“區(qū)域一流”背景下研究生體系化力學(xué)課程構(gòu)建

王玲玲 王密 胡周 孔德文

摘? 要：闡述了貴州大學(xué)土木工程專業(yè)研究生課程設(shè)置的弊端，分析了貴州省高校工科專業(yè)研究生力學(xué)類課程開設(shè)現(xiàn)狀，指出研究生培養(yǎng)過程中力學(xué)課程設(shè)置的必要性。依托貴州大學(xué)土木工程學(xué)科發(fā)展優(yōu)勢，提出了開設(shè)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)與有限元體系化課程的構(gòu)想，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法進(jìn)行了初步探討，該門課程的建設(shè)將有助于提高研究生的科研水平及創(chuàng)新能力，進(jìn)一步促進(jìn)貴州大學(xué)區(qū)域一流學(xué)科與土木工程一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)建設(shè)工作。

關(guān)鍵詞：土木工程學(xué)科;體系化力學(xué)課程;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2020）35-0019-04

Abstract： The course disadvantages of postgraduates majoring in Civil Engineering of Guizhou University are illustrated. The present construction situation of mechanical course is analyzed for engineering master degree in Guizhou province. The mechanical courses are important for the postgraduate education. Relying on the development advantages of civil engineering discipline， the construction of systematic courses including damage mechanics， fracture mechanics and finite element is proposed， and the teaching content and teaching method are discussed preliminarily. The construction of the systematic courses can improve the scientific research level and innovation capability of postgraduate， and promote more development of regional first-class discipline and class-one doctoral disciplines of civil engineering.

Keywords： Civil Engineering Discipline; systematic mechanics course; teaching content; teaching method

貴州大學(xué)土木工程學(xué)科根據(jù)社會(huì)需求和區(qū)域發(fā)展需要，經(jīng)過學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，形成了以結(jié)構(gòu)工程、道路與橋梁工程、巖土工程為主體的培養(yǎng)方向。該學(xué)科經(jīng)歷六十年的發(fā)展，形成了完善的學(xué)科體系、合理的師資隊(duì)伍以及寬厚的研究基礎(chǔ)。2017年，土木工程學(xué)科入選貴州省區(qū)域一流建設(shè)學(xué)科，并在同年度學(xué)位授權(quán)點(diǎn)審核工作中，獲批土木工程一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，這標(biāo)志著貴州大學(xué)土木工程學(xué)科發(fā)展進(jìn)入了新的征程。

在區(qū)域一流學(xué)科及土木工程一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)建設(shè)過程中，師資隊(duì)伍建設(shè)、人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、平臺(tái)提升等方面是建設(shè)與改進(jìn)的重點(diǎn)內(nèi)容，其中人才培養(yǎng)是學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是研究生培養(yǎng)。提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量一直是研究生教育的核心工作，而科研創(chuàng)新能力則是衡量培養(yǎng)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究生創(chuàng)新能力主要表現(xiàn)在夯實(shí)的理論基礎(chǔ)、良好的科研素質(zhì)以及解決實(shí)際問題的能力，這需要學(xué)科為研究生提供良好的教學(xué)、科研平臺(tái)以及完善的課程培養(yǎng)體系[1-3]。貴州大學(xué)也將進(jìn)一步開展研究生教育改革、實(shí)施研究生課程體系建設(shè)、重點(diǎn)課程建設(shè)作為研究生培養(yǎng)的工作計(jì)劃要點(diǎn)。所以研究生課程體系建設(shè)與改革是學(xué)科建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作內(nèi)容。

一、貴州大學(xué)土木工程專業(yè)研究生課程設(shè)置

貴州大學(xué)土木工程學(xué)科研究生根據(jù)培養(yǎng)方向（本文主要包括結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、橋梁與隧道工程方向）開設(shè)了多門基礎(chǔ)課與專業(yè)課課程，并形成了較為完善的課程體系，包括師資、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法等。而對(duì)比國內(nèi)外知名高校土木工程學(xué)科研究生課程可以發(fā)現(xiàn)，我校該專業(yè)的研究生課程設(shè)置存在一定弊端，在所開課程中，力學(xué)課程種類較少，國外知名大學(xué)土木工程專業(yè)開設(shè)13門力學(xué)課程，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)開設(shè)了11門力學(xué)課程，昆明理工大學(xué)土木工程專業(yè)開設(shè)了7門力學(xué)課程，我校土木工程專業(yè)研究生階段開設(shè)了6門力學(xué)課程，僅1門基礎(chǔ)力學(xué)課程（彈塑性力學(xué)），其他均為專業(yè)類力學(xué)課程，具體課程名稱見表1。

