地質工科研究生彈塑性力學課程改革

隨著研究生招生規模的不斷擴大，如何提高教學效率和教學效果、如何在力學教學中培養學生的創造性已成為教學工作者必須解決的問題。結合多年教學經驗對地質工科類研究生彈塑性力學課程的改革進行了探索和實踐，主要包括模塊化結構的彈塑性力學教學體系構建、課程教學內容優化、改革教學方法和教學手段改革。彈塑性力學模塊化教學體系教學改革課程教學是學校人才培養鏈上的重要環節，專業基礎課教學處在這個環節的中段，前有基礎課鋪底，后有專業課承接，起著承前啟后、打造學生獲取知識通道的作用。如何根據專業基礎課教學的特點，按照碩士研究生培養目標對專業基礎課教學的要求，處理好原理性內容與方法性內容、難點性內容與關鍵性內容、過渡性內容與創新性內容講授的關系，改革教學方法，提高教學質量對搞好專業基礎課教學具有重要意義。地質工科研究生的培養目標，是掌握堅實的數學、力學、地質工程基礎理論和系統的專業知識，了解本學科的國內外現狀和發展趨勢、前沿領域。由此可見，力學課程在地質工科研究生培養中占有很重要的地位。筆者從1997年開始承擔研究生彈塑性力學課程的教學工作，在教學過程中不斷征求學生的意見和建議，廣泛與專業課教師交流，探索了彈塑性力學課程體系、教學內容、教學方法、教學手段的改革。一、模塊化結構的彈塑性力學教學體系構建上世紀，地質工科碩士研究生的力學課程有：彈性力學及有限元素法（60學時）、塑性力學基礎（40學時）。其中彈性力學及有限元素法為學位課，重點介紹彈性力學基本理論（50學時），簡要介紹有限元素法的基本原理（10學時）。塑性力學基礎為選修課，一般學生只選擇其中的一門，選課人數僅有30%～40%，教學效果不是很理想。隨著塑性力學理論和塑性力學研究方法的不斷發展，在工程實際中的應用也越來越廣泛。而部分碩士研究生在本科學過一些彈性力學的基礎知識（32～40學時），為此將彈性力學和塑性力學基礎整合成48學時的“彈塑性力學”課并作為地質工科研究生的學位課。主要內容包括：應力分析理論、應變分析理論、材料的彈塑性本構關系（含屈服條件）、彈塑性力學解題方法、塑性極限分析方法、厚壁圓筒的彈塑性分析、旋轉圓盤的彈塑性分析、軸的彈塑性扭轉、板的彈塑性彎曲、巖土結構的承載能力等。通過多年教學實踐，對教學內容進行模塊化分割，建立了以基本理論模塊、基本方法模塊、應用提高模塊的教學體系。基本理論模塊主要包括彈塑性力學的基本概念、基本理論、基本方程。具體有彈塑性力學的基本概念、應力分析理論、應變分析理論、平衡微分方程及應力邊界條件、幾何方程及位移邊界條件、應變協調方程、彈性本構方程、彈塑性本構方程、彈塑性狀態判斷準則。這一部分內容占總學時的1/3，即16學時左右。基本方法模塊要求學生重點掌握彈性和塑性力學分析問題、解決問題的思路和方法，主要包括彈性力學的位移法、應力函數法（逆解法和半逆解法），彈塑性分析方法、塑性極限分析方法等。這一模塊約占總學時的1/3，即16學時左右。應用提高模塊主要針對地質工程中的力學問題，應用基本理論和基本方法進行分析和求解，主要包括厚壁圓筒的彈塑性分析、梁的彈塑性彎曲、板的彈塑性彎曲、柱體的彈塑性扭轉、楔形體的彈性分析、應力集中問題、巖石結構承載分析等。這一模塊可根據不同專業進行選擇性教學，盡量結合專業背景和工程實例，提高學生學習的主動性和積極性，學時根據總學時可適當調整。二、課程教學內容優化在加強基礎理論、基本方法的基礎上，優化和更新教學內容，注重素質和能力培養，結合科學技術的發展，提高教學內容的前沿性。按照三個模塊的教學體系和思路，對彈塑性力學教學內容進行了以下幾方面的改革。1.精選基本內容，擴充選學內容重視地質工科適用的基本理論、基本方法教學內容，堅決淘汰了已過時的內容，如半逆解法中用材料力學解答設應力分量。一方面，由于材料力學為大學二年級所學，有的同學已比較淡漠，還有部分研究生以前沒有學過材料力學；另一方面，這種解法理論基礎不強，學生不易掌握。所以在半逆解法中重點介紹利用邊界上的應力函數來求解彈性力學平面問題。此外，根據專業特點提供可選學的教學內容，如巖土材料的本構方程、巖土結構的承載能力分析、結構的塑性極限分析等。2.處理好原理性內容與方法性內容將彈性力學和塑性力學有機結合，避免了基本理論、基本方法的重復，也使課程內容相對完整。