研究生《損傷與斷裂力學(xué)》課程教學(xué)改革探討

孔德文 王玲玲

摘 要：面向各工科專業(yè)研究生，開(kāi)展《損傷與斷裂力學(xué)》課程建設(shè)，就教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革進(jìn)行探討。整合損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)基本原理，增加理論應(yīng)用數(shù)值實(shí)現(xiàn)部分，構(gòu)建理論與應(yīng)用并重、模塊化、層次化的課程教學(xué)內(nèi)容體系；針對(duì)課程內(nèi)容模塊，提出采用以銜接式教學(xué)法與科研案例教學(xué)法為主線的教學(xué)模式，使學(xué)生深入掌握課程內(nèi)容，達(dá)到學(xué)有所用的教學(xué)目的，為研究生課題研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：損傷與斷裂力學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；經(jīng)典理論；數(shù)值方法

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）01-0074-03

Abstract： Facing to engineering graduate students， the course construction of damage and fracture mechanics was developed， and the teaching content and teaching method were discussed. Based on fundamental principles of damage and fracture mechanics， the teaching content concerning application and numerical realization of theories were added to establish modular and hierarchical course content system laying on both theory and application. According to course contents， the linking teaching method and scientific case teaching method were principally proposed. These approaches enable students to master the content of the course in depth， to achieve the purpose of learning and use， and to lay the foundation for the research of graduate students.

Keywords： damage and fracture mechanics； teaching content； teaching method； classical theory； numerical method

研究生擴(kuò)招、教學(xué)內(nèi)容滯后、教學(xué)方法陳舊及科研參與度低等因素限制了我國(guó)工科研究生創(chuàng)新能力的提高。研究生創(chuàng)新能力主要表現(xiàn)在豐厚的理論基礎(chǔ)、敏銳的思維能力以及較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力[1，2]。工科研究生的專業(yè)方向眾多，研究課題方向也不盡相同，但都要求研究生具備扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，并將其與專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，用以科學(xué)研究或解決工程實(shí)際問(wèn)題，因此力學(xué)課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法改革方面的建設(shè)工作與研究生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)息息相關(guān)。

目前，損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)在工科研究生課題研究中應(yīng)用比例較高，為此很多高校針對(duì)土木工程、機(jī)械工程、礦業(yè)工程及航空航天等學(xué)科研究生，已開(kāi)設(shè)了損傷力學(xué)或斷裂力學(xué)課程。清華大學(xué)鄭教授指出，力學(xué)擁有定量化基因和技術(shù)創(chuàng)新基因，力學(xué)發(fā)展影響工科創(chuàng)新，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)力學(xué)基礎(chǔ)課程地位的課程體系[3]。而貴州省高校工科專業(yè)研究生培養(yǎng)方案多以專業(yè)課為主，未開(kāi)設(shè)或很少開(kāi)設(shè)力學(xué)課程，導(dǎo)致研究生掌握力學(xué)理論與方法的深度不夠，給力學(xué)理論和方法在研究生課題中的應(yīng)用帶來(lái)了局限性。但力學(xué)知識(shí)是專業(yè)課程的必備基礎(chǔ)，這種課程設(shè)置模式限制了工科專業(yè)研究生力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與提高，若研究課題與力學(xué)相關(guān)，則需要研究生耗時(shí)自學(xué)，并不能掌握較深的力學(xué)原理，多數(shù)停留在對(duì)現(xiàn)有理論的重復(fù)與應(yīng)用，不利于培養(yǎng)研究生創(chuàng)新意識(shí)，降低了培養(yǎng)質(zhì)量，這是目前貴州省工科院校普遍存在的問(wèn)題。因此，力學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革應(yīng)是我省工科研究生培養(yǎng)質(zhì)量提高措施中的重要工作。

鑒于此，以貴州大學(xué)為例，面向全校工科研究生，打破學(xué)科與專業(yè)界限的壁壘，開(kāi)設(shè)《損傷與斷裂力學(xué)》課程，整合并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建立力學(xué)理論講解與數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法并重的教學(xué)模式，并提出將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，用于課程教學(xué)，借助科研案例，掌握損傷與斷裂力學(xué)理論應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)途徑，形成以科研案例為主線的滲透式教學(xué)方法。該課程建設(shè)為研究生課題研究與完成提供力學(xué)理論與解題方法基礎(chǔ)，有助于提高研究生科研與創(chuàng)新能力。