土木工程屬于工科專業(yè)，要求研究生需要具備扎實(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)際問題。貴州大學(xué)本科培養(yǎng)方案中開設(shè)的力學(xué)課程包括“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“工程力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“彈性力學(xué)”和“流體力學(xué)”等，這些課程內(nèi)容是以力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)為主，能夠滿足本科生對(duì)力學(xué)知識(shí)應(yīng)用的需求。但就研究生而言，需要掌握更深的力學(xué)理論知識(shí)，具備更好的解決工程實(shí)際中力學(xué)問題的能力。因此在工科研究生培養(yǎng)階段，需要開設(shè)“彈塑性力學(xué)”、“損傷力學(xué)”、“斷裂力學(xué)”和 “連續(xù)介質(zhì)力學(xué)”等力學(xué)課程，還可以根據(jù)專業(yè)需要開設(shè)一些針對(duì)性強(qiáng)的力學(xué)課程，如“復(fù)合材料力學(xué)”、“巖石力學(xué)”、“振動(dòng)力學(xué)”、“計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”和“高等土力學(xué)”等。顯然，我校土木工程學(xué)科研究生階段相關(guān)力學(xué)課程建設(shè)力度相對(duì)薄弱。

二、貴州省高校工科專業(yè)研究生力學(xué)課程開設(shè)現(xiàn)狀

力學(xué)課程是工科專業(yè)研究生的重要基礎(chǔ)課程，有助于研究生開展課題研究、鍛煉其科研創(chuàng)新能力及解決實(shí)際工程問題的能力。國內(nèi)外知名高校多數(shù)將基礎(chǔ)力學(xué)課程作為學(xué)位課或非學(xué)位課，針對(duì)全校研究生進(jìn)行選修，不限制專業(yè)，允許學(xué)生跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨學(xué)院進(jìn)行選課，如美國麻省理工學(xué)院、阿爾伯特大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等。力學(xué)是土木工程研究領(lǐng)域的理論支撐，沒有力學(xué)方面的理論依據(jù)，在該領(lǐng)域內(nèi)很難有所創(chuàng)新。對(duì)于其他工科領(lǐng)域而言，力學(xué)同樣起著基礎(chǔ)支撐的作用，所以研究生力學(xué)課程的設(shè)置至關(guān)重要[5-6]。

2016年以前，土木工程學(xué)院設(shè)有固體力學(xué)二級(jí)學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，該專業(yè)研究生開設(shè)的力學(xué)課程包括塑性力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等。本院研究生可以跨專業(yè)選修力學(xué)課程，或者結(jié)合自身課題需求，有目標(biāo)地旁聽所需力學(xué)知識(shí)。但通過2016年貴州大學(xué)碩士學(xué)位授權(quán)學(xué)科的動(dòng)態(tài)調(diào)整，撤銷了固體力學(xué)二級(jí)碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)及實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等部分力學(xué)課程停開，隔斷了土木工程學(xué)科研究生獲取力學(xué)知識(shí)的有效途徑。貴州省內(nèi)其他高等工科院校也未設(shè)置力學(xué)學(xué)科碩士授權(quán)點(diǎn)，各工科專業(yè)的研究生培養(yǎng)方案多以專業(yè)課為主，未開設(shè)或很少開設(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足，限制了力學(xué)理論和方法在研究生課題中的應(yīng)用。但力學(xué)知識(shí)是工科專業(yè)課的必備基礎(chǔ)，此種培養(yǎng)模式不利于工科專業(yè)研究生力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與提高，若研究生課題與力學(xué)相關(guān)，則需要研究生自學(xué)相關(guān)知識(shí)，并不能掌握較深的力學(xué)理論，多數(shù)停留在對(duì)現(xiàn)有理論的應(yīng)用與重復(fù)，不利于培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力，降低了研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，這是目前貴州省工科院校普遍存在的問題。因此，針對(duì)工科專業(yè)研究生開設(shè)相關(guān)力學(xué)課程，建立體系化的力學(xué)課程及教學(xué)方法極其必要，并應(yīng)加強(qiáng)體系化力學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革的研究工作。

