研究生《損傷與斷裂力學》課程教學改革探討

孔德文 王玲玲

摘 要：面向各工科專業(yè)研究生，開展《損傷與斷裂力學》課程建設，就教學內容與教學方法改革進行探討。整合損傷力學與斷裂力學基本原理，增加理論應用數(shù)值實現(xiàn)部分，構建理論與應用并重、模塊化、層次化的課程教學內容體系；針對課程內容模塊，提出采用以銜接式教學法與科研案例教學法為主線的教學模式，使學生深入掌握課程內容，達到學有所用的教學目的，為研究生課題研究奠定基礎。

關鍵詞：損傷與斷裂力學；教學內容；教學方法；經(jīng)典理論；數(shù)值方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0074-03

Abstract： Facing to engineering graduate students， the course construction of damage and fracture mechanics was developed， and the teaching content and teaching method were discussed. Based on fundamental principles of damage and fracture mechanics， the teaching content concerning application and numerical realization of theories were added to establish modular and hierarchical course content system laying on both theory and application. According to course contents， the linking teaching method and scientific case teaching method were principally proposed. These approaches enable students to master the content of the course in depth， to achieve the purpose of learning and use， and to lay the foundation for the research of graduate students.

Keywords： damage and fracture mechanics； teaching content； teaching method； classical theory； numerical method

研究生擴招、教學內容滯后、教學方法陳舊及科研參與度低等因素限制了我國工科研究生創(chuàng)新能力的提高。研究生創(chuàng)新能力主要表現(xiàn)在豐厚的理論基礎、敏銳的思維能力以及較強的實踐操作能力[1，2]。工科研究生的專業(yè)方向眾多，研究課題方向也不盡相同，但都要求研究生具備扎實的力學基礎，并將其與專業(yè)知識相結合，用以科學研究或解決工程實際問題，因此力學課程設置、教學內容及教學方法改革方面的建設工作與研究生創(chuàng)新素質培養(yǎng)息息相關。

目前，損傷力學與斷裂力學在工科研究生課題研究中應用比例較高，為此很多高校針對土木工程、機械工程、礦業(yè)工程及航空航天等學科研究生，已開設了損傷力學或斷裂力學課程。清華大學鄭教授指出，力學擁有定量化基因和技術創(chuàng)新基因，力學發(fā)展影響工科創(chuàng)新，應設置加強力學基礎課程地位的課程體系[3]。而貴州省高校工科專業(yè)研究生培養(yǎng)方案多以專業(yè)課為主，未開設或很少開設力學課程，導致研究生掌握力學理論與方法的深度不夠，給力學理論和方法在研究生課題中的應用帶來了局限性。但力學知識是專業(yè)課程的必備基礎，這種課程設置模式限制了工科專業(yè)研究生力學基礎知識的鞏固與提高，若研究課題與力學相關，則需要研究生耗時自學，并不能掌握較深的力學原理，多數(shù)停留在對現(xiàn)有理論的重復與應用，不利于培養(yǎng)研究生創(chuàng)新意識，降低了培養(yǎng)質量，這是目前貴州省工科院校普遍存在的問題。因此，力學課程建設與教學改革應是我省工科研究生培養(yǎng)質量提高措施中的重要工作。

鑒于此，以貴州大學為例，面向全校工科研究生，打破學科與專業(yè)界限的壁壘，開設《損傷與斷裂力學》課程，整合并優(yōu)化教學內容，建立力學理論講解與數(shù)值實現(xiàn)方法并重的教學模式，并提出將科研成果轉化為教學案例，用于課程教學，借助科研案例，掌握損傷與斷裂力學理論應用及實現(xiàn)途徑，形成以科研案例為主線的滲透式教學方法。該課程建設為研究生課題研究與完成提供力學理論與解題方法基礎，有助于提高研究生科研與創(chuàng)新能力。

一、課程教學內容建設

貴州大學設有土木工程、材料工程、機械工程和采礦工程等多個工科專業(yè)碩士點，研究生課題方向多，范圍廣，根據(jù)損傷力學、斷裂力學內容及有限元方法在研究課題應用的調研結果，確定《損傷與斷裂力學》課程教學內容，主要包括損傷力學基本理論、斷裂力學基本理論及經(jīng)典理論的應用與數(shù)值實現(xiàn)方法。

損傷力學與斷裂力學可用于評估材料或結構的安全性及穩(wěn)定性，但兩者研究方法不同，損傷力學主要研究內部缺陷對材料或結構引起的力學性能損傷現(xiàn)象，且內部預存在的缺陷連續(xù)分布，而斷裂力學重點是處理開裂部位的應力分布情況，裂紋是不連續(xù)的，尖端存在奇異性，出現(xiàn)明顯的應力集中[4，5]。但由兩者的關系圖（圖1）可以看出，兩者是銜接的，我們可以結合損傷力學與斷裂力學來研究材料或結構的整個破壞過程。

因此，我們將損傷力學與斷裂力學主要內容進行整合，形成條理化、層次化的講授內容，先講授材料與結構形成宏觀裂紋前的狀態(tài)，即材料與結構的損傷問題，再講授材料與結構宏觀裂紋開裂后的狀態(tài)，即斷裂問題，作為研究生《損傷與斷裂力學》課程中理論性的教學內容。另外，工科研究生主要通過實驗測試與數(shù)值模擬兩種途徑完成課題，在理論方面，多數(shù)停滯在對現(xiàn)有理論的重復與應用，創(chuàng)新偏弱，著重應用。所以結合課程實際應用背景，我們提出選取經(jīng)典理論，增加經(jīng)典理論應用及其數(shù)值實現(xiàn)方法這部分教學內容，擴展該課程內容在研究生科研中的應用范圍。《損傷與斷裂力學》課程內容分為三個單元模塊：損傷力學基本理論、斷裂基本力學理論和經(jīng)典理論應用及數(shù)值實現(xiàn)方法。這種單元模塊式、層次化的課程內容體系，由淺入深，承接性強，便于教師講授，強化課程教學與學習的系統(tǒng)性，提高教學效果。

