對(duì)于構(gòu)造工程專業(yè)研究生教學(xué)的改革設(shè)想——以彈塑性力學(xué)課程為例〔〕:

摘要：本文結(jié)合多年的教學(xué)理論與學(xué)生〔在讀與畢業(yè)〕的反響，總結(jié)了目前在土木工程專業(yè)研究生教學(xué)中，彈塑性力學(xué)課堂教學(xué)中存在的問題。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等領(lǐng)域入手，對(duì)現(xiàn)有的一些教學(xué)手段、教學(xué)方式進(jìn)展調(diào)整、改變與修正。結(jié)果說明，本文所提出的方法比擬有效，可以進(jìn)步學(xué)生對(duì)本門課程的興趣與動(dòng)力；另外，本文提出了教學(xué)改革的一些詳細(xì)措施，對(duì)業(yè)界同行今后的教學(xué)工作提供一些參考。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；彈塑性力學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

本文引用格式：劉平,等.基對(duì)于構(gòu)造工程專業(yè)研究生教學(xué)的改革設(shè)想以彈塑性力學(xué)課程為例[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(18):44-46.

TeachingReformoftheElastic-plasticMechanicsinGraduateStudents

LIUPing,ZHOUGuo-bao,SUNKai

(JiangsuUniversityofScienceandTechnology,ZhenjiangJiangsu)

Abstracts:binedwithyearsofteachingpracticeandstudentsinreadingandgraduation)feedback,currentlyinteachingofcivilengineeringgraduatestudent,elasticandplasticmechanicsofclassroomteachingwassummarized.Startingfromtheteachingcontent,teachingmethodsandotherfields,tosomeoftheexistingteaching,teachingmodeadjustment,changesandcorrections.Resultsshowthat,theproposedmethodismoreeffective,canimprovestudentsonthecourseofinterestandmotivation.Inaddition,thispaperpresentssomeconcretemeasuresofteachingreform,theindustrypeersinthefutureteachingworktoprovidesomereference.

Keywords:Civilengineering;Elastic-plasticmechanics;Teachingdesign;Teachingreform

一引言

彈塑性力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的課程，其根本方程是基于根本假設(shè)，從問題的靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面出發(fā)，根據(jù)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到的一系列偏微分方程[1-3]。在教學(xué)中，由于內(nèi)容抽象，經(jīng)常存在著重理論、輕理論的現(xiàn)象，單一的理論推導(dǎo)與繁雜的公式使得教學(xué)過程比擬枯燥，極大地影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。土木工程專業(yè)的學(xué)生普遍感到彈塑性力學(xué)比擬難學(xué)【4】，并且研究生學(xué)習(xí)方法與本科生有所出入，局部學(xué)生不能很好融入研究生的學(xué)習(xí)生活中來，再加上內(nèi)容抽象、公式推導(dǎo)多、推導(dǎo)出的公式不知有何工程用途，也不知推導(dǎo)出公式的對(duì)錯(cuò)。但是，在現(xiàn)代工程，特別是土木工程、水利工程、機(jī)械工程、航天航空工程等大型構(gòu)造的計(jì)算分析中，彈塑性力學(xué)的推導(dǎo)及計(jì)算方法是這些領(lǐng)域進(jìn)展深化分析的根底。彈塑性力學(xué)也是一門力學(xué)根底學(xué)科，它不僅有限單元法、復(fù)合材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、構(gòu)造動(dòng)力分析和一些專業(yè)課程的根底，也是許多大型構(gòu)造分析軟件〔例如ABAQUS、ANSYS和SAP2000等〕的核心內(nèi)容【5】。然而，在工程應(yīng)用中，卻存在著很多工程人員只會(huì)應(yīng)用軟件卻無法判斷結(jié)果對(duì)錯(cuò)以及計(jì)算出錯(cuò)后無法解決問題等現(xiàn)象[6,7]，這就是理論根底掌握不結(jié)實(shí)不扎實(shí)造成的結(jié)果，由此可看出教學(xué)與工程相脫節(jié)的問題非常突出。根據(jù)以上實(shí)際問題，教師應(yīng)該更加注重將專業(yè)知識(shí)與工程實(shí)例融入彈塑性力學(xué)理論教學(xué)中，通過講授彈塑性力學(xué)理論在科研和工程中的應(yīng)用及改良，使抽象的理論變得生動(dòng)實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和想象才能，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新及解決工程問題的才能。