三、研究生體系化力學(xué)課程建設(shè)的必要性

我校土木工程學(xué)科研究生培養(yǎng)目標(biāo)之一為掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，而堅(jiān)實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)僅依靠本科階段開設(shè)的力學(xué)課程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由我校2015-2017屆土木工程（主要包括結(jié)構(gòu)工程、巖土工程和橋梁與隧道工程專業(yè)）研究生畢業(yè)課題內(nèi)容統(tǒng)計(jì)顯示，彈塑性力學(xué)、損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)應(yīng)用比例較高，彈塑性力學(xué)已開設(shè)，但損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)相關(guān)的課程并未開設(shè)。而且，我校土木工程專業(yè)研究生課題的共同特點(diǎn)為數(shù)值計(jì)算占比偏高，因此開設(shè)了有限元理論及方法、能量原理及變分法及巖土工程數(shù)值模擬相關(guān)課程（見表1）。有限元理論或方法的數(shù)值實(shí)現(xiàn)是現(xiàn)有力學(xué)知識(shí)在研究生科研課題中應(yīng)用的一個(gè)突出特點(diǎn)。土木工程碩士研究生畢業(yè)論文多數(shù)是以工程應(yīng)用為背景，論文都存在研究內(nèi)容充實(shí)但深度不足的特點(diǎn)，這與研究生的培養(yǎng)模式相關(guān)，我校土木工程學(xué)科研究生的課程設(shè)置偏重專業(yè)應(yīng)用，理論學(xué)習(xí)方面偏弱。此種課程體系基本滿足現(xiàn)有碩士研究生的培養(yǎng)，但不利于博士研究生的培養(yǎng)。博士研究生要求具備夯實(shí)的理論基礎(chǔ)，敏銳的學(xué)術(shù)洞察力以及較強(qiáng)的科研能力，而夯實(shí)的理論基礎(chǔ)很大一部分源于力學(xué)。因此，為加強(qiáng)土木工程區(qū)域一流學(xué)科建設(shè)以及一級(jí)博士授權(quán)點(diǎn)建設(shè)工作，研究生力學(xué)課程建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容、方法改革勢在必行。實(shí)驗(yàn)測試、理論分析和數(shù)值計(jì)算是科學(xué)研究的三大支柱，缺一不可。結(jié)合土木工程學(xué)科研究生論文中力學(xué)知識(shí)應(yīng)用情況，應(yīng)開展損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)理論與解題方法教學(xué)，以及相應(yīng)的有限元實(shí)現(xiàn)方法教學(xué)，可以提高研究生的科研水平及論文質(zhì)量，這也應(yīng)是“區(qū)域一流”建設(shè)背景下土木工程學(xué)科研究生體系化高等力學(xué)課程建設(shè)的核心工作。

四、研究生體系化力學(xué)課程構(gòu)建初探

土木工程專業(yè)研究生體系化力學(xué)課程以損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)理論為主，結(jié)合有限元方法，開展教學(xué)，整合并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，形成力學(xué)理論應(yīng)用及其數(shù)值實(shí)現(xiàn)的體系化教學(xué)模塊，并探索該課程適用的教學(xué)方法，為土木工程學(xué)科研究生科研提供力學(xué)理論與解題方法基礎(chǔ)，提高研究生創(chuàng)新能力。整體思路如圖1所示。

在教學(xué)內(nèi)容方面，該門課程建設(shè)要以服務(wù)專業(yè)為核心，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，整合損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)與有限元三門課程的教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建分層次教學(xué)體系，先講授材料與結(jié)構(gòu)的損傷問題（破壞前的狀態(tài)），再講授材料與結(jié)構(gòu)的斷裂問題（即破壞后的狀態(tài)），最后結(jié)合重要理論，講授理論的有限元實(shí)現(xiàn)方法。并建立單元模塊式的課程內(nèi)容體系，課程內(nèi)容分為三個(gè)單元模塊：損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)和對(duì)應(yīng)的有限元實(shí)現(xiàn)方法。課程考慮不同方向研究生對(duì)力學(xué)知識(shí)的需求，爭取做到統(tǒng)一性與多樣性兼顧，以與學(xué)科發(fā)展相聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)科建設(shè)相融合為主線，制定課程教學(xué)大綱，確定課程性質(zhì)、內(nèi)容、學(xué)時(shí)和考核方式等相關(guān)信息，通過整體優(yōu)化，改善課程結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)教學(xué)效果。

