔡铁权，叶梓.促进合作学习的概念图建构[J].中国电化教育，2011（4）.
关键词：桥梁；概念设计；教与学
中图分类号：G642.0？摇 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0147-05
一、引言
土木工程从17世纪中叶诞生开始，经历了最初近300年的“奠基时期”和一战前后的“成熟时期”，并以计算机和信息技术为标志，进入了现代桥梁工程发展阶段。这一时期，中国桥梁经历了“80年代的崛起”和“90年代的腾飞”两个阶段，取得了举世瞩目的成就，但在设计创新、桥梁美学和经济性方面存在一些问题，这三个问题与设计人员的素质直接相关。桥梁设计人员的素质与其所接受的工程教育密切相关。传统桥梁工程的教学是按照不同材料讲授结构原理，按照不同规范教授设计方法。这种传统的教学方法使得学生容易形成思维定式，限制了学生的创意思维。同时，在教学当中缺少桥梁美学、桥梁经济性能比选这两方面的教育。学生在学习完《结构力学》、《材料力学》和《理论力学》等基础课程，《桥涵水文》、《桥梁施工》、《桥梁工程》等专业课程之后，所学知识是一堆分散的、凌乱的知识点，在毕业设计阶段，学生常常感觉到毕业设计难以着手展开。为了加强学生对桥梁设计的整体理解，整合学生本科学习的知识，培养学生的在桥梁设计时在创新理念、工程质量和美学考虑三方面的能力，同济大学桥梁系在本科生中增加了《桥梁概念设计基础》的课程。本文着重介绍了本科《桥梁概念设计》课程的教学目的和课程设置，并就教学特色谈谈作者的体会。
二、课程设置
桥梁的概念设计就是选择满足桥梁功能、结构、施工、耐久、环保、经济与美观要求和设计原则的最佳设计的过程。学生学完结构力学、材料力学、土力学等力学知识以及桥梁工程、桥涵水文、基础工程、桥梁施工等专业知识后，如何让他们学到《桥梁概念设计》所必须的基础知识是课程设置中必须考虑的问题。概念设计首先要分析设计环境，即分析该桥建设的自然条件、人文条件，社会条件和技术条件；然后生成一系列概念方案，针对不同桥型确定桥梁的各个层次的基本参数；最后根据《桥梁概念设计》的六个基本原则——“安全、适用、经济、美观、耐久、环保”，从这六个角度对概念方案逐一对比分析，比选出最优的案。图1较为直观地介绍了《桥梁概念设计》的设计流程。
根据桥梁概念设计基本流程和本科阶段的特点，《桥梁概念设计基础》课程主要设置以下内容。
1.概念设计概论。概论当中，首先整合了桥梁工程的知识体系，介绍了桥梁的基本组成和分类；然后介绍国内外桥梁的最新发展动态。并从中国桥梁建设当中出现的问题的角度，说明概念设计的目的、意义和重要性。最后介绍了《桥梁概念设计》中安全、适用、经济、美观、耐久、环保的原则及其含义，并详细阐述了如何建立创新理念。
2.桥梁美学设计。美学是人们对于美和丑的认识，虽然不同人拥有不同的看法，但是美学还是有其一般性的规律。在桥梁美学设计当中，首先介绍了东西方美学的哲学基础，提出了桥梁美学的五个基本原则——“多样与统一”、“比例与匀称”、“平衡和和谐”以及“韵律与协调”。并针对桥梁，提出了概念设计中的美学考虑和处理方法。最后，介绍了桥梁美学设计的实例。
3.设计构思和总体布置。设计构思和总体布置是《桥梁概念设计》中最为关键的环节，是生成概念方案所必须有的过程。设计构思主要是分析桥位处的自然条件、技术条件、人文条件、社会条件，进而对桥梁总体设计进行设计。①自然条件。自然条件主要包括河势、水文、气象气候、地形地貌、地质水质和地震这七个方面。在概念设计阶段，这些资料的应用一般有两个方面：一方面，在理解消化这些资料的基础上，抓住核心要素和控制条件，形成构思和布局的雏形；另一方面，用于总体和关键构件的宏观、控制性的计算和分析，来验证和调整先前的构思和布置。