新工科下提高彈性力學課程教學效果的探索和實踐

湖南科技大學土木工程學院 顏世軍 彭 劍 尹博淵

彈性力學課程作為力學類和土木類等專業本科教學專業基礎課，在相關專業課程體系中扮演著承前啟后的關鍵角色。課程的主要任務是掌握彈性力學三大基本方程，并利用合適的解析、近似或數值求解方法，針對實際工程問題進行解算。課程理論深度高、數理基礎強、學習難度大，采用合理的教學手段對激發學生學習興趣和提高學習效果至關重要。

一、提高彈性力學課程教學效果的必要性

新工科背景下，國家對人才個人能力、團隊意識和全局眼界等的要求都在不斷提高，計算機和信息技術的快速發展使課程教學采用多元化教學模式越發便利。為滿足高校培養專業基礎厚、實踐能力強和綜合素質高的人才需求，采用科學的課程教學方法對滿足新時代下彈性力學教學目標顯得尤為緊迫。立德樹人和潛心育人是高校對人才培養的基本要求，如何讓學生在面對彈性力學課程高深的理論知識和煩瑣的數學推導中享受優雅的人文熏陶，課程思政與課程教學的合理有效融合十分關鍵。

目前面向工科類的彈性力學大都以理論教學為主，過多注重數理基礎的應用，而忽視課程本身的實際工程應用價值，過多注重個人能力的培養，而忽略了團隊能力和全局意識的提升。經過一定時間的教學，只使學生掌握了對特定題型的計算分析，但缺乏基本概念的深入理解，缺乏面向實際工程問題開展建模、計算和分析的能力以及團隊協同解決問題的能力。為促進新時代人才質量全面提升，彈性力學課程教學既要注重學生力學思維的培養，還應關注其人文素質、求真創新精神和團隊協作能力等的提升。

二、提高彈性力學教學效果的有關措施

為克服傳統教學方法存在的不足，有效激發學生對彈性力學的學習興趣，提高學習效果，以滿足新工科背景下的人才需求。筆者結合多年積累的彈性力學課程教學經驗，積極探索了能有效實現課程思政、虛擬仿真實驗及實踐課程設計與彈性力學課程教學有機融合的相關教學措施（如右圖）。

彈性力學課程教學流程

（一）課程教學與課程思政有機結合

課程思政教育符合時代需求，是高校立德樹人教育的重要環節。彈性力學課程以理論講述為主，課程內容大都以煩瑣的數學公式來表述，教學過程枯燥，我們可以通過課程內容所涉及人文特征、工程案例和國家需求提升學生學習興趣，培養其刻苦精神和工程素養。

1.以史為鏡助學生樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀。通過講述納維、柯西和圣維南等著名科學家分別對平衡方程、應力張量和半逆解法的發展貢獻以及個人成長歷程，正確樹立學生勤奮好學和永攀高峰的人生觀。結合錢學森、錢偉長、胡海昌和鐘萬勰等國內科學家對彈性力學貢獻以及利用彈性力學知識成功解決工程實際問題的相關事例，培養當代大學生的文化自信和愛國情懷。

2.以案例講解培養學生工程設計所需的工程素養。在講解彈性力學楔形體力、壓力隧洞和半空間體力學計算等專項問題時，可有效結合重力壩壩體設計、過海隧道結構分析以及高層建筑地基沉降分析等工程案例，讓學生正確認識學習彈性力學的工程背景與意義，增強學生工程設計必須具備的責任心，強調相關問題的解決需要團隊協同作戰、相互溝通和交流，知識和技能是解決實際工程問題的基礎。

3.以需求導向提升學生學習的歷史使命感。在國家戰略轉型大背景下，實際工程領域不斷涌現出亟待解決的新科學技術問題。通過彈性力學課程專項問題講解，引申說明當前中國科技上天入地下海所需的先進科學技術，探月工程與空間站的建設離不開大推力火箭合理設計、大型盾構機作業下壓力隧洞的力學性能分析與破壞預測，深潛機器人在復雜高水壓作用下的結構設計等都離不開力學專業知識。

