新工科背景下“板殼力學(xué)”課程教學(xué)改革探索

［摘 要］ 新工科模式的提出與推進(jìn)對(duì)高等院校的教學(xué)改革提出了新要求。“板殼力學(xué)”作為河海大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)的一門重要課程，須緊跟高等教育的發(fā)展形勢(shì)，進(jìn)行教學(xué)改革。根據(jù)這門課的特點(diǎn)及多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合學(xué)校的行業(yè)背景和人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)“板殼力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式進(jìn)行了改革探索與實(shí)踐。教學(xué)內(nèi)容方面，通過挖掘思政元素并潤(rùn)物無(wú)聲地融入課堂，讓課程教學(xué)與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)。教學(xué)方式方面，在數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較煩瑣的部分，通過增大板書教學(xué)的比重，增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，提升了教學(xué)過程的感染力，塑造了學(xué)生的品質(zhì)。多年實(shí)踐證明，改革后的教學(xué)效果明顯改善，能很好貫徹落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；板殼力學(xué)；課程教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度河海大學(xué)課程思政示范課程建設(shè)項(xiàng)目“工程力學(xué)”（2022B15）；2022年度河海大學(xué)小型教學(xué)管理研究項(xiàng)目“力學(xué)類課程中運(yùn)用多元化板書進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)的探索與實(shí)踐”（B2201909）；2023年度河海大學(xué)課程思政案例庫(kù)項(xiàng)目“彈塑性力學(xué)課程群”

［作者簡(jiǎn)介］ 徐業(yè)鵬（1983—），男，湖北漢川人，博士，河海大學(xué)工程力學(xué)系講師，主要從事計(jì)算力學(xué)與工程仿真研究；王 磊（1980—），男，山東濰坊人，博士，河海大學(xué)工程力學(xué)系教授，主要從事計(jì)算力學(xué)與工程仿真研究；余天堂（1971—），男，湖北洪湖人，博士，河海大學(xué)工程力學(xué)系教授（通信作者），主要從事計(jì)算力學(xué)與工程仿真研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）19-0061-04 ［收稿日期］ 2023-07-27

“板殼力學(xué)”是工程力學(xué)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容包括薄板理論和薄殼理論兩部分。該課程屬于應(yīng)用彈性力學(xué)的范疇，學(xué)生在完成“彈性力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)后，通過學(xué)習(xí)板殼力學(xué)，掌握板殼力學(xué)的計(jì)算假定、基本方程和求解方法，學(xué)會(huì)使用多種方法計(jì)算板殼結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，實(shí)現(xiàn)將板殼力學(xué)經(jīng)典理論與現(xiàn)代工程實(shí)際相結(jié)合，為工程應(yīng)用及其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該課程的系統(tǒng)性與理論性較強(qiáng)，可通過在教學(xué)過程中融入部分有趣的思政內(nèi)容，使教學(xué)過程更具感染力，教書育人的效果得到凸顯。另外，針對(duì)數(shù)學(xué)公式較多的部分，可采用板書推導(dǎo)的方式進(jìn)行授課，引領(lǐng)學(xué)生理解和提高。多年實(shí)踐證明，思政結(jié)合板書的教學(xué)手段效果很好，能有效實(shí)現(xiàn)教育“價(jià)值引領(lǐng)”與“知識(shí)傳授”的雙重功能。

一、更新教學(xué)內(nèi)容，思政元素融入課程教學(xué)

2016年12月，習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程。使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)［1］。2019年3月，習(xí)近平總書記在北京主持召開學(xué)校思想政治理論課教師座談會(huì)時(shí)強(qiáng)調(diào)，挖掘其他課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人［2］。在新工科背景下，課程思政強(qiáng)調(diào)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)思想，通過深入挖掘思政元素，探索課程知識(shí)體系與課程思政理念的有機(jī)融合方式，豐富課堂教學(xué)。同時(shí)，回歸優(yōu)良的傳統(tǒng)教學(xué)方法，全方位、多角度、生動(dòng)有趣地開展課堂教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生德育與智育的協(xié)同培養(yǎng)。由于課時(shí)限制，專業(yè)課在講授過程中不能使用過多的時(shí)間開展思政教學(xué)，這就要求教師要盡可能地設(shè)計(jì)好思政元素，潤(rùn)物無(wú)聲地融入教學(xué)中。考慮到思政教學(xué)點(diǎn)與所在章節(jié)內(nèi)容的協(xié)調(diào)性和一致性，修訂后的“板殼力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容增添了4個(gè)思政教學(xué)點(diǎn)。

