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[摘要]針對當前塑性力學教學現(xiàn)狀和存在的問題,從培養(yǎng)在工程領域尤其是能源開發(fā)領域從事與力學相關的科學技術研發(fā)、工程設計及技術管理工作的高素質(zhì)人才出發(fā),制定具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學目標,編寫囊括基礎理論和礦業(yè)工程實踐的塑性力學教材,實施合理的教學路徑,提高學生分析問題和解決問題的能力,豐富其工程實踐經(jīng)驗,引領學生在更高層次上領略力學學科的魅力。
[關健詞]塑性力學;礦業(yè)特色;創(chuàng)新實踐;教學目標
塑性力學是固體力學的一個重要分支,是研究材料屈服條件、本構(gòu)方程和各種塑性問題基本解法的一門專業(yè)核心課程,也是學習相關專業(yè)課程的基礎[1-3]。由于塑性力學基本概念的抽象性和復雜性,學生極易陷入脫離實際且不得要領的困惑當中,授課教師在教學過程中也會因缺乏成就感而喪失信心。但是,塑性力學理論不僅是研究金屬力學性能的基礎,也是解決采礦領域中的科學問題的重要手段,因此,塑性力學教學必須充分調(diào)動學生的主動性和積極性,從創(chuàng)新實踐教學角度入手,實施具有礦業(yè)特色的教學路徑,使學生從枯燥的概念和公式推導中解脫出來,才能實現(xiàn)教學相長的目的。本文根據(jù)作者近幾年的教學經(jīng)驗以及科研成果,以塑性力學教學大綱為基礎,結(jié)合礦業(yè)領域的一些關鍵科學問題,探索了具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新教學方法思路、實施方案、實施路徑、教學實踐和教學效果,為相關學科的教學改革與實踐提供參考。
一、創(chuàng)新實踐教學方法思路
(一)教學現(xiàn)狀傳統(tǒng)塑性力學主要研究金屬材料的塑性特點[4-5]。由于塑性變形的復雜性,塑性求解不可避免地引入了大量的微分方程,對教師生動形象地教和學生積極主動地學提出一定的挑戰(zhàn)。當前許多高校都在針對塑性力學進行課程教學改革,取得了很好的教學效果[6-7],但是仍然存在一些問題。1.塑性力學教材單一。當前普遍使用的塑性力學教材,大部分內(nèi)容介紹的是金屬材料,但對煤或巖石等各向異性和非均質(zhì)性材料,并不能直接套用金屬材料的相關結(jié)論,造成了無法將所學內(nèi)容很好地應用到煤巖塑性研究當中。2.教學特色不鮮明。教材中的工程應用對相關工程領域中的科學問題沒有詳細剖析,無法體現(xiàn)本領域的主要特色。3.學生對塑性力學的重視程度不夠。學生無法明確課程在本領域中的定位,學習只能流于形式。學生上課聽講不認真,考核只能是對公式的死記硬背,考試結(jié)束后課程內(nèi)容迅速被遺忘。4.學生難以學以致用。如果上述問題無法得到很好的解決,學生在今后應用塑性力學知識時就會有“書到用時方恨少”的感覺,更談不上靈活應用。針對塑性力學教學中存在的問題,作者實踐了具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學方法,評價了教學效果。
(二)教學目標的定位及教學內(nèi)容的修訂1.教學目標的定位。針對教學現(xiàn)狀,編寫具有礦業(yè)特色的塑性力學教材,制定教學大綱,確定創(chuàng)新實踐教學模式,使學生熟練掌握塑性力學基礎理論,熟悉解決礦業(yè)工程領域中科學問題的方法。2.教材編寫。工欲善其事必先利其器,教材的編寫分為基礎理論部分和應用實踐部分。基礎理論部分主要介紹塑性基本理論;應用實踐部分融入礦業(yè)領域最新的科研成果,增加應用案例和實踐環(huán)節(jié),使學生了解應用塑性力學解決礦業(yè)工程問題的方法,以期達到礦業(yè)特色鮮明的目的。3.教學大綱的修訂。教學大綱的基礎理論部分要求學生熟練掌握應力和應變分析、屈服條件的性質(zhì)及應用、本構(gòu)方程的建立等基本理論;應用實踐部分中增加若干礦業(yè)領域中巷道支護、頂板治理、沖擊地壓等于塑性力學相關的案例。