在教學(xué)方法方面，研究生課程以培養(yǎng)其創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力為目標(biāo)，課程講授方式對(duì)應(yīng)要有所改革與創(chuàng)新，尤其是面向不同的專業(yè)方向，應(yīng)因材施教，學(xué)以致用，因此亟需探索該種體系化課程適用的教學(xué)理念與方法，形成系統(tǒng)的教學(xué)模式。建議采用的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，如：研討教學(xué)法、應(yīng)用實(shí)例教學(xué)法等。

研討教學(xué)法：本課程包括損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)以及對(duì)應(yīng)的有限元實(shí)現(xiàn)方法三大模塊，內(nèi)容較多，在教學(xué)過程中，教師和學(xué)生可以共同圍繞三者之間的聯(lián)系以及在各自研究課題中的應(yīng)用問題進(jìn)行專題研討，此種模式可以加深學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的理解程度，開闊學(xué)生思維的寬度與廣度，使專業(yè)知識(shí)相互融匯、滲透，通過討論，達(dá)到知識(shí)互補(bǔ)，擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面，改變學(xué)生思考問題的角度，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)。

應(yīng)用實(shí)例教學(xué)法：針對(duì)課程中損傷與斷裂力學(xué)重要理論的有限元實(shí)現(xiàn)這部分內(nèi)容，以教師或畢業(yè)生的科研成果為實(shí)例，借助實(shí)例進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生掌握有限元數(shù)值計(jì)算的過程與方法，總結(jié)有限元方法的要點(diǎn)與難點(diǎn)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行力學(xué)建模的能力，為研究生的課題開展奠定基礎(chǔ)。

自由化考核方式：為實(shí)現(xiàn)力學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，本課程建議采用理論與應(yīng)用并重的考核方式，學(xué)生可以結(jié)合科研項(xiàng)目或課題內(nèi)容，選擇相關(guān)的力學(xué)理論，并完成理論的有限元實(shí)現(xiàn)過程，開展算例計(jì)算、研究分析，并以研究報(bào)告和匯報(bào)的形式進(jìn)行研討，既鍛煉學(xué)生的科研能力，也可以提高研究生的科研素質(zhì)。

另外，還應(yīng)建立完善的課程評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)研究體系化力學(xué)課程建設(shè)及提升課程改革的教學(xué)效果，初步的評(píng)價(jià)體系如圖2所示，通過選課研究生對(duì)體系化力學(xué)課程學(xué)習(xí)效果及應(yīng)用情況進(jìn)行反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，結(jié)合研究生導(dǎo)師在選課研究生科研課題進(jìn)展方面的反饋，提升課程教學(xué)內(nèi)容與科研實(shí)踐的結(jié)合度，最后聽取專家指導(dǎo)意見，對(duì)下一年度的課程內(nèi)容、教學(xué)方法等課程改革內(nèi)容進(jìn)行完善、優(yōu)化。

研究生體系化力學(xué)課程建設(shè)是貴州省高校工科研究生培養(yǎng)亟需重點(diǎn)建設(shè)的內(nèi)容，包括師資力量、課程內(nèi)容建設(shè)及教學(xué)方法改革等方面。針對(duì)貴州大學(xué)土木工程學(xué)科研究生的課程設(shè)置情況，提出了培養(yǎng)過程中課程設(shè)置的弊端，闡明研究生體系化力學(xué)課程構(gòu)建的重要性，建議開設(shè)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)與有限元體系化課程，并初步探討了該課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法。該課程的建設(shè)將有助于提高土木工程學(xué)科研究生的科研水平與創(chuàng)新能力，為我校土木工程學(xué)科博士生力學(xué)課程建設(shè)與改革提供參考，促進(jìn)貴州大學(xué)土木工程“區(qū)域一流”學(xué)科的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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