新工科背景下“損傷理論及其應用”科教融合教學模式探討

摘"要：課程教學是培養研究生創新能力的重要載體之一，是幫助其構建完整的知識體系、培養和提高創新能力的重要手段。課程教學質量直接影響研究生知識體系形成、科研創新能力培養和提高。本研究以提高土木工程專業研究生科研能力和創新思維能力為目標，結合研究生知識結構成長時序特征，對“損傷理論及其應用”課程教學內容、教學方法等方面進行教學改革探討，探索新工科背景下以“科研成果轉化滲透教學內容、課程教學促進科研探索延伸”為導向的土木工程研究生課程教學改革與創新發展之路，為培養新工科背景下的高質量研究生做一些基礎工作。

關鍵詞：新工科；科教融合；損傷理論及其應用；創新能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1"概述

新工科是全球科技產業優化和工業飛速發展背景下教育改革的重大戰略選擇［1］。以新經濟、新產業為背景，提出在設置和發展一批新興工科專業的同時加強推動現有工科專業的改革創新［2］。相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要具有工程實踐能力強、創新能力強、國際競爭力強的高素質、復合型新工科人才［34］。教研〔2020〕9號《關于加快新時代研究生教育改革發展的意見》中明確指出，研究生教育肩負著高層次人才培養和創新創造的重要使命，是國家發展、社會進步的重要基石，是應對全球人才競爭的基礎布局。

土木工程專業作為傳統工科類專業代表之一，承擔著為國家培養大量土木工程高級應用型技術人才的重任。研究生教育教學模式應與時俱進、不斷革新，以適應日新月異的社會發展和行業需求。培養研究生創新能力就是培養研究生自我知識體系構建、發現問題、解決問題的能力。研究生課程教學是培養其創新能力的重要載體，是幫助其構建完整的知識體系、培養和提高創新能力的重要手段。為此，本文以“損傷理論及其應用”課程為例，綜合考慮課程性質與研究生階段理論知識與研究應用的時序性，從教學內容、教學方法等方面提出相應的教學改革，為培養新工科時代高質量的土木工程研究生做一些探索。

2"“損傷理論及其應用”課程特點與教學現狀分析

2.1"“損傷理論及其應用”課程特點與性質

損傷理論是力學基礎理論與工程實踐相結合的產物，是固體力學的一個新分支，代表了近代力學發展的前沿。與傳統“材料力學”“結構力學”“彈性力學”相比，“損傷理論及其應用”研究范圍廣，研究對象不再局限于符合均質假設的彈性體、彈塑性體和剛體，還可以是與實際工況相符的非均質物體。它以連續介質力學、材料強度理論和固體物理學為基礎，用固體力學的方法研究材料或構件，從原始缺陷（微裂縫、微空洞等初始損傷）的發展到宏觀裂縫形成、擴展演變直至斷裂破壞的全過程，既能反映材料微觀結構的變化，又能說明材料宏觀性能的響應機制，在一定程度上彌補了單純的微觀損傷和宏觀性能劣化研究的不足。因此，土木工程學科開設“損傷理論及其應用”課程為本學科研究生打下扎實的力學基礎，對培養其科學研究創新能力和解決實際工程問題能力起到了積極作用。

損傷理論的核心問題是固體材料的破壞問題，涉及知識點多、涵蓋面寬，理論深度大且抽象。如何幫助學生將所學內容由認識到理解，到實際工程應用，再到對工程問題的科學研究機理研究乃至改進創新，是本課程教學的重點，也是課程改革不斷探索的核心所在。

2.2"“損傷理論及其應用”課程設置、教學現狀

目前，國內很多高校的工學學科如土木工程、機械工程、航空航天等已開設了“損傷力學”或“斷裂力學”研究生課程，并且在課題研究中也得到了廣泛應用。內蒙古自治區高校學科涉及土木工程、機械工程、水利水電工程、水工結構工程、能源工程等工學學科，研究生培養方案多以專業課為主，力學類課程開設相對較少，大部分是在本科階段“材料力學”“結構力學”和“彈性力學”課程的基礎上，開設了“彈塑性力學”和“結構動力學”課程，研究對象要滿足均勻性、各向同性假設。因此，出現研究生力學理論與方法的深度不夠，力學理論和力學思想、方法等在研究課題中的應用受到一定局限等問題。

內蒙古農業大學土木工程學科于2021年春季學期開設了16學時的“損傷理論及其應用”課程。本課程參考書目主要是余天慶、錢濟成編著的《損傷理論及其應用》和王軍編著的《損傷力學的理論與應用》，版本較早，理論與新型問題的融合度較低。