在理論教學(xué)中，對(duì)于彈塑性力學(xué)這門課遇到最常見也是最不想答復(fù)的一個(gè)問題是"學(xué)彈塑性力學(xué)有用嗎";？一般而言，此時(shí)學(xué)生所問的"有用";與否是指在畢業(yè)工作后是否有用。因此，我只能無奈的答復(fù)"沒用";。因?yàn)樵趯?shí)際工程理論中，不管是本人工程經(jīng)歷，還是畢業(yè)學(xué)生的反響，確實(shí)很少能用到彈性力學(xué)、更不用說塑性力學(xué)。

經(jīng)過梳理與理論教學(xué)，理解到目前的彈塑性力學(xué)教學(xué)中比擬偏向于古典問題的解答，對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜的工程問題缺乏相應(yīng)的培養(yǎng)和引導(dǎo)。因此，學(xué)生不會(huì)利用彈塑性力學(xué)的理論來簡化并解決實(shí)際工程問題；另外，教學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)脫節(jié)，當(dāng)代的彈塑性力學(xué)教學(xué)中，通常只教授彈塑性力學(xué)的解析解法，缺少對(duì)彈塑性力學(xué)中實(shí)驗(yàn)分析方法和數(shù)值分析方法的介紹和訓(xùn)練[8,9]。這樣，學(xué)生不會(huì)純熟利用現(xiàn)代分析工具和手段，進(jìn)展彈塑性力學(xué)問題的研究。綜上，目前彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)中主要存在的問題有：〔1〕理論教學(xué)與學(xué)生工程才能培養(yǎng)脫節(jié)目前，彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)過于注重?cái)?shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，忽略結(jié)果的比照分析；〔2〕對(duì)塑性力學(xué)的內(nèi)容講解尤其是習(xí)題練習(xí)較少，一般只介紹概念等定性內(nèi)容。因此，本文針對(duì)這些現(xiàn)象，結(jié)合教學(xué)理論，討論了一些手段與方法，以增強(qiáng)學(xué)生的興趣與主動(dòng)性。

二教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的改革

〔一〕從材料力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)引入問題

土木工程研究生階段，彈性力學(xué)/彈塑性力學(xué)根本是所有學(xué)校的必修課程[10]。在所有力學(xué)類課程中，理論力學(xué)、材料力學(xué)、構(gòu)造力學(xué)在本科階段就會(huì)教授，而且是重點(diǎn)課程。因此，在教學(xué)中，所有的概念、問題根本是從材料力學(xué)入手，逐步擴(kuò)大到彈塑性力學(xué)、塑性力學(xué)[11]。比方說，構(gòu)造力學(xué)的平截面假設(shè)，作者在彈塑性力學(xué)教學(xué)中通過求解彈塑性力學(xué)問題，證明平截面假設(shè)的正確性以及平截面假設(shè)的應(yīng)用范圍〔與深梁相比擬〕。同時(shí)因?yàn)閷W(xué)生在本科時(shí)期接觸到的都是二維平面知識(shí)，突然講到三維局部學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)參數(shù)過多而導(dǎo)致"腦子轉(zhuǎn)不過來";的現(xiàn)象，因此授課時(shí)建議以二維起手，再進(jìn)展以三維公式結(jié)論的證明，引導(dǎo)學(xué)生逐步深化彈性力學(xué)的范疇與解題思路，還可以給學(xué)生以"彈性力學(xué)比擬有用";的印象。根據(jù)學(xué)生反映學(xué)生在本科時(shí)期學(xué)習(xí)的高數(shù)偏微分問題不能很好的聯(lián)絡(luò)到實(shí)際問題中，因此在彈性力學(xué)〔彈塑性力學(xué)〕中突然出現(xiàn)的很多偏微分量不可以很好的聯(lián)絡(luò)到實(shí)際的物理意義上去，因此在教授課程的時(shí)候盡可能解釋偏微分量的物理意義，這樣會(huì)更好的幫助學(xué)生理解，但同時(shí)也要給學(xué)生留下考慮的空間，如國畫中的"留白";。還有如"圣維南";原理等，淺入深出的講授，利用工程實(shí)例可以更好的增加學(xué)生對(duì)原理的理解與運(yùn)用，以此來培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的綜合分析實(shí)際問題的才能，從而到達(dá)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和自我解決問題的才能。

