地質(zhì)工科研究生彈塑性力學(xué)課程改革

隨著研究生招生規(guī)模的不斷擴大，如何提高教學(xué)效率和教學(xué)效果、如何在力學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性已成為教學(xué)工作者必須解決的問題。結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗對地質(zhì)工科類研究生彈塑性力學(xué)課程的改革進行了探索和實踐，主要包括模塊化結(jié)構(gòu)的彈塑性力學(xué)教學(xué)體系構(gòu)建、課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、改革教學(xué)方法和教學(xué)手段改革。彈塑性力學(xué)模塊化教學(xué)體系教學(xué)改革課程教學(xué)是學(xué)校人才培養(yǎng)鏈上的重要環(huán)節(jié)，專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)處在這個環(huán)節(jié)的中段，前有基礎(chǔ)課鋪底，后有專業(yè)課承接，起著承前啟后、打造學(xué)生獲取知識通道的作用。如何根據(jù)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的特點，按照碩士研究生培養(yǎng)目標對專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的要求，處理好原理性內(nèi)容與方法性內(nèi)容、難點性內(nèi)容與關(guān)鍵性內(nèi)容、過渡性內(nèi)容與創(chuàng)新性內(nèi)容講授的關(guān)系，改革教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量對搞好專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)具有重要意義。地質(zhì)工科研究生的培養(yǎng)目標，是掌握堅實的數(shù)學(xué)、力學(xué)、地質(zhì)工程基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識，了解本學(xué)科的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、前沿領(lǐng)域。由此可見，力學(xué)課程在地質(zhì)工科研究生培養(yǎng)中占有很重要的地位。筆者從1997年開始承擔研究生彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)工作，在教學(xué)過程中不斷征求學(xué)生的意見和建議，廣泛與專業(yè)課教師交流，探索了彈塑性力學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段的改革。一、模塊化結(jié)構(gòu)的彈塑性力學(xué)教學(xué)體系構(gòu)建上世紀，地質(zhì)工科碩士研究生的力學(xué)課程有：彈性力學(xué)及有限元素法（60學(xué)時）、塑性力學(xué)基礎(chǔ)（40學(xué)時）。其中彈性力學(xué)及有限元素法為學(xué)位課，重點介紹彈性力學(xué)基本理論（50學(xué)時），簡要介紹有限元素法的基本原理（10學(xué)時）。塑性力學(xué)基礎(chǔ)為選修課，一般學(xué)生只選擇其中的一門，選課人數(shù)僅有30%～40%，教學(xué)效果不是很理想。隨著塑性力學(xué)理論和塑性力學(xué)研究方法的不斷發(fā)展，在工程實際中的應(yīng)用也越來越廣泛。而部分碩士研究生在本科學(xué)過一些彈性力學(xué)的基礎(chǔ)知識（32～40學(xué)時），為此將彈性力學(xué)和塑性力學(xué)基礎(chǔ)整合成48學(xué)時的“彈塑性力學(xué)”課并作為地質(zhì)工科研究生的學(xué)位課。主要內(nèi)容包括：應(yīng)力分析理論、應(yīng)變分析理論、材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系（含屈服條件）、彈塑性力學(xué)解題方法、塑性極限分析方法、厚壁圓筒的彈塑性分析、旋轉(zhuǎn)圓盤的彈塑性分析、軸的彈塑性扭轉(zhuǎn)、板的彈塑性彎曲、巖土結(jié)構(gòu)的承載能力等。通過多年教學(xué)實踐，對教學(xué)內(nèi)容進行模塊化分割，建立了以基本理論模塊、基本方法模塊、應(yīng)用提高模塊的教學(xué)體系?；纠碚撃K主要包括彈塑性力學(xué)的基本概念、基本理論、基本方程。