②技术条件。经过近200年的发展，桥梁的上部结构和下部结构已发展形成了一些较为成熟的形式，在当今技术条件下，这些不同类型的上部结构和下部基础都有着各自的适用范围，在桥梁概念设计的初始阶段，我们应当尽可能地根据桥梁所处的自然条件，选择最为合适的上部结构和下部基础。③人文条件。人文条件主要是指桥梁所处地区的历史文化背景和该区域的桥梁使用者对于美的诉求。桥梁作为一种永久建筑物，除了跨越功能之外，其景观功能也是其功能的一个重要方面，在某些情况下，尤其是城市桥梁当中，桥梁的景观功能可能是其最为重要的一个方面。只有在这些准备工作做好之后，才能够根据“变化与统一”、“比例与匀称”、“平衡与和谐”，“韵律与协调”这些基本的美学基本原则，设计出满足人们人文诉求和美学要求的美的桥梁。④社会条件。社会条件主要是指桥梁的使用功能、桥梁的经济性。使用功能包括交通功能、航运功能。交通功能方面，对于公路桥梁、铁路桥梁和城市桥梁，其荷载标准和建筑界限不同；不同的航道等级和通航标准对应的通航净空也不相同。经济性方面，不同的桥型、总体布置、基础方案和施工方案对于桥梁的经济性能均有影响。
4.结构安全验证。在结构安全验证中，介绍了桥梁的荷载，讲解了结构分析的一般方法和结构的强度、刚度、稳定性、动力特性的验算，然后介绍了桥梁耐久性设计的一般原则和耐久性验算的方法。
5.工程案例分析。通过分析《桥梁概念设计》的工程实例，来完整的介绍桥梁概念设计的流程，以及各个步骤当中应当注意的问题，使学生在掌握全局的同时不忽略细节。
三、概念设计教学特色
同济大学桥梁系在国内土木工程专业首先开展了概念设计的课程，作为桥梁工程教学改革的一部分，这门课程尝试了一些新的教学方法。具有以下几个方面的特点。
1.强调桥梁创新和美学设计。通过概论，首先强调《桥梁概念设计》中创新的重要性，从总体布局、结构体系和局部构造三个层次引入创新理念。并分别配以工程实例，深入浅出，强化了创新和美学设计在桥梁设计中的重要性，引导学生在创新和美学方面进行思考。如在讲解从总体布局的角度创新桥梁设计时，列举了某高新区中央岛的桥梁概念设计。
由于该区域是交通道路上的重要视觉节点，连岛的两座桥梁需要表现出磅礴的气势和很好的视觉冲击力，常规桥梁无法表现这一特征。虽然可以通过大跨度悬索桥、斜拉桥凸显气势，但是桥位处没有大跨度斜拉桥的要求，同时，大跨度桥梁经济上也不合理。通过总体布局的创新，采用建筑学上借势造景的技法，将一座常规大跨度桥梁一分为二，分别放在南北两个河道处，中间道路形成虚拟的桥梁中跨，远处观看，如同一座十分宏伟的大跨度悬索桥，既凸显了气势，又满足了经济合理的要求。
2.注重讲解概念性的原理。传统的桥梁工程注重从力学计算方面推导出一些公式，通过公式里的参数分析来讲解桥梁工程中的基本力学原理。在《桥梁概念设计》的教学当中，复杂的力学计算不是重点，因为其与概念设计注重概念的理念背道而驰。相反，概念性的原理才是重中之重，一方面，概念性的原理便于理解性记忆；另一方面，如果概念设计不合理，将直接导致后续力学计算结果出现问题，进而需要返工或者通过额外措施解决出现的问题。例如，在讲解桥梁结构体系对于桥梁受力性能的影响时，列举了作者设计的昆山玉峰大桥的外部约束、内部链接和刚度分配处理方法的例子。