〔二〕拓寬學(xué)生知識(shí)面

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速開展，尤其是硬件、軟件計(jì)算技術(shù)的同時(shí)進(jìn)步，加上研究生培養(yǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)是其創(chuàng)新才能，而對(duì)土木研究生來說，創(chuàng)新才能的培養(yǎng)主要來自于對(duì)工程界前沿課題的研究，這使得科學(xué)界和工程界對(duì)土木研究生的根底理論要求越來越高。

為此，在土木工程專業(yè)彈塑性力學(xué)課時(shí)較少〔本文作者學(xué)校為48課時(shí)〕的情況下，在進(jìn)展對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革時(shí)，一方面為了拓寬土木工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)面，可以增加彈塑性力學(xué)建模、塑性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果分析、坐標(biāo)、球坐標(biāo)系下的彈性方程等理論性內(nèi)容，尤其是對(duì)能量法等一些近似解法內(nèi)容和數(shù)值解法內(nèi)容作了比擬大的訓(xùn)練，輔之以當(dāng)今社會(huì)最近的熱點(diǎn)問題為學(xué)生今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究及工程理論奠定堅(jiān)實(shí)的理論根底；另一方面可以開設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程來彌補(bǔ)在課堂上因講解工程實(shí)例所占的用的課程時(shí)間。因?yàn)楝F(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的興起，經(jīng)調(diào)查已經(jīng)有很多學(xué)生通過這種方式來進(jìn)展學(xué)習(xí)〔筆者所帶土木研究生班級(jí)共41人，有35人是通過網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)考上的研究生，這充分說明通過視頻學(xué)習(xí)的方法是可行的〕。

〔三〕掌握數(shù)值分析工具

現(xiàn)代數(shù)值分析方法的應(yīng)用，改革后的教學(xué)內(nèi)容和新編教材，應(yīng)更加注重給學(xué)生奠定堅(jiān)實(shí)的根底理論并培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的才能，不僅使學(xué)生深度理解理論分析方法，也要學(xué)生純熟掌握數(shù)值分析工具，使學(xué)生能利用根底理論指導(dǎo)對(duì)科學(xué)和工程問題進(jìn)展詳細(xì)分析。

使用數(shù)值軟件時(shí)，需要處理好的一個(gè)問題是軟件版權(quán)問題。理論教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于本校所擁有的版權(quán)是在學(xué)校機(jī)房中才能使用，而學(xué)生普遍是在自己的筆記本電腦上裝未正規(guī)授權(quán)的軟件注。因?yàn)橹皇窃跈C(jī)房電腦上才可以用的話，學(xué)生就會(huì)普遍有抗拒心理，而在筆記本電腦上裝正版軟件也不是一件現(xiàn)實(shí)的事情，所以這是一個(gè)需要解決的問題。