具體有彈塑性力學(xué)的基本概念、應(yīng)力分析理論、應(yīng)變分析理論、平衡微分方程及應(yīng)力邊界條件、幾何方程及位移邊界條件、應(yīng)變協(xié)調(diào)方程、彈性本構(gòu)方程、彈塑性本構(gòu)方程、彈塑性狀態(tài)判斷準則。這一部分內(nèi)容占總學(xué)時的1/3，即16學(xué)時左右。基本方法模塊要求學(xué)生重點掌握彈性和塑性力學(xué)分析問題、解決問題的思路和方法，主要包括彈性力學(xué)的位移法、應(yīng)力函數(shù)法（逆解法和半逆解法），彈塑性分析方法、塑性極限分析方法等。這一模塊約占總學(xué)時的1/3，即16學(xué)時左右。應(yīng)用提高模塊主要針對地質(zhì)工程中的力學(xué)問題，應(yīng)用基本理論和基本方法進行分析和求解，主要包括厚壁圓筒的彈塑性分析、梁的彈塑性彎曲、板的彈塑性彎曲、柱體的彈塑性扭轉(zhuǎn)、楔形體的彈性分析、應(yīng)力集中問題、巖石結(jié)構(gòu)承載分析等。這一模塊可根據(jù)不同專業(yè)進行選擇性教學(xué)，盡量結(jié)合專業(yè)背景和工程實例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，學(xué)時根據(jù)總學(xué)時可適當調(diào)整。二、課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化在加強基礎(chǔ)理論、基本方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，注重素質(zhì)和能力培養(yǎng)，結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高教學(xué)內(nèi)容的前沿性。按照三個模塊的教學(xué)體系和思路，對彈塑性力學(xué)教學(xué)內(nèi)容進行了以下幾方面的改革。1.精選基本內(nèi)容，擴充選學(xué)內(nèi)容重視地質(zhì)工科適用的基本理論、基本方法教學(xué)內(nèi)容，堅決淘汰了已過時的內(nèi)容，如半逆解法中用材料力學(xué)解答設(shè)應(yīng)力分量。一方面，由于材料力學(xué)為大學(xué)二年級所學(xué)，有的同學(xué)已比較淡漠，還有部分研究生以前沒有學(xué)過材料力學(xué)；另一方面，這種解法理論基礎(chǔ)不強，學(xué)生不易掌握。所以在半逆解法中重點介紹利用邊界上的應(yīng)力函數(shù)來求解彈性力學(xué)平面問題。此外，根據(jù)專業(yè)特點提供可選學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，如巖土材料的本構(gòu)方程、巖土結(jié)構(gòu)的承載能力分析、結(jié)構(gòu)的塑性極限分析等。2.處理好原理性內(nèi)容與方法性內(nèi)容將彈性力學(xué)和塑性力學(xué)有機結(jié)合，避免了基本理論、基本方法的重復(fù)，也使課程內(nèi)容相對完整。在應(yīng)力分析和應(yīng)變分析的教學(xué)后，系統(tǒng)介紹靜力平衡關(guān)系、變形幾何關(guān)系、本構(gòu)關(guān)系，使得教學(xué)內(nèi)容的深度有所增加。在教學(xué)過程中注意針對專業(yè)特點適當減少大量的繁瑣的原理性內(nèi)容的理論推導(dǎo)，把教學(xué)重點放在基本概念、基本理論的分析、理解和應(yīng)用上，突出解決問題的思路和方法，強化方法性內(nèi)容，把節(jié)約的學(xué)時用在解決與專業(yè)有關(guān)的工程實際問題上，如厚壁圓筒的彈塑性分析、柱體的彈塑性扭轉(zhuǎn)、平板的彈塑性彎曲、結(jié)構(gòu)的塑性極限分析等。3.加強教學(xué)內(nèi)容分析，讓關(guān)鍵性教學(xué)內(nèi)容起到關(guān)鍵性作用教學(xué)內(nèi)容是指教學(xué)過程中同師生發(fā)生交互作用、服務(wù)于教學(xué)目的達成的動態(tài)生成的素材及信息。教學(xué)內(nèi)容分析是以總的教學(xué)目標為基礎(chǔ)，分析學(xué)習(xí)內(nèi)容的范圍、深度，揭示學(xué)習(xí)內(nèi)容各組成部分的聯(lián)系，以達到使教學(xué)最優(yōu)化的內(nèi)容效度。包括對內(nèi)容范圍的分析和內(nèi)容結(jié)構(gòu)的分析。對教學(xué)內(nèi)容分析不僅要從微觀的角度，根據(jù)教材來分析教學(xué)內(nèi)容的組成部分，還應(yīng)該從課程或某節(jié)課的教學(xué)目標出發(fā)，從宏觀角度，根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域知識的范圍來考慮教學(xué)內(nèi)容。