？摇？摇昆山某区域需建立一座城市桥梁，通过概念分析，拟建立一座斜靠拱桥。由于该区域为软土地基，无法承担水平推力。因此，主拱圈采用无水平推力的系杆拱（外部连接），主拱圈承担主要的恒载，主拱圈斜靠拱共同承担活载（刚度分配），进而解决了软土地基的问题。在讲解主拱圈和主梁之间的内部连接方式时，同样也采用了重视概念、简化计算的教学思路。由于主梁为双边箱钢箱梁主梁，在纵横梁上搭设混凝土预制桥面板，桥面板之间通过现浇段和横纵梁上的剪力钉连接，因此在拱梁交接处存在着负弯矩区段，会导致桥面板开裂。为了解决这个问题，主拱圈和主梁之间采用铰接的连接方式，释放了负弯矩；同时，等主梁支架拆除后再浇筑现浇段，通过让混凝土桥面板和钢主梁在不同的阶段参与受力，也减小了拱梁连接处的桥面板拉应力，防止了桥面板开裂。由于一般的系杆拱桥主梁为混凝土箱梁，可以张拉预应力，因此拱梁交接处主梁拉应力不是设计的关键因素，但是在玉峰桥中，在混凝土桥面板中张拉预应力较为困难，因此采用了释放拱梁之间弯矩的铰接的连接方式。
3.教学结合工程实际。以上两个例子，只是《桥梁概念设计》课程教学当中所举的众多例子的一个缩影。为了改变传统桥梁工程教学时，学生只知其然，不知其所以然的状况，在《桥梁概念设计》教学中加入了众多的工程实例，讲解出原因，让学生加深理解，加深印象。例如，在介绍悬索桥抗风问题时，列举了著名的“塔科马大桥风毁”事故，并从悬索桥的计算理论发展的角度，解释了塔科马大桥发生风毁的背景。在线弹性理论当中，不考虑结构变形对于平衡的影响，因此主梁高度很大；随着挠度理论的诞生，人们发现主梁的刚度对于悬索桥的整体刚度贡献不大，最终，从曼哈顿桥到金门大桥，悬索桥主梁高度越来越小。到塔科马大桥时，主梁高跨比只有1/350，主梁形式为抗扭性能差的双边主梁开口断面，最终导致主梁发生风致颤振破坏。这种结合工程事故发生的理论发展背景的讲解思路，让学生的理解更为深入。
4.整合知识体系。通过一个完整的桥梁概念设计流程，学生明白了本科所学课程在桥梁概念设计中的作用以及各个课程之间的关系，进而达到了整合学生的知识体系的目的；同时，概念设计当中历史文化、美学诉求方面的人文内涵需要学生提高综合素质，耐久性、环保以及全寿命设计思想要求学生进一步学习相关知识，从这个角度来说，概念设计也起到了引导学生学习方向的目的。
5.注重学习与实践相结合。让学生更深入地理解《桥梁概念设计》，最好的方式是让学生参与到真实的桥梁概念设计当中。在教师指导下，学生参加桥梁方案竞赛是一个很好的方式。从同济大学桥梁系开设《桥梁概念设计》课程以来，历届学生分别参加了广东省虎门二桥、北京长安街西延永定河桥、北京通州运河区北运河桥和通惠河桥的国际方案竞赛。在参与竞赛的过程中，学生对桥梁概念设计的流程有了更深入地理解，同时也增强了实践能力。下面介绍了长安街西延永定河桥梁的概念设计。桥位位于首钢工业改造区，该区域规划功能定位为北京西部综合服务中心和后工业文化创业产业区。桥位北部为被誉为“燕都第一仙山”的石景山，西岸为门头沟滨水商务区，功能以商业服务，文化娱乐为主。大桥跨越永定河莲石湖，该湖注水后，形成湖滨绿色生态走廊。概念设计当中，石景山、永定河和首钢是不可或缺的三个元素，桥梁应当与这三个元素相互融合，构建出“一山、一水、一桥，一部钢铁史”的和谐篇章。①跨径布置。桥位处控制桥梁跨径的主要因素有：路线与河道及两侧道路斜交53度；东侧跨越丰沙铁路和东滨河路（红线宽度40米）；西侧跨越河堤路（红线宽度30米）；河堤处不能设置桥墩。因此，采用东侧一跨跨越丰沙铁路、东滨河路和东河堤，西侧采用一跨跨越西河堤及西河堤路，最小跨径均为120米。河道中桥墩设置不受通航影响，但需要考虑排洪的作用，桥位处上下游桥梁跨径均为40米左右。②桥型选择。桥型选择考虑结构的外形与周边环境相符，控制结构的高度，是的结构与石景山和山下的首钢厂区高度协调，不遮挡永定河自南向北的视觉走廊。根据跨径布置，梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥都是可行的。③横断面布置。桥位处道路规划红线宽度为80米，若采用单层桥面布置，桥面宽度约为60米；若采用双幅桥面布置，桥型选择限制较多，如采用横向四片拱肋的拱桥，景观效果不佳；如采用双层桥边，可以使桥宽变为30米左右，同时具有许多优点。