二、課程教學方法改革

教學方法是實現(xiàn)教學內容和教學目標的有效手段，教學方法的種類很多，但研究生課程不同于本科課程，需以實際應用與培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力為目標，課程講授方式對應要有所改革與創(chuàng)新，因此亟需探索研究生《損傷與斷裂力學》課程適用的教學方法。研究生課程教學中實用的教學方法主要包括研討教學法、專題研討法及案例教學法等[6，7]。采用以上教學方法，可以使學生轉換位置，由“學”變“講”，調動學生的積極性，鍛煉學生的實踐能力。但研究生《損傷與斷裂力學》課程學時有限，教學內容又包含三個模塊，若不能提高課堂效率，則達不到預期的教學效果，所以教學方法至關重要。在研討教學法、專題研討法及案例教學法的基礎上，我們提出研究生《損傷與斷裂力學》課程重點應用的兩種教學方法。

（一）銜接式教學法

所謂銜接，是指課堂上教師講授內容與課下學生學習內容之間的銜接。損傷力學與斷裂力學基本理論兩個教學內容模塊中，主要以基本原理為主，包括損傷理論、損傷模型、應力強度因子計算方法、斷裂準則等內容。這些內容都需要經(jīng)過計算、公式推演的過程，如果主講教師在課堂完成整個過程，不僅占用時間，還會影響課堂氛圍。因此在這兩個內容模塊教學過程中，我們借助多媒體課件，要求教師備課期間完成理論及公式的推導過程，把關鍵步驟做成課件，為學生推演、講解。同時充分利用學生課下時間，將經(jīng)典理論的推導過程留為課下作業(yè)，并納入課程考核成績，確保學生掌握重點知識。銜接式教學方法可以提高課堂效率，鞏固學習內容，使學生不只停留在了解基本理論的層面，而是深入理解課程內容，為后續(xù)基本理論的應用與改進奠定基礎。

（二）科研案例教學法

科研案例教學法是指將科研成果整理、總結，轉化為教學案例進行講授。《損傷與斷裂力學》課程中第三個教學模塊的內容是經(jīng)典理論應用及數(shù)值實現(xiàn)方法，這部分內容偏重理論的應用與實現(xiàn)過程。而損傷力學與斷裂力學基本理論實現(xiàn)可以借助于數(shù)值手段，適合該模塊教學的有限元軟件包括ABAQUS、ANSYS、LY-DYNA等。結合研究生專業(yè)，挑選針對性與關聯(lián)性較強的科研成果作為教學案例，講授基本理論應用的前提、適用性、正確性、應用方法及實現(xiàn)過程。科研案例教學法將課程教學內容進行了一個從理論到實踐應用的歸納，使學生系統(tǒng)地掌握該門課程內容，加深學生對課程學習的理解程度，避免出現(xiàn)“學不知所用”的現(xiàn)象。科研案例教學法也可以開闊學生思維的寬度與廣度，使所學內容與專業(yè)知識相互融匯、綜合、滲透，改變學生思考問題的角度，產(chǎn)生新的科研思路，有助于培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識，提高學生的綜合素質。

三、存在問題

在《損傷與斷裂力學》課程教學內容與教學方法改革的同時，也會存在一些挑戰(zhàn)與問題。主要如下：

（一）課程內容學時比例不確定性

該門課程面向全校工科研究生開設，課程內容需要根據(jù)選課學生的專業(yè)分布進行動態(tài)調整，合理安排教學內容學時比例，所以課程的教學大綱與教學計劃需要根據(jù)實際情況調整。

（二）主講教師教學水平要求提高

該門課程教學內容具有理論與應用并重的特點，要求主講教師具有扎實的理論基礎，同時要掌握多種有限元軟件計算方法。而科研案例教學法則要求教師具備豐富的科研基礎以及較好的科研實踐能力，為課程的教學效果提供保障。

四、結束語

力學課程體系建設影響工科研究生科研素質及創(chuàng)新能力，是提高研究生培養(yǎng)質量的一項重要工作，應引起貴州省工科院校的重視。以貴州大學為例，提出了面向全校工科研究生開設《損傷與斷裂力學》課程，重點討論了教學內容與教學方法改革兩個方面。《損傷與斷裂力學》課程教學內容主要包括損傷力學基本理論、斷裂力學基本理論及經(jīng)典理論的數(shù)值實現(xiàn)方法，具有模塊化、層次化的特點。《損傷與斷裂力學》課程教學主要采用銜接式教學法與科研案例教學法，提高課堂效率，加強學生對課程內容的理解，保障教學效果。該課程建設宗旨在于加強力學知識點在研究生課題研究及工程實際問題中的應用，提高研究生的力學專業(yè)素質，使力學理論與方法服務于專業(yè)問題，促進力學知識與專業(yè)問題的銜接與融合，擴大力學知識在研究生課題研究與解決實際工程問題中的應用深度與廣度，提高研究生的培養(yǎng)質量及其科研創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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