地质工科研究生弹塑性力学课程改革

随着研究生招生规模的不断扩大，如何提高教学效率和教学效果、如何在力学教学中培养学生的创造性已成为教学工作者必须解决的问题。结合多年教学经验对地质工科类研究生弹塑性力学课程的改革进行了探索和实践，主要包括模块化结构的弹塑性力学教学体系构建、课程教学内容优化、改革教学方法和教学手段改革。弹塑性力学模块化教学体系教学改革课程教学是学校人才培养链上的重要环节，专业基础课教学处在这个环节的中段，前有基础课铺底，后有专业课承接，起着承前启后、打造学生获取知识通道的作用。如何根据专业基础课教学的特点，按照硕士研究生培养目标对专业基础课教学的要求，处理好原理性内容与方法性内容、难点性内容与关键性内容、过渡性内容与创新性内容讲授的关系，改革教学方法，提高教学质量对搞好专业基础课教学具有重要意义。地质工科研究生的培养目标，是掌握坚实的数学、力学、地质工程基础理论和系统的专业知识，了解本学科的国内外现状和发展趋势、前沿领域。由此可见，力学课程在地质工科研究生培养中占有很重要的地位。笔者从1997年开始承担研究生弹塑性力学课程的教学工作，在教学过程中不断征求学生的意见和建议，广泛与专业课教师交流，探索了弹塑性力学课程体系、教学内容、教学方法、教学手段的改革。一、模块化结构的弹塑性力学教学体系构建上世纪，地质工科硕士研究生的力学课程有：弹性力学及有限元素法（60学时）、塑性力学基础（40学时）。其中弹性力学及有限元素法为学位课，重点介绍弹性力学基本理论（50学时），简要介绍有限元素法的基本原理（10学时）。塑性力学基础为选修课，一般学生只选择其中的一门，选课人数仅有30%～40%，教学效果不是很理想。随着塑性力学理论和塑性力学研究方法的不断发展，在工程实际中的应用也越来越广泛。而部分硕士研究生在本科学过一些弹性力学的基础知识（32～40学时），为此将弹性力学和塑性力学基础整合成48学时的“弹塑性力学”课并作为地质工科研究生的学位课。主要内容包括：应力分析理论、应变分析理论、材料的弹塑性本构关系（含屈服条件）、弹塑性力学解题方法、塑性极限分析方法、厚壁圆筒的弹塑性分析、旋转圆盘的弹塑性分析、轴的弹塑性扭转、板的弹塑性弯曲、岩土结构的承载能力等。通过多年教学实践，对教学内容进行模块化分割，建立了以基本理论模块、基本方法模块、应用提高模块的教学体系。基本理论模块主要包括弹塑性力学的基本概念、基本理论、基本方程。具体有弹塑性力学的基本概念、应力分析理论、应变分析理论、平衡微分方程及应力边界条件、几何方程及位移边界条件、应变协调方程、弹性本构方程、弹塑性本构方程、弹塑性状态判断准则。这一部分内容占总学时的1/3，即16学时左右。基本方法模块要求学生重点掌握弹性和塑性力学分析问题、解决问题的思路和方法，主要包括弹性力学的位移法、应力函数法（逆解法和半逆解法），弹塑性分析方法、塑性极限分析方法等。这一模块约占总学时的1/3，即16学时左右。应用提高模块主要针对地质工程中的力学问题，应用基本理论和基本方法进行分析和求解，主要包括厚壁圆筒的弹塑性分析、梁的弹塑性弯曲、板的弹塑性弯曲、柱体的弹塑性扭转、楔形体的弹性分析、应力集中问题、岩石结构承载分析等。这一模块可根据不同专业进行选择性教学，尽量结合专业背景和工程实例，提高学生学习的主动性和积极性，学时根据总学时可适当调整。二、课程教学内容优化在加强基础理论、基本方法的基础上，优化和更新教学内容，注重素质和能力培养，结合科学技术的发展，提高教学内容的前沿性。按照三个模块的教学体系和思路，对弹塑性力学教学内容进行了以下几方面的改革。1.精选基本内容，扩充选学内容重视地质工科适用的基本理论、基本方法教学内容，坚决淘汰了已过时的内容，如半逆解法中用材料力学解答设应力分量。一方面，由于材料力学为大学二年级所学，有的同学已比较淡漠，还有部分研究生以前没有学过材料力学；另一方面，这种解法理论基础不强，学生不易掌握。所以在半逆解法中重点介绍利用边界上的应力函数来求解弹性力学平面问题。此外，根据专业特点提供可选学的教学内容，如岩土材料的本构方程、岩土结构的承载能力分析、结构的塑性极限分析等。2.处理好原理性内容与方法性内容将弹性力学和塑性力学有机结合，避免了基本理论、基本方法的重复，也使课程内容相对完整。