一、課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

貴州大學(xué)設(shè)有土木工程、材料工程、機(jī)械工程和采礦工程等多個(gè)工科專業(yè)碩士點(diǎn)，研究生課題方向多，范圍廣，根據(jù)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)內(nèi)容及有限元方法在研究課題應(yīng)用的調(diào)研結(jié)果，確定《損傷與斷裂力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容，主要包括損傷力學(xué)基本理論、斷裂力學(xué)基本理論及經(jīng)典理論的應(yīng)用與數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法。

損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)可用于評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，但兩者研究方法不同，損傷力學(xué)主要研究?jī)?nèi)部缺陷對(duì)材料或結(jié)構(gòu)引起的力學(xué)性能損傷現(xiàn)象，且內(nèi)部預(yù)存在的缺陷連續(xù)分布，而斷裂力學(xué)重點(diǎn)是處理開(kāi)裂部位的應(yīng)力分布情況，裂紋是不連續(xù)的，尖端存在奇異性，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中[4，5]。但由兩者的關(guān)系圖（圖1）可以看出，兩者是銜接的，我們可以結(jié)合損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)來(lái)研究材料或結(jié)構(gòu)的整個(gè)破壞過(guò)程。

因此，我們將損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)主要內(nèi)容進(jìn)行整合，形成條理化、層次化的講授內(nèi)容，先講授材料與結(jié)構(gòu)形成宏觀裂紋前的狀態(tài)，即材料與結(jié)構(gòu)的損傷問(wèn)題，再講授材料與結(jié)構(gòu)宏觀裂紋開(kāi)裂后的狀態(tài)，即斷裂問(wèn)題，作為研究生《損傷與斷裂力學(xué)》課程中理論性的教學(xué)內(nèi)容。另外，工科研究生主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬兩種途徑完成課題，在理論方面，多數(shù)停滯在對(duì)現(xiàn)有理論的重復(fù)與應(yīng)用，創(chuàng)新偏弱，著重應(yīng)用。所以結(jié)合課程實(shí)際應(yīng)用背景，我們提出選取經(jīng)典理論，增加經(jīng)典理論應(yīng)用及其數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法這部分教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展該課程內(nèi)容在研究生科研中的應(yīng)用范圍?！稉p傷與斷裂力學(xué)》課程內(nèi)容分為三個(gè)單元模塊：損傷力學(xué)基本理論、斷裂基本力學(xué)理論和經(jīng)典理論應(yīng)用及數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法。這種單元模塊式、層次化的課程內(nèi)容體系，由淺入深，承接性強(qiáng)，便于教師講授，強(qiáng)化課程教學(xué)與學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性，提高教學(xué)效果。

二、課程教學(xué)方法改革

教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的有效手段，教學(xué)方法的種類很多，但研究生課程不同于本科課程，需以實(shí)際應(yīng)用與培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，課程講授方式對(duì)應(yīng)要有所改革與創(chuàng)新，因此亟需探索研究生《損傷與斷裂力學(xué)》課程適用的教學(xué)方法。研究生課程教學(xué)中實(shí)用的教學(xué)方法主要包括研討教學(xué)法、專題研討法及案例教學(xué)法等[6，7]。采用以上教學(xué)方法，可以使學(xué)生轉(zhuǎn)換位置，由“學(xué)”變“講”，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。但研究生《損傷與斷裂力學(xué)》課程學(xué)時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容又包含三個(gè)模塊，若不能提高課堂效率，則達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，所以教學(xué)方法至關(guān)重要。在研討教學(xué)法、專題研討法及案例教學(xué)法的基礎(chǔ)上，我們提出研究生《損傷與斷裂力學(xué)》課程重點(diǎn)應(yīng)用的兩種教學(xué)方法。