選擇往屆開設課程的研究生進行問卷調查，問題涉及課程內容與研究課題的關系、課程對研究過程的作用以及在研究生期間和工作后的影響等方面。調查結果顯示：91.67%的學生認為“損傷理論及其應用”課程與其科學研究項目的關聯度高；62.5%的學生認為該課程對其科學研究幫助很大；70.83%的學生認為該課程對其試驗分析、理論提升方面起到積極作用。

3"科教融合模式下“損傷理論及其應用”教育教學模式探索

3.1"研究生階段知識體系構建的時序特征

國內全日制土木工程碩士研究生實行三年制或兩年制教育，研究生成長過程分以下階段。

初級階段：理論知識的儲備階段。研究生入學的第一年修讀土木工程學科相關必修和部分選修專業課程，掌握本學科的基本理論、基本研究方法和測試手段等，并結合具體研究領域和研究方向查閱相應的文獻，了解國內外先進的研究方法和取得的研究成果。

中級階段：理論與實踐相結合的探索階段。在掌握本學科基本理論、研究方法及國內外研究成果的基礎上，結合工程實際情況和區域發展的需求，深度思考其中潛在的科學問題，凝練出相應的解決方案和方法，并進行可行性論證。本階段是理論學習后與實踐的第一次碰撞。

高級階段：實踐應用對理論的升華階段。采用合理可行的測試手段，獲得擬解決問題的特征參數，如混凝土抗凍耐久性指標—質量損失率和相對動彈性模量、微觀孔隙結構特征參數、化學產物的物質組成等。每一種數據都包含各自獨特的規律，隱藏在內部的損傷機理往往無法簡單地用某一組測試數據去完整描述。引入挖掘問題本質規律的專業理論（如損傷理論），從多角度、多維度探究潛在的科學問題，如利用損傷理論深入分析凍融環境服役的混凝土微觀孔隙結構特征、物質組成成分、化學產物等損傷及其內在機理，揭示宏觀現象（如抗凍耐久性指標）與微結構演化的響應機制。本階段是理論指導科學研究或工程實際問題的升華階段，也是研究生創新能力得以體現的重要階段。

因此，如何把初級階段的理論課程與中高階段工程實際和科學問題有機結合？課程的教學內容、教學方法改革與研究生創新能力培養息息相關，也是培養高質量研究生創新能力的一個重要基礎環節。

3.2"科研成果滲透課程教學，理論與實踐有機融合

新工科背景下，研究生教育堅持以國家需求為導向，扎根中國大地，全面提升研究生教育服務國家和區域發展能力。這就要求課程教學內容充分體現與科學研究、工程實踐、區域發展相結合。“損傷理論及其應用”課程旨在為研究生利用力學知識合理解決相關科研問題和工程難題打下良好的基礎。因此，加強基礎理論知識與實際問題的結合是本課程教學改革的關鍵。將案例分析、工程實踐以及先進的科研成果等融合滲透到教學內容中，實現理論教學與實踐應用相結合，體現經典理論在解決錯綜變化的工程問題時的魅力，探索一條適合研究生快速、有效理解和掌握損傷理論及其應用的途徑。

“損傷理論及其應用”課程學時少（16學時）、內容多，主要包括：損傷理論的研究內容和研究方法、連續介質力學的基本定律、損傷理論的熱力學基礎、能量損傷理論及其應用、幾何損傷理論及其應用［56］，主要研究方法見圖1。若以工程材料或結構為研究對象，其內部存在的微缺陷在不同服役條件下擴展、聚合等行為使材料力學性能出現劣化，可用損傷變量來表征這種劣化程度。損傷變量既可以選擇強度、相對動彈性模量等宏觀指標，也可以選擇裂縫長度、孔隙參數等微觀量。根據材料的損傷機理，選擇合理的損傷變量，建立損傷演化方程，描述損傷演化及發展規律。