在應力分析和應變分析的教學后，系統介紹靜力平衡關系、變形幾何關系、本構關系，使得教學內容的深度有所增加。在教學過程中注意針對專業特點適當減少大量的繁瑣的原理性內容的理論推導，把教學重點放在基本概念、基本理論的分析、理解和應用上，突出解決問題的思路和方法，強化方法性內容，把節約的學時用在解決與專業有關的工程實際問題上，如厚壁圓筒的彈塑性分析、柱體的彈塑性扭轉、平板的彈塑性彎曲、結構的塑性極限分析等。3.加強教學內容分析，讓關鍵性教學內容起到關鍵性作用教學內容是指教學過程中同師生發生交互作用、服務于教學目的達成的動態生成的素材及信息。教學內容分析是以總的教學目標為基礎，分析學習內容的范圍、深度，揭示學習內容各組成部分的聯系，以達到使教學最優化的內容效度。包括對內容范圍的分析和內容結構的分析。對教學內容分析不僅要從微觀的角度，根據教材來分析教學內容的組成部分，還應該從課程或某節課的教學目標出發，從宏觀角度，根據學科領域知識的范圍來考慮教學內容。對內容結構的分析，要根據教學任務區分不同的教學層次，如首先確定終點任務（教學目標），然后根據具體的任務設計應該學習的內容，即確立子目標。教學內容分析的過程一般包括：選擇與組織教學單元，對單元順序進行安排；確定學習內容的類別；分析教學重點和難點。教學重點是教材中舉足輕重、關鍵性的、最基本的、最重要的中心內容，是課堂結構的主要線索，掌握了這部分內容，對于鞏固舊知識和學習新知識都起著決定性作用。教學難點，一般是指學生和教師難以理解或領會的內容，或較抽象、復雜、深奧的內容。課堂教學過程是為了實現目標而展開的，確定教學重點、難點是為了進一步明確教學目標，以便教學過程中突出重點，突破難點，更好地為實現教學目標服務。在一節課中，關鍵性內容當然應該起到“關鍵性”的作用。圍繞關鍵性內容，層層深入，呈現螺旋上升安排教學內容。在彈塑性力學中教學重點的利用彈塑性理論解決地質工程中相關的力學問題，因此關鍵性教學內容是如何應用彈塑性力學平衡微分方程、幾何方程、本構方程求解問題，因此應把基本解法作為關鍵內容進行教學，強調如何建立邊界條件，如何利用邊界條件確定待定系數和待定函數。三、教學方法及手段改革研究生教學不同于本科生，一些基本理論的推導和教材上比較詳細的部分可留給學生自學，重點講授難于理解的內容，如邊界上的應力函數及其導數的物理意義、應力張量和應變張量的有關概念、Tresca和Mises屈服條件、塑性極限分析定理等。在教學中要注意課堂教學效率，保證單位時間內具有足夠的信息量，適當采用啟發式教學方法。在教學中注重分析問題、解決問題的思路，要善于總結、教會學生正確的學習方法，特別是如何應用所學理論解決工程問題。由于學時的限制，針對研究生的理解能力較強，在授課時，注意課時的合理分配。如重點講授完平面問題的直角坐標解法后，采用對比聯系的教學方法講授平面問題的極坐標解法。對于空間問題的基本理論采取和平面問題的基本理論相對比和聯系的方法講解，使學生更容易掌握基本理論和基本方法。教育部面向21世紀“力學系列課程教學內容和體系改革的研究與實踐”報告曾強調要充分認識現代教育技術在課程內容、體系改革以及教學方法改革中的重要作用，同時注意使用現代教育技術也要體現啟發式過程。作者體會用多媒體進行課堂教學不僅形象生動、賞心悅目，而且擴大了課堂教學的信息量；使教學手段與教學內容和體系的改革相適應。另外，由于采用多媒體技術，將大量內容廣泛的工程實例搬上大屏幕，通過圖、文、聲音、動畫、視頻等多種媒體技術的應用，給學生以鮮明的立體感覺，其教學效果是普通教學手段所無法比擬的。目前，我國還沒有正式出版的彈塑性力學的多媒體課件，筆者已制作了《彈塑性力學》電子教案，通過十多年在地質工科研究生教學中的使用和完善，收到了較好的教學效果，部分電子教案已在其它院校使用，并多次被網上下載。研究生教學的改革相對本科教學改革起步要晚，而且一直沒有得到應有的重視，隨著研究生招生量的不斷擴大，如何提高教學效率和教學效果、如何在力學教學中培養學生的分析問題、解決問題的能力已成為不得不盡快解決的問題。本文從課程體系建立、教學內容優化、教學方法和手段改革幾個方面介紹一些做法和想法，希望對同行有所幫助。

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