在应力分析和应变分析的教学后，系统介绍静力平衡关系、变形几何关系、本构关系，使得教学内容的深度有所增加。在教学过程中注意针对专业特点适当减少大量的繁琐的原理性内容的理论推导，把教学重点放在基本概念、基本理论的分析、理解和应用上，突出解决问题的思路和方法，强化方法性内容，把节约的学时用在解决与专业有关的工程实际问题上，如厚壁圆筒的弹塑性分析、柱体的弹塑性扭转、平板的弹塑性弯曲、结构的塑性极限分析等。3.加强教学内容分析，让关键性教学内容起到关键性作用教学内容是指教学过程中同师生发生交互作用、服务于教学目的达成的动态生成的素材及信息。教学内容分析是以总的教学目标为基础，分析学习内容的范围、深度，揭示学习内容各组成部分的联系，以达到使教学最优化的内容效度。包括对内容范围的分析和内容结构的分析。对教学内容分析不仅要从微观的角度，根据教材来分析教学内容的组成部分，还应该从课程或某节课的教学目标出发，从宏观角度，根据学科领域知识的范围来考虑教学内容。对内容结构的分析，要根据教学任务区分不同的教学层次，如首先确定终点任务（教学目标），然后根据具体的任务设计应该学习的内容，即确立子目标。教学内容分析的过程一般包括：选择与组织教学单元，对单元顺序进行安排；确定学习内容的类别；分析教学重点和难点。教学重点是教材中举足轻重、关键性的、最基本的、最重要的中心内容，是课堂结构的主要线索，掌握了这部分内容，对于巩固旧知识和学习新知识都起着决定性作用。教学难点，一般是指学生和教师难以理解或领会的内容，或较抽象、复杂、深奥的内容。课堂教学过程是为了实现目标而展开的，确定教学重点、难点是为了进一步明确教学目标，以便教学过程中突出重点，突破难点，更好地为实现教学目标服务。在一节课中，关键性内容当然应该起到“关键性”的作用。围绕关键性内容，层层深入，呈现螺旋上升安排教学内容。在弹塑性力学中教学重点的利用弹塑性理论解决地质工程中相关的力学问题，因此关键性教学内容是如何应用弹塑性力学平衡微分方程、几何方程、本构方程求解问题，因此应把基本解法作为关键内容进行教学，强调如何建立边界条件，如何利用边界条件确定待定系数和待定函数。三、教学方法及手段改革研究生教学不同于本科生，一些基本理论的推导和教材上比较详细的部分可留给学生自学，重点讲授难于理解的内容，如边界上的应力函数及其导数的物理意义、应力张量和应变张量的有关概念、Tresca和Mises屈服条件、塑性极限分析定理等。在教学中要注意课堂教学效率，保证单位时间内具有足够的信息量，适当采用启发式教学方法。在教学中注重分析问题、解决问题的思路，要善于总结、教会学生正确的学习方法，特别是如何应用所学理论解决工程问题。由于学时的限制，针对研究生的理解能力较强，在授课时，注意课时的合理分配。如重点讲授完平面问题的直角坐标解法后，采用对比联系的教学方法讲授平面问题的极坐标解法。对于空间问题的基本理论采取和平面问题的基本理论相对比和联系的方法讲解，使学生更容易掌握基本理论和基本方法。教育部面向21世纪“力学系列课程教学内容和体系改革的研究与实践”报告曾强调要充分认识现代教育技术在课程内容、体系改革以及教学方法改革中的重要作用，同时注意使用现代教育技术也要体现启发式过程。作者体会用多媒体进行课堂教学不仅形象生动、赏心悦目，而且扩大了课堂教学的信息量；使教学手段与教学内容和体系的改革相适应。另外，由于采用多媒体技术，将大量内容广泛的工程实例搬上大屏幕，通过图、文、声音、动画、视频等多种媒体技术的应用，给学生以鲜明的立体感觉，其教学效果是普通教学手段所无法比拟的。目前，我国还没有正式出版的弹塑性力学的多媒体课件，笔者已制作了《弹塑性力学》电子教案，通过十多年在地质工科研究生教学中的使用和完善，收到了较好的教学效果，部分电子教案已在其它院校使用，并多次被网上下载。研究生教学的改革相对本科教学改革起步要晚，而且一直没有得到应有的重视，随着研究生招生量的不断扩大，如何提高教学效率和教学效果、如何在力学教学中培养学生的分析问题、解决问题的能力已成为不得不尽快解决的问题。本文从课程体系建立、教学内容优化、教学方法和手段改革几个方面介绍一些做法和想法，希望对同行有所帮助。

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