對內(nèi)容結(jié)構(gòu)的分析，要根據(jù)教學(xué)任務(wù)區(qū)分不同的教學(xué)層次，如首先確定終點任務(wù)（教學(xué)目標），然后根據(jù)具體的任務(wù)設(shè)計應(yīng)該學(xué)習(xí)的內(nèi)容，即確立子目標。教學(xué)內(nèi)容分析的過程一般包括：選擇與組織教學(xué)單元，對單元順序進行安排；確定學(xué)習(xí)內(nèi)容的類別；分析教學(xué)重點和難點。教學(xué)重點是教材中舉足輕重、關(guān)鍵性的、最基本的、最重要的中心內(nèi)容，是課堂結(jié)構(gòu)的主要線索，掌握了這部分內(nèi)容，對于鞏固舊知識和學(xué)習(xí)新知識都起著決定性作用。教學(xué)難點，一般是指學(xué)生和教師難以理解或領(lǐng)會的內(nèi)容，或較抽象、復(fù)雜、深奧的內(nèi)容。課堂教學(xué)過程是為了實現(xiàn)目標而展開的，確定教學(xué)重點、難點是為了進一步明確教學(xué)目標，以便教學(xué)過程中突出重點，突破難點，更好地為實現(xiàn)教學(xué)目標服務(wù)。在一節(jié)課中，關(guān)鍵性內(nèi)容當然應(yīng)該起到“關(guān)鍵性”的作用。圍繞關(guān)鍵性內(nèi)容，層層深入，呈現(xiàn)螺旋上升安排教學(xué)內(nèi)容。在彈塑性力學(xué)中教學(xué)重點的利用彈塑性理論解決地質(zhì)工程中相關(guān)的力學(xué)問題，因此關(guān)鍵性教學(xué)內(nèi)容是如何應(yīng)用彈塑性力學(xué)平衡微分方程、幾何方程、本構(gòu)方程求解問題，因此應(yīng)把基本解法作為關(guān)鍵內(nèi)容進行教學(xué)，強調(diào)如何建立邊界條件，如何利用邊界條件確定待定系數(shù)和待定函數(shù)。三、教學(xué)方法及手段改革研究生教學(xué)不同于本科生，一些基本理論的推導(dǎo)和教材上比較詳細的部分可留給學(xué)生自學(xué)，重點講授難于理解的內(nèi)容，如邊界上的應(yīng)力函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的物理意義、應(yīng)力張量和應(yīng)變張量的有關(guān)概念、Tresca和Mises屈服條件、塑性極限分析定理等。在教學(xué)中要注意課堂教學(xué)效率，保證單位時間內(nèi)具有足夠的信息量，適當采用啟發(fā)式教學(xué)方法。在教學(xué)中注重分析問題、解決問題的思路，要善于總結(jié)、教會學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法，特別是如何應(yīng)用所學(xué)理論解決工程問題。由于學(xué)時的限制，針對研究生的理解能力較強，在授課時，注意課時的合理分配。如重點講授完平面問題的直角坐標解法后，采用對比聯(lián)系的教學(xué)方法講授平面問題的極坐標解法。對于空間問題的基本理論采取和平面問題的基本理論相對比和聯(lián)系的方法講解，使學(xué)生更容易掌握基本理論和基本方法。教育部面向21世紀“力學(xué)系列課程教學(xué)內(nèi)容和體系改革的研究與實踐”報告曾強調(diào)要充分認識現(xiàn)代教育技術(shù)在課程內(nèi)容、體系改革以及教學(xué)方法改革中的重要作用，同時注意使用現(xiàn)代教育技術(shù)也要體現(xiàn)啟發(fā)式過程。作者體會用多媒體進行課堂教學(xué)不僅形象生動、賞心悅目，而且擴大了課堂教學(xué)的信息量；使教學(xué)手段與教學(xué)內(nèi)容和體系的改革相適應(yīng)。另外，由于采用多媒體技術(shù)，將大量內(nèi)容廣泛的工程實例搬上大屏幕，通過圖、文、聲音、動畫、視頻等多種媒體技術(shù)的應(yīng)用，給學(xué)生以鮮明的立體感覺，其教學(xué)效果是普通教學(xué)手段所無法比擬的。目前，我國還沒有正式出版的彈塑性力學(xué)的多媒體課件，筆者已制作了《彈塑性力學(xué)》電子教案，通過十多年在地質(zhì)工科研究生教學(xué)中的使用和完善，收到了較好的教學(xué)效果，部分電子教案已在其它院校使用，并多次被網(wǎng)上下載。研究生教學(xué)的改革相對本科教學(xué)改革起步要晚，而且一直沒有得到應(yīng)有的重視，隨著研究生招生量的不斷擴大，如何提高教學(xué)效率和教學(xué)效果、如何在力學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力已成為不得不盡快解決的問題。本文從課程體系建立、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法和手段改革幾個方面介紹一些做法和想法，希望對同行有所幫助。

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