（一）世界板殼理論的“中國(guó)聲音”

講授“板殼力學(xué)”緒論部分時(shí)，引出世界板殼理論的“中國(guó)聲音”這一思政點(diǎn)，介紹錢偉長(zhǎng)院士在板殼理論方面做出的貢獻(xiàn)。20世紀(jì)40年代初，錢偉長(zhǎng)研究了板殼問題內(nèi)稟統(tǒng)一理論，提出了板殼理論的非線性微分方程組，在國(guó)際上被稱為“錢偉長(zhǎng)方程”。1977年，美國(guó)出版的《板殼漸進(jìn)解》一書還把錢偉長(zhǎng)的這一工作譽(yù)為“劃時(shí)代的工作”。錢偉長(zhǎng)的有關(guān)儀表彈性元件環(huán)殼分析解釋的研究成果，被譽(yù)為“具有中國(guó)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的重要貢獻(xiàn)”，他研究了薄板大撓度問題的攝動(dòng)方法，被稱為“錢偉長(zhǎng)法”［3］。錢偉長(zhǎng)在板殼理論方面做出了劃時(shí)代的工作，為祖國(guó)贏得了巨大的榮譽(yù)。通過介紹該思政點(diǎn)，教導(dǎo)學(xué)生中國(guó)人也一樣可以做出世界級(jí)成果，不要迷信權(quán)威，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷，堅(jiān)定學(xué)生的民族自信。

（二）雙曲扁殼閘門的設(shè)計(jì)

殼體結(jié)構(gòu)受力合理，因此在工程中被廣泛應(yīng)用。講授完薄殼的基本理論后，引出“雙曲扁殼閘門的設(shè)計(jì)”這一思政點(diǎn)。首先，簡(jiǎn)要介紹思政點(diǎn)內(nèi)容，即徐芝綸院士首次應(yīng)用彈性力學(xué)合理地設(shè)計(jì)了雙曲扁殼閘門，制造了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)跨度最大的雙曲扁殼閘門。然后，詳細(xì)介紹該思政點(diǎn)內(nèi)容的來(lái)龍去脈。20世紀(jì)70年代初，徐芝綸院士和河海大學(xué)工程力學(xué)系幾位年輕教師一起到滁河紅山窯水利樞紐工地開展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)，由于節(jié)制閘閘孔的跨度大，如果采用當(dāng)時(shí)流行的鋼筋混凝土框架—鋼絲網(wǎng)水泥平板型式閘門，則自重大，對(duì)啟閉機(jī)要求較高，徐芝綸決定采用當(dāng)時(shí)在工民建上很先進(jìn)的雙曲扁殼結(jié)構(gòu)型式的閘門。為了解決雙曲扁殼承受水壓力荷載的內(nèi)力計(jì)算問題，徐芝綸夜以繼日地推導(dǎo)公式，并用差分法手算得出雙曲扁殼在水壓力作用下的內(nèi)力，使雙曲扁殼閘門的設(shè)計(jì)得以完成。為了便于工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)，徐芝綸又進(jìn)一步計(jì)算，制成許多計(jì)算表格。最后，凝練出三個(gè)課程思政教學(xué)點(diǎn)：第一，要敢于突破現(xiàn)行的傳統(tǒng)做法，敢于創(chuàng)新，創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂；第二，要善于運(yùn)用學(xué)習(xí)的知識(shí)解決實(shí)際工程問題，不應(yīng)為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)，而應(yīng)學(xué)有所用；第三，要學(xué)習(xí)徐芝綸“什么事情都是首先為別人著想，寧可自己付出更多的辛勞”的精神，先人后己不僅是一種美德，也是一種精神。