〔四〕加強(qiáng)復(fù)雜彈塑性力學(xué)問題計(jì)算和分析訓(xùn)練

與傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)著作不同，改革后的教學(xué)內(nèi)容和新編教材為了加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手才能和結(jié)果分析才能，補(bǔ)充了計(jì)算機(jī)MATLAB分析平臺(tái)和大型通用構(gòu)造分析軟件的介紹，增加了一些數(shù)值分析算例，并將理論分析方法與數(shù)值分析方法的結(jié)果進(jìn)展比照，以使學(xué)生能純熟利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，進(jìn)展復(fù)雜彈塑性力學(xué)問題的計(jì)算和分析，注重培養(yǎng)學(xué)生純熟利用彈性理論和現(xiàn)代分析工具計(jì)算和分析實(shí)際工程問題的才能，以及解決科學(xué)問題的才能。

三考核方式的改革

對(duì)于考核方式，一般的傳統(tǒng)方式還是填空、選擇加計(jì)算題，以及這些題型的組合。事實(shí)上，要在考核方式上做出改變比擬難，畢竟考核內(nèi)容無法改變，也不應(yīng)改變。本文作者從2022級(jí)研究生開始，嘗試在考核過程參加一些與理論相結(jié)合的內(nèi)容，以課程設(shè)計(jì)或大作業(yè)的形式布置給學(xué)生。為了適當(dāng)給學(xué)生壓力或者動(dòng)力，此項(xiàng)內(nèi)容的成績占總成績的20%-25%根據(jù)2022級(jí)與2022級(jí)的表現(xiàn)，總體而言，通過大作業(yè)的形式所展現(xiàn)的內(nèi)容，比直接通過考試而展現(xiàn)的內(nèi)容，學(xué)生理解得要好一些。另外，在作課程設(shè)計(jì)時(shí)，我要求學(xué)生按論文的形式提交作業(yè)，通過這種訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)于論文寫作的技巧大為進(jìn)步，對(duì)此很多學(xué)生的導(dǎo)師反響非常好。

由于課程大綱及學(xué)校規(guī)定的限制，考試成績占比不能少于60%，因此，給予大作業(yè)更高的權(quán)重有些不太可能，如何更好的發(fā)揮這種課程作業(yè)的訓(xùn)練以后還需要進(jìn)一步的討論。

四結(jié)論

從以上問題的分析，學(xué)生不能很好的理解這門課程的主要原因有:

1.公式中各字母的物理意義不明晰，這導(dǎo)致了突然給出了一堆數(shù)學(xué)公式學(xué)生不能很好承受。

2.有很多東西沒有結(jié)合工程實(shí)例，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為這不重要，從而失去學(xué)習(xí)興趣。

3.一些學(xué)生沒有被激發(fā)興趣，從而沒有很好的預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)也是一局部原因。

筆者針對(duì)這些問題，再結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)歷中學(xué)生反映的很多東西，認(rèn)為可以向中學(xué)語文學(xué)習(xí)分段那樣，進(jìn)展總分總式教學(xué)，即先對(duì)整門課程進(jìn)展剖析，使學(xué)生明白這們課程主要的學(xué)習(xí)目的以及要求，然后再正常進(jìn)展每一章節(jié)的教學(xué)，中間穿插工程實(shí)例，同時(shí)要注意讓學(xué)生回憶學(xué)過的章節(jié)進(jìn)展課程總結(jié)。這種基于課程體系的教學(xué)方法可以使學(xué)生明白自己在學(xué)什么，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別章節(jié)公式復(fù)雜，內(nèi)容繁復(fù)就喪失了學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過理論,這種教學(xué)方法獲得了初步的良好效果。

在彈塑性力學(xué)課程的教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決科學(xué)和工程實(shí)際問題的才能。應(yīng)將理論教學(xué)與現(xiàn)代科研及工程理論相結(jié)合，不斷改革和更新教學(xué)內(nèi)容，編制相應(yīng)的教材，探究培養(yǎng)土木工程專業(yè)創(chuàng)新實(shí)用型人才的教學(xué)內(nèi)容和教材改革。

注

作者在任何場(chǎng)合與渠道中，均沒有傳播與允許學(xué)生使用非正規(guī)授權(quán)軟件。

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