非机动车道、人行道和车行道分离，为互通立交的实现提供了很好的条件；双层桥面的下层人行道、非机动车道可以与东滨河路实现平交，方便了行人。④概念生成与选择。梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥都是可选桥型，根据上述分析，概念生成了十四个比选方案。从安全适用、结构布置的合理性与经济性、与环境的协调和美观、可设计性和可施工性、耐久环保五个方面进行综合比选打分，最终概念选择了五跨连续桁架拱桥方案、斜拉桥和梁桥组合方案、斜拉桥和拱桥组合方案，进行下一步的设计。以下为三个方案——锦绣河山（五跨连续桁架拱桥方案）、日月同辉（斜拉桥和梁桥组合方案）、龙凤呈祥（斜拉桥和拱桥组合方案）的效果图。
⑤概念设计。下面简略介绍锦绣河山方案极其概念设计。
美学处理方面，五跨连续桁架拱桥方案主梁和拱肋均采用钢桁架形式，厚实的金属质感让人们感受到首钢改造区曾经辉煌的钢铁文化。桥面以上主拱圈的高度近似按照黄金分割比设计，犹如连绵起伏的山峦，突出了锦绣河山的主题。桥头堡外形也同样进行了美学优化，参照石景山上宝塔的形象进行了处理。主桥为采用双层桥面的梁拱组合体系，各跨拱脚均采用固定铰支座约束。主梁宽度为32.6m，高度为6.5m。上下桥面每隔6m设置一道横梁，梁高1.5m。采用正交异性钢桥面板，主梁上吊杆间距为6m。除拱肋的风撑与弦杆，腹杆与弦杆采用高强螺栓连接外，其他钢构件采用焊接连接。基础采用钻孔灌注桩。永定河大桥概念设计是国际方案竞赛，有六家国际知名设计单位的十八个方案参加竞争，最终有六个方案入围。作者指导学生所完成的三个方案均得以入选。部分竞争者的方案因采用大跨、奇异的造型来标新立异而被淘汰，而学生们所完成的方案思路清晰、考虑的因素较为全面，创新性、经济性均较好，设计方案外形也比较优美，因此得以入围。在前面提到的另外两个国际比赛中，学生们的方案也获得了第二和第一名。参加比赛既提高了学生的学习积极性，也达到了《桥梁概念设计》的教学目的。
四、学生反应
本文第二作者作为《桥梁概念设计基础》课程的学生，也切身体会到了《桥梁概念设计》不同于传统的灌输式教学。传统的桥梁教学思路只重视结构计算，而《桥梁概念设计》重概念、重视原理、重视讲解思路，重视用实例说明抽象的问题。这些教学思路对于学生的理解十分有益。同时，提高了创新和美学考虑在桥梁设计中地位，让听课的学生认识到，新的桥梁设计理念需要工程师从传统的桥梁计算工程师转变到桥梁创新设计工程师甚至是桥梁建筑师，让其更为重视自身的人文修养和综合素质发展。《桥梁概念设计》的学习就是一个桥梁概念设计训练的过程，本科学习的知识经过梳理后成为了一个体系。在进行本科毕业设计，学生拿到一个桥梁基本信息后，处理更为得心应手。最后，参与方案竞赛的实践帮助学生从理论性的知识当中走出来，进行实际的概念设计操作，加深了学生对概念设计本身的理解，对概念设计流程也更加熟悉。
我们国家的桥梁在过去的三十年当中实现了跨越式的发展，但是，这种高速发展的背后也隐藏着很多问题，创新理念不足、桥梁不够优美以及经济性能不好是众多问题中比较突出的几个方面。
高校学生是未来青年工程师中的骨干力量，是未来桥梁设计的中坚。同济大学桥梁系率先开展《桥梁概念设计》这一课程，希望能够通过这门课程，加强学生对桥梁概念构思的重视，将创新思维和美学优化的理念贯穿桥梁设计始终。希望通过这种形式，在桥梁界中倡导一个重视概念设计、重视创新、重视美学优化的氛围，为中国桥梁的进步贡献出一份力量。
参考文献：
[1]项海帆，肖汝诚，徐利平，等.桥梁概念设计[M].北京：人民交通出版社，2011：39-41.