（三）一種通用的板殼單元

薄板殼分析的單元不適用于厚板殼問題，反之，厚板殼分析的單元也不適用于薄板殼問題，能否建立一種通用的板殼單元成為人們關(guān)心的問題。由于平板殼元最為簡(jiǎn)單和直觀，許多學(xué)者的研究集中于構(gòu)建通用的平板殼元。河海大學(xué)工程力學(xué)系邵國(guó)建老師在20世紀(jì)90年代構(gòu)造了一種通用的四邊形平板殼元（簡(jiǎn)稱為GSQ24殼體單元）［4］。GSQ24殼體單元是一種帶有平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度的四結(jié)點(diǎn)平板單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)六個(gè)自由度，此種單元由基于Mindlin板理論的平板彎曲單元和基于修正Reissner泛函中引入獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)變分原理的平面膜單元組合而成。GSQ24殼體單元一方面避免了常規(guī)殼體單元中每個(gè)結(jié)點(diǎn)五個(gè)自由度在單元共面時(shí)造成剛度矩陣奇異問題；另一方面通過在膜元位移模式中引入適用于任何四邊形單元的不協(xié)調(diào)位移函數(shù)，使得膜元和彎曲元中位移插值函數(shù)階數(shù)匹配問題也得到妥善解決。在應(yīng)用上，GSQ24殼體單元易于模擬復(fù)雜的殼面連接，易于與別的帶有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的單元相容。此種單元理論基礎(chǔ)嚴(yán)謹(jǐn)、方法簡(jiǎn)明、適用性廣，且無(wú)任何閉鎖及多余的零能模式。通過介紹該思政點(diǎn)，教導(dǎo)學(xué)生在河海大學(xué)也可以取得優(yōu)秀的成果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)校自信和專業(yè)自信。

（四）抓大放小彰顯哲學(xué)智慧，巧用圣維南原理處理板邊次要邊界條件

“板殼力學(xué)”課程教學(xué)中充滿著辯證法思想，比如法國(guó)力學(xué)家提出的圣維南原理。由該原理引出科學(xué)研究的方法論——“抓大放小法”，即分清主次，抓住主要矛盾，搞好宏觀控制，對(duì)次要矛盾進(jìn)行微觀調(diào)節(jié)。課堂授課時(shí)，教師要告知學(xué)生，這個(gè)方法論在力學(xué)分析中有著廣泛應(yīng)用，如“彈性力學(xué)”與“板殼力學(xué)”中的幾個(gè)基本假設(shè)、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問題的處理思路均包含了“抓大放小法”，由此培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而達(dá)到“授人以漁”的教學(xué)目標(biāo)。再如，在講到矩形薄板小撓度彎曲問題時(shí)，如果板邊不是簡(jiǎn)支或者固支而是自由邊時(shí)，其邊界條件可應(yīng)用圣維南原理進(jìn)行近似處理，即把邊界上的扭矩等效為剪力，再與邊界上的實(shí)際剪力疊加，用此總剪力滿足剪力的邊界條件，這種等效實(shí)際上就是應(yīng)用圣維南原理，可取得很好的計(jì)算效果。

二、優(yōu)化教學(xué)方法，合理利用板書

近年來(lái)，多媒體教學(xué)已成一種時(shí)尚和趨勢(shì)，不少高校還專門建設(shè)了智慧教室。相比于傳統(tǒng)板書教學(xué)，多媒體教學(xué)與智慧教學(xué)有其優(yōu)越性，比如學(xué)生無(wú)法進(jìn)入教室進(jìn)行線下學(xué)習(xí)時(shí)，采用PPT線上授課可以基本滿足教學(xué)要求。另外，在線下授課時(shí)，為提高學(xué)生對(duì)板殼力學(xué)工程背景的感性認(rèn)識(shí)，可以在第一堂課上利用多媒體教學(xué)便利，放映一些國(guó)內(nèi)外大型體育場(chǎng)館、歌劇院、橋梁、航天飛行器結(jié)構(gòu)、水面艦船、潛艇等的照片，介紹每種結(jié)構(gòu)中的板殼力學(xué)計(jì)算模型，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們深切感受到好好學(xué)習(xí)這門課會(huì)和學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)一樣將來(lái)能夠解決實(shí)實(shí)在在的工程問題，有廣闊的應(yīng)用前景，這種授課處理方式效果很好。但是，“板殼力學(xué)”這門課涉及的偏微分方程、偏微分算子、雙重級(jí)數(shù)解答較多，如果每章的教學(xué)及歸納都以多媒體為主，會(huì)使學(xué)生感到枯燥，且有些重要公式與解答需要詳細(xì)推導(dǎo)過程，如果仍采用PPT放映的方式一帶而過，不利于學(xué)生扎實(shí)理解與掌握。針對(duì)這部分內(nèi)容，改用傳統(tǒng)板書教學(xué)將會(huì)收到更好的教學(xué)效果。

