專業認證背景下水利水電工程專業“彈性力學”教學模式研究

劉計良 許 萍 曹 靖 黃靈芝

（西安理工大學水利水電學院 陜西·西安 710048）

0 引言

在水利水電工程專業的培養方案中，各類力學的課程分類大都屬于專業基礎課，其中“彈性力學”是繼“材料力學”和“結構力學”之后又一門重要基礎力學課程。彈性力學理論的應用范圍更加廣泛，不僅能分析材料力學中重點研究的梁、柱等細長桿狀結構的力學特性，而且能分析非桿狀結構，如大壩、地基、水電站蝸殼等?！皬椥粤W”是水利水電工程專業的學生必須要重點掌握的力學課程，目前國內各大水利院校都配備了優秀的師資隊伍講授這門課程。

2015 年我國正式加入“華盛頓協議”，成為正式成員國，與國際工程教育標準成功接軌，使我國工程類專業的學位與其他成員國相關專業的學位得以互認，有力促進了工程類專業的國際化和長足發展。[1]“華盛頓協議”規定的工科畢業生必須遵循的12 條畢業要求涵蓋了工科人才培養和成長的全部過程，更加系統全面，包括應用相關工程知識和工具分析和解決實際工程問題，注重個人發揮及團隊有效溝通合作，關注工程所涉及的管理、環境及社會問題，要求畢業生在職業發展過程中要保持終身學習等，以上規定對“彈性力學”的教學模式提出了新的要求。西安理工大學水利水電工程專業第一次國家工程教育專業認證始于2013 年，有效期為6 年，水利水電工程專業根據本次專業認證中存在的問題，研究提出了提升專業建設水平的思路與對策，并將其應用于后續培養大綱的修訂中。[2]2019 年6 月13 日-15 日，工程教育專業認證專家組再次對西安理工大學水利水電工程專業進行了專業認證現場考查，專家組根據認證的標準及要求查閱了水利水電工程專業“彈性力學”的教學大綱和近三年的相關教學資料，提出了反饋意見。在專家組反饋意見的基礎上并參照專業認證的通用標準，我們認真總結了“彈性力學”教學過程中存在的主要問題，針對水利水電工程專業的特點，制定了“彈性力學”新的教學模式及相應的教學手段。

1 教學過程中存在的問題

（1）學生無法靈活應用所學知識解決具體工程問題?！皬椥粤W”的授課對象是水利水電工程專業大三的學生，此時，學生已經學過了“材料力學”，掌握了力學的基本概念?！安牧狭W”的相關控制方程是建立在大量假設基礎之上的，方程建立過程及方程形式均比較簡單；“彈性力學”的內容則擯棄了材料力學中的假設，需要建立大量的微分方程并求解，包括三套方程和兩類邊界條件，求解方法也較多且求解過程繁瑣，如應力法、位移法及有限元法等，理論性較強，公式推導復雜。[3]“彈性力學”這門課程的特點使得大多數水利水電工程專業的學生感覺內容枯燥、學習強度大。盡管在當前的“彈性力學”教學實踐中提出了新的教學方法，合理規劃了教學內容，并采用了現代化的教學手段，但對教學質量和學習效果的提升方面仍顯不足。[4-6]學生即使理解了課堂講述的內容，卻無法將理論知識和待解決的具體水利水電工程的結構問題聯系起來，無法做到活學活用，特別是無法針對水工結構中存在的問題建立合理的彈性力學模型并求解，不利于培養學生的實踐能力。

（2）創新性的理論講述偏少，不利于培養學生的創新能力。“彈性力學”的課程體系經過幾十年的發展，已經比較完善，各高校也形成了穩定的教學隊伍。經過調研，目前國內高校“彈性力學”的教學模式大同小異，均是按兩類平面問題、平面問題的控制方程（靜力平衡方程、幾何方程和物理方程）、圣維南原理、平面問題的直角坐標解答、極坐標解答、空間問題的控制方程、空間問題的直角坐標解答、有限元的初步知識的順序進行講解，所涉及的彈性力學中新的理論和問題比較少，未能充分引入彈性力學領域的最新進展。目前彈性力學中仍存在許多需要深入研究的問題，譬如薄壁深梁的應力計算問題、高階剪切理論等都需要繼續進行深入研究，如果不提這些問題不利于培養學生的創新意識。

（3）與其他力學課程相關知識點的對比分析不足?！皬椥粤W”和“材料力學”兩門力學課程有區別也有聯系。由于彈性力學課程的內容多，學時少，導致教師在課堂上將主要精力放在彈性力學知識的講解上，而對所研究的對象、分析方法及相關解答與材料力學相關知識點的對比分析較少，導致學生在后續的專業課學習時，遇到具體的工程問題不知用哪種力學解法更合適，不利于綜合能力的培養。

2 “彈性力學”教學新模式

根據專業認證專家組對“彈性力學”教學資料的反饋意見，并針對水利水電工程專業的特點，我們提出了“彈性力學”課程教學新模式，引入水利水電工程中存在的必須用彈性力學法進行求解的問題，并應用現代化的教學技術進行圖片、視頻展示，根據課程進展適時提出彈性力學中創新性的內容，培養學的生的實踐和創新能力：（1）關注水利工程中的彈性力學問題，借助多媒體手段全面展示工程項目中存在的強度、剛度和穩定性問題，借此引導學生學會如何通過應用彈性力學的知識來解決工程中存在的問題，培養學生分析問題和解決問題的能力；（2）引導學生了解彈性力學研究領域的最新文獻及最新的科研成果，并指出尚未解決的彈性力學問題，鼓勵學生獨立思考，鍛煉學生的創新性思維；（3）引導學生建立彈性力學中的知識與其他力學課程及專業課知識體系之間的聯系，培養學生靈活應用力學知識的能力。