（一）銜接式教學(xué)法

所謂銜接，是指課堂上教師講授內(nèi)容與課下學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的銜接。損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)基本理論兩個(gè)教學(xué)內(nèi)容模塊中，主要以基本原理為主，包括損傷理論、損傷模型、應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法、斷裂準(zhǔn)則等內(nèi)容。這些內(nèi)容都需要經(jīng)過(guò)計(jì)算、公式推演的過(guò)程，如果主講教師在課堂完成整個(gè)過(guò)程，不僅占用時(shí)間，還會(huì)影響課堂氛圍。因此在這兩個(gè)內(nèi)容模塊教學(xué)過(guò)程中，我們借助多媒體課件，要求教師備課期間完成理論及公式的推導(dǎo)過(guò)程，把關(guān)鍵步驟做成課件，為學(xué)生推演、講解。同時(shí)充分利用學(xué)生課下時(shí)間，將經(jīng)典理論的推導(dǎo)過(guò)程留為課下作業(yè)，并納入課程考核成績(jī)，確保學(xué)生掌握重點(diǎn)知識(shí)。銜接式教學(xué)方法可以提高課堂效率，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生不只停留在了解基本理論的層面，而是深入理解課程內(nèi)容，為后續(xù)基本理論的應(yīng)用與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

（二）科研案例教學(xué)法

科研案例教學(xué)法是指將科研成果整理、總結(jié)，轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例進(jìn)行講授?！稉p傷與斷裂力學(xué)》課程中第三個(gè)教學(xué)模塊的內(nèi)容是經(jīng)典理論應(yīng)用及數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法，這部分內(nèi)容偏重理論的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。而損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)基本理論實(shí)現(xiàn)可以借助于數(shù)值手段，適合該模塊教學(xué)的有限元軟件包括ABAQUS、ANSYS、LY-DYNA等。結(jié)合研究生專業(yè)，挑選針對(duì)性與關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的科研成果作為教學(xué)案例，講授基本理論應(yīng)用的前提、適用性、正確性、應(yīng)用方法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程?？蒲邪咐虒W(xué)法將課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一個(gè)從理論到實(shí)踐應(yīng)用的歸納，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握該門課程內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的理解程度，避免出現(xiàn)“學(xué)不知所用”的現(xiàn)象?？蒲邪咐虒W(xué)法也可以開(kāi)闊學(xué)生思維的寬度與廣度，使所學(xué)內(nèi)容與專業(yè)知識(shí)相互融匯、綜合、滲透，改變學(xué)生思考問(wèn)題的角度，產(chǎn)生新的科研思路，有助于培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、存在問(wèn)題

在《損傷與斷裂力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革的同時(shí)，也會(huì)存在一些挑戰(zhàn)與問(wèn)題。主要如下：

（一）課程內(nèi)容學(xué)時(shí)比例不確定性

該門課程面向全校工科研究生開(kāi)設(shè)，課程內(nèi)容需要根據(jù)選課學(xué)生的專業(yè)分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，合理安排教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)比例，所以課程的教學(xué)大綱與教學(xué)計(jì)劃需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

（二）主講教師教學(xué)水平要求提高

該門課程教學(xué)內(nèi)容具有理論與應(yīng)用并重的特點(diǎn)，要求主講教師具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)要掌握多種有限元軟件計(jì)算方法。而科研案例教學(xué)法則要求教師具備豐富的科研基礎(chǔ)以及較好的科研實(shí)踐能力，為課程的教學(xué)效果提供保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

力學(xué)課程體系建設(shè)影響工科研究生科研素質(zhì)及創(chuàng)新能力，是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的一項(xiàng)重要工作，應(yīng)引起貴州省工科院校的重視。以貴州大學(xué)為例，提出了面向全校工科研究生開(kāi)設(shè)《損傷與斷裂力學(xué)》課程，重點(diǎn)討論了教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革兩個(gè)方面?！稉p傷與斷裂力學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容主要包括損傷力學(xué)基本理論、斷裂力學(xué)基本理論及經(jīng)典理論的數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法，具有模塊化、層次化的特點(diǎn)?！稉p傷與斷裂力學(xué)》課程教學(xué)主要采用銜接式教學(xué)法與科研案例教學(xué)法，提高課堂效率，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，保障教學(xué)效果。該課程建設(shè)宗旨在于加強(qiáng)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)在研究生課題研究及工程實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，提高研究生的力學(xué)專業(yè)素質(zhì)，使力學(xué)理論與方法服務(wù)于專業(yè)問(wèn)題，促進(jìn)力學(xué)知識(shí)與專業(yè)問(wèn)題的銜接與融合，擴(kuò)大力學(xué)知識(shí)在研究生課題研究與解決實(shí)際工程問(wèn)題中的應(yīng)用深度與廣度，提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量及其科研創(chuàng)新能力。

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