近幾年以來(lái)，筆者嘗試采取傳統(tǒng)的板書授課法，努力讓課堂回歸它的本真意義，即讓學(xué)生的目光和注意力鎖定在教學(xué)內(nèi)容上，促使學(xué)生及時(shí)有效地動(dòng)手記錄講授要點(diǎn)和課堂思考，構(gòu)建教師和學(xué)生高度融合的教學(xué)場(chǎng)域。同時(shí)，設(shè)法與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把立德樹人作為教育的根本任務(wù)，取得了很好的教學(xué)效果。一筆一畫的板書，飽含著教師立德樹人的初心，以及教師對(duì)學(xué)子的真心，也傳遞著教師對(duì)課堂的熱愛、對(duì)教育的心血傾注。學(xué)生受到教師的正面影響，學(xué)習(xí)的積極性得到了提高，學(xué)習(xí)效果得到了增強(qiáng)（如圖1所示）。

結(jié)語(yǔ)

貫徹落實(shí)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，圍繞“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人”［5］這一根本問題，深入挖掘“板殼力學(xué)”課程包含的顯性和隱性思政元素，探索將思政元素合理融入“板殼力學(xué)”課程的教學(xué)方法。同時(shí)研究多媒體教學(xué)、板書教學(xué)兩種不同授課方式的有效融合方式，形成“板殼力學(xué)”一流課程建設(shè)中思政教育的體系與方法，讓價(jià)值引導(dǎo)在“板殼力學(xué)”課程設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)中如鹽在水，達(dá)到“春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲”的育人效果，從而真正實(shí)現(xiàn)教育“知識(shí)傳授”與“價(jià)值引領(lǐng)”的兩重功能。

參考文獻(xiàn)

［1］習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程 開創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（1）.

［2］習(xí)近平主持召開學(xué)校思想政治理論課教師座談會(huì)強(qiáng)調(diào) 用新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想鑄魂育人 貫徹黨的教育方針落實(shí)立德樹人根本任務(wù)［N］.人民日?qǐng)?bào)，2019-03-19（1）.

［3］王貞虎.著名力學(xué)家錢偉長(zhǎng)的成長(zhǎng)經(jīng)歷［J］.云南檔案，2020（9）：38-41.

［4］邵國(guó)建.GSQ24殼體單元用于板殼結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析［J］.工程力學(xué)，2002（6）：105-109.

［5］教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號(hào)［A/OL］.（2020-05-28）［2023-06-10］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

Exploration of Teaching Reform for Plate and Shell Mechanics under Emerging Engineering" Education Background

XU Ye-peng， WANG Lei， YU Tian-tang

（Department of Engineering Mechanics， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 211100， China）

Abstract： The proposal and promotion of the Emerging Engineering Education model has brought about new requirements for the curriculum teaching reform in colleges and universities. Plate and shell mechanics， as an important professional course of engineering mechanics in Hohai University， also needs to keep up with the development of higher education and carry out teaching reform. In view of the characteristics of this course， based on years of teaching experience， as well as the industry background and talent training objectives of the school， the teaching content and teaching methods of plate and shell mechanics course are explored and practiced. In terms of teaching content， the course teaching and ideological and political theory courses develop in the same direction by digging ideological and political elements and skillfully integrating them into the classroom， forming a synergistic effect. As to teaching methods for the combersome mathematical formula derivation， it is advisable to increase the proportion of blackboard teaching， so as to enhance the interaction between teachers and students， strengthen the appeal of the teaching process， shape the quality of students. Years of practice has proved that the teaching effect after the reform has been significantly improved， and it can well accomplish the fundamental task of establishing morality and cultivating talents.

Key words： Emerging Engineering Education; Plate and Shell Mechanics; teaching reform