2.1 在教學中引入具體的工程項目

“彈性力學”在水利水電工程中有著廣泛的應用，但對于初學者來說，彈性力學理論比較深奧，無法和具體的工程實踐聯系起來，學生無法通過教材了解其真正的應用價值。因此，針對“彈性力學”課程的內容，在教學過程中適時引入工程實例，提煉出其中的彈性力學問題，并加以歸類分析，設計適合水利水電工程專業學生的基于實際工程項目彈性力學問題的教學模式，使學生主動地去分析、理解工程中存在的彈性力學問題，讓學生能夠做到“學以致用”。通過分析其中的彈性力學問題，引導學生應用彈性力學的理論知識去解決水利水電工程中的力學問題，增強學生學習彈性力學的主動性和積極性。在引入工程案例時，注重參與式互動學習方式，幾個同學通過成立合作小組的方式共同解決某一類問題，增強彼此之間的交流與合作，通過老師的引導，進一步加深交流的層次。譬如在講解“兩類平面問題”的時候，加入可以簡化為平面應力問題和平面應變問題的工程實例就可以增加學生的直觀印象而不僅僅停留在力學符號中，可以將矩形截面深梁及支墩壩的支墩簡化為平面應力問題，將水工隧洞及擋土墻簡化為平面應變問題。在講解“楔形體受重力和液體壓力”這一節時，以著名的三峽大壩作為工程案例，提前將三峽大壩的受力特點和幾何特征的分析作為作業布置給學生，由合作小組搜集資料進行匯總分析，根據彈性力學兩類平面問題的特點判斷受荷作用下的楔形體屬于哪一類平面問題，由學生思考如何從工程問題中提煉出合理的彈性力學模型，最后由學生合作共同建立該工程實際問題的彈性力學計算模型，并采取合理的彈性力學解析計算方法算出應力、應變和位移，并給出相關結論。

2.2 在教學中引入理論創新的成果

“彈性力學”的知識體系雖然已比較完善，但仍存在許多尚未解決的問題，通過引導學生閱讀最新的彈性力學領域的科技文獻來歸納總結最新的科研進展，并引導學生提出自己的見解，加強學生之間的交流，碰撞創新的火花和靈感。在彈性力學研究領域，有許多尚待完善的理論，譬如深梁是水利水電工程中應用非常廣泛的一類結構，如深孔平面閘門及弧形閘門的主梁采用的就是跨高比較小的深梁結構，深梁問題也一直被研究者所關注。“彈性力學”教材中講述的是矩形截面深梁，而實際水利水電工程中薄壁截面深梁被更加廣泛的應用，譬如水工鋼結構中的承重梁多為薄壁截面深梁。因薄壁截面深梁的截面復雜（工字形或箱形截面），應力影響因素較多，薄壁截面深梁與矩形截面深梁的受理機理不同且更加復雜，目前對其力學性能的探討仍在繼續，也發表了許多相關文獻，適時引導學生閱讀這些科技文獻有助于培養創新意識，為進一步的深造打下良好的基礎。[7]

2.3 加強“彈性力學”與相關課程知識體系的對比

彈性力學是水利水電工程專業學生分析具體水工問題的一種有效力學工具，在分析各種水工建筑物及水電站時比材料力學的解答更加精確。 在教學過程中，加強“彈性力學”與“材料力學”相關知識點的比較，以及引導學生了解彈性力學如何為水工建筑物和水電站等專業課程服務，讓學生更加重視彈性力學這門課程，增強學習的興趣。譬如在水工建筑物中，目前對大壩獨立壩段的理論分析仍然采用的是材料力學方法，材料力學方法采用的是平截面假設和縱向纖維互不擠壓的假設，未考慮縱向的擠壓應力，導致計算結果和實際情況誤差較大；彈性力學方法則拋棄了這兩個假設，從微元體的出發建立控制方程，即平衡微分方程、幾何方程和物理方程，并依據邊界情況建立應力邊界條件和位移邊界條件，比材料力學的解答更精確。大壩內分布著不同的廊道系統，為有孔結構，有孔結構與無孔結構的應力分布有著明顯的不同，材料力學仍然假設應力為沿孔邊均勻分布，誤差較大，而彈性力學的計算結果表明在孔邊發生應力集中現象，拉應力明顯增大，更加符合實際情況，因此對于有孔結構應用彈性力學理論更加精確。

3 “彈性力學”的教學手段

針對“彈性力學”教學的新模式，我們采用了相應的教學手段，包括：（1）資料收集：對水利工程項目中水工建筑物力學問題進行搜集、分析和整理，將其引入到課堂教學中，加強工程實踐與彈性力學知識體系的聯系，尤其對工程項目中能簡化為兩類平面問題的結構進行重點講解，給學生更加直觀的認識；（2）最新文獻展示：將彈性力學領域最新的科研成果在課堂上介紹給學生，引導學生總結其中的創新之處并提出尚未解決的問題及解決的思路，在課堂上可以提出自己的見解，鼓勵學生之間相互合作提出創新性的解決思路；（3）多媒體制作：將工程項目中的問題通過視頻、動畫等方式在課堂上進行展示，使學生努力克服對枯燥的力學知識學習的畏難情緒，增加課堂的生動性。

4 結語

西安理工大學水利水電工程專業以專業認證為契機，進一步明確了辦學理念、辦學特色，并使專業課程布局更加合理。“彈性力學”作為水利水電工程專業的基礎力學課程，我們根據專業認證的要求及專業特點，制定了新的教學模式并采用了現代化的教學手段，可以增強了學生的學習“彈性力學”的興趣，并有利于培養學生的實踐能力和創新能力。