以經典損傷理論為基礎，不斷更新教學內容，緊跟學科前沿。及時關注損傷理論及其應用的最新研究成果和發展趨勢，將最新的科學研究成果、實際工程應用和學術觀點融入課堂教學內容，保證教學內容的時效性和前沿性。實現將經典力學知識應用于解決工程實際問題和科學研究，既包括損傷基本理論，又對其研究過程進行詳細的分解，這有助于培養研究生科學的創新思維和結合工程實際的創新能力。以本學科近期研究成果——“常溫堿激發粉煤灰混凝土的風蝕凍融損傷機理研究”為例（見圖2），立足建筑材料行業的低碳發展和工程應用對耐久性能的實際需求，利用常溫堿激發技術提高粉煤灰在混凝土中對水泥的替代率，并深入研究其在凍融、風蝕凍融等不利環境的損傷特征。選擇相對動彈性模量為損傷變量，其隨凍融循環次數表現出一定的規律性。為進一步探索堿激發混凝土材料的抗凍融、風蝕凍融的損傷規律，引入灰色理論和Markov過程，建立堿激發粉煤灰混凝土凍融、風蝕凍融壽命預測的優化殘差Markov模型，結合堿激發混凝土的微結構演化特征，描述常溫堿激發粉煤灰技術制備的混凝土在凍融、風蝕凍融環境的損傷規律及其服役壽命預測，為低碳、綠色建材的工程推廣應用奠定理論基礎。

科研成果滲透融合到教學內容幫助學生分析材料損傷破壞特征與服役環境之間的關系，構建不同的假設和不同的理論對實際工程問題進行簡化后，得到更便于工程應用的分析問題、解決問題的研究體系。課程內容展現在科研成果案例中，實現研究生理論學習與實際工程應用或科學研究的有機結合，引領其從初級階段的理論學習型向中高級階段的實踐應用型轉變。

3.3"傳統講授與研討式促進科研探索延伸的教學方式

課堂教學的本質是知識的傳遞，而教學方法直接決定教學內容傳授的效果。研究生課程的目標聚焦在培養其創新能力與實際應用能力上，以堅實的力學理論基礎為基石，奠定了土木工程學科研究生分析問題、解決問題的深度。在傳統經典理論講授的基礎上，以專題研討的形式對土木工程學科不同研究方向開展基于課題成果的損傷理論應用問題討論，借助這種科教融合內容的專題式研討加深學生對“損傷理論及其應用”理論知識的理解程度，開拓研究生力學思維的深度、寬度與廣度，實現所學專業知識相互融會貫通、滲透、交融，努力把初級階段的“學”與中高級階段的“用”有機結合起來，是研究生個人成長過程中理論與實踐的融合、統一。

此外，研究生課程教育應充分發揮研究生的主體作用，開展研究生自主研討交流活動，鼓勵其根據各自的研究對象、研究內容，查閱已取得的研究成果，進行多角度、多維度對比、分析、討論，提出新發現、新問題，激發其批判思維和創新熱情。通過課堂研討，研究生們彼此分享對損傷理論的理解及其在各種工程問題中的應用，既加深研究生對一些概念、理論、方法的理解，實現由點及面的多角度發散思維，同時也通過互相交流分享實現不同研究領域知識互補，幫助研究生拓寬了知識面，開闊了視野，有利于開拓更新的科研思路，促進科研探索多角度的延伸。

結語

研究生專業課程學習是研究生系統性、高階性獲取專業知識的重要途徑之一。在有限的教學課時數下，課程內容、教學方式等直接影響研究生對理論知識的理解和科學研究應用能力。高校研究生教育肩負著培養高層次創新人才的重任，探索新工科背景下適合工科學科發展的課程教學需要教師、學生雙向不斷思考、嘗試、摸索、改進，任重而道遠。本文以“損傷理論及其應用”課程為例，開展以“科研成果轉化滲透教學內容、課程教學促進科研探索延伸”為導向的土木工程研究生課程教學改革，探索以堅實的理論基礎為基石，推動科研的深層發展，以工程實際相結合的科研成果新發展的多角度延伸。

參考文獻：

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［2］李正良，廖瑞金，董凌燕.新工科專業建設：內涵、路徑與培養模式［J］.高等工程教育研究，2018（2）：2630+57.

［3］王剛，運飛宏，陳曦.面向新工科建設的高校研究生實踐創新能力提升路徑研究［J］.黑龍江高教研究，2023，41（07）：104109.

［4］勾紅葉，蒲黔輝，洪彧，等.新工科背景下土木工程專業研究生交叉創新能力培養及導師團隊建設探索［J］.高等建筑教育，2021，30（5）：5460.

［5］余天慶，錢濟成.損傷理論及其應用［M］.北京：國防工業出版社，1993.

［6］王軍.損傷力學及其應用［M］.北京：科學出版社，1997.

基金項目：內蒙古自治區研究生教育教學改革項目“科教融合模式的研究生專業課程教學改革研究”（JGCG2023066）

作者簡介：鄒春霞（1975—"），女，漢族，山東榮成人，博士研究生，教授，主要從事工程材料的力學行為和耐久性能教學與研究。