（二）理論教學與虛擬仿真合理互補

虛擬仿真實驗是在計算機硬件平臺基礎上，結合利用虛擬視覺技術與專業仿真計算軟件，構建高度真實的虛擬環境實驗平臺，可有效解決試驗設備不足、實驗耗費大成本高等問題，并能克服實際實驗時存在的復雜性和危險性。通過與虛擬仿真有效結合，可方便學生直觀正確理解課程理論方法的計算結果與實用性，以實用性促進學生對課程理論知識從被動式接收到主動式探索，極大激發學生對學習彈性力學課程的學習興趣，提高學習效果，并為后續專業課程打下理論基礎。

目前彈性力學課程教學過度關注工程實例理論推導過程而忽略了計算結果分析與展示，彈性力學課程雖然大多以煩瑣的理論推導為主，然而其解決的實際算例則都是面向實際工程問題，在課程理論教學中結合相關虛擬仿真實驗結果，可有效提高教學效果，增強學生對相關工程與科學問題的認識和理解。例如，針對圓孔應力集中問題，可利用虛擬視覺技術模擬帶圓孔的矩形薄板在不同加載條件下的試驗環境，并結合Ansys或Abaqus軟件仿真平臺分析對應實驗條件下試件的應力分布規律，提高學生對計算結果的理解；針對半空間體受平面壓力荷載作用下的變形分析，利用虛擬仿真實驗分析路基在高層建筑作用下的沉降，增加學生對符拉芒公式的理解，并激發其面對復雜力學問題的學習興趣；針對彈性波傳播問題，結合霍普金斯桿沖擊虛擬實驗仿真平臺，加深學生對波動理論的認識，了解波速的影響因素，以及不同應力波在彈性體內的傳播、反射和折射特性，克服課堂“灌輸式”教學模式下導致學生對相關知識點認識不足、理解不深刻的缺陷。

（三）課堂教學與課程設計相互促進

課程設計是提升相關專業學生利用課程所學知識解決工程問題能力的實踐性活動，與課堂理論教學可形成有機互補。在以教師為主導的課堂理論教學活動中，煩瑣抽象的數學演化推導易造成學生學習畏葸不前。利用課程設計注重應用性與探索性的優勢，合理開展彈性力學課程設計可培養學生信息獲取與挖掘能力、相關基礎與專業知識的綜合運用能力、團隊協作與交流溝通能力，從而反促學生掌握彈性力學基本知識和建模方法，提升學生分析和解決工程實踐問題的能力。

彈性力學課程設計實施過程中應堅持以學生為中心和教師為主導的基本原則。一方面，確定合適的課程設計選題是能有效開展課程設計的關鍵。教師應在教學生涯中不斷追蹤與課程內容有關的實際生活和工程資訊，及時更新補充相關專業知識。在滿足教學大綱和目標的前提下，按照學生所學專業性質和個人興趣，進行科學選題，選題應具有一定的應用性和綜合性，難易適中。例如，針對土木類專業學生，可以選擇重力壩、邊坡、彈性地基梁、彈性地基和壓力隧洞等的力學分析問題作為研究對象。另一方面，課程設計過程合理監督是能否圓滿完成教學目標的重中之重。指導教師應定期檢查與指導，設計時充分體現學生自主性，全方位讓學生解放思想，勇于探索。考慮以3—5人為設計小組，并確定組長對小組成員進行監督，小組成員應合理分工與協作，針對實際問題，利用彈性力學課程專業知識，抽象并建立力學模型，推導并給出解析或近似解，結合數學基礎知識及相關計算方法，運用計算機編程對問題求解，并對計算結果進行深刻的量化分析。

綜上所述，為滿足新形勢下高校對人才質量全方位培養需求，有效提升彈性力學課程的教學質量，利用彈性力學課程本身蘊含的人文優勢，結合多元化的教學手段，以及理論教學與實踐教育的有效融合。筆者就彈性力學課程教學與思政，理論教學與虛擬仿真實驗、課堂教學與課程設計三方面的有效融合進行了探討與實踐。相關措施的實施可有效激發學生的學習興趣，打破重基礎輕應用的彈性力學教學傳統，為彈性力學課程教學改革提供重要參考。