(三)教學方法實施的路徑1.課堂教學。課堂教學應積極采用引導式和互動式的教學方法,鼓勵學生獨立思考,獨立尋求問題的解法,最后教師給出正確答案,真正做到調(diào)動學生的主動性和積極性。2.礦業(yè)特色人文教育。依靠作者學校的地理優(yōu)勢和礦業(yè)學科特色,開設專業(yè)導論課,聘請國內(nèi)外礦業(yè)領域的專家學者來校講學,重點講授力學發(fā)展史、力學人文教育、礦業(yè)特色人文教育、前沿科研成果等。要求學生和專家積極交流探討,對課堂教學的促進效果良好。3.結(jié)合全程本科生導師制和大學生創(chuàng)新項目。本科生導師制是作者學校深化本科人才培養(yǎng)模式改革,提高本科人才教育質(zhì)量,提升本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力,推動本科教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措[8]。大學生創(chuàng)新訓練項目可將學生引入實驗室并參與科研,培養(yǎng)學生的研究思維和動手能力[9],潛移默化地引導學生形成完整的知識體系[10,11]。4.考核方式。合理的考核方式是引導學生主動學習的重要途徑[12],是礦業(yè)特色塑性力學教學方法實施的最后一環(huán)。塑性力學采用課程考試、課堂考勤、課后作業(yè)和工程案例分析及答辯四項內(nèi)容相結(jié)合的考核方式。課程考試主要考核學生基礎部分的學習情況,占最終成績的60%,考題以塑性力學基本知識點和基本問題求解為主。課堂考勤和課后作業(yè)各占最終成績的10%。工程案例分析及答辯主要考核學生應用部分的學習情況,是本項教學方法的重要考核內(nèi)容,也是課堂教學和課后實踐的體現(xiàn),占最終成績的20%。教師根據(jù)礦業(yè)工程案例給出若干題目,學生分組進行案例分析、撰寫報告并進行分組答辯。教師根據(jù)答辯情況給出該項考核的最終成績。綜上所述,具有礦業(yè)特色的塑性力學創(chuàng)新實踐教學方法的具體實施路徑可歸納為圖1。
二、創(chuàng)新實踐教學方法實踐
(一)實踐案例傳統(tǒng)塑性力學教材中厚壁圓筒的彈塑性應力和變形的求解,是采礦工程中巷道圍巖松動圈的理論基礎。事實上,這一理論是巷道掘進過程中松動圈探測、支護設計和加固的重要依據(jù)。作者在講解該部分內(nèi)容時結(jié)合煤礦巷道圍巖松動圈研究成果[13],詳細介紹了國內(nèi)外關于松動圈探測的主要方法,并給出了巷道開掘后圍巖松動圈、塑性區(qū)和彈性區(qū)的定義,使學生能直觀地掌握現(xiàn)場應用和教材理論的區(qū)別和聯(lián)系(圖2)。總之,上述教學實踐能夠直觀地告訴學生所學知識能找到用武之地,并且可以發(fā)表高水平學術論文。學生在開拓視野的同時,學會了主動思考和獨立思考。教師在教學過程中也能發(fā)揮專業(yè)特長,獲得成就感,享受教學帶來的樂趣。
(二)教學效果調(diào)查作者共邀請了力學專業(yè)31名本科生進行關于塑性力學教學的問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示,93.5%的學生認為塑性力學十分重要,90.3%的學生認識到課程具有很強的實用性;96.3%的同學熟練掌握了塑性基本理論,這和課程的考核結(jié)果相吻合。在塑性力學應用篇的學習中,77.4%的學生認為結(jié)合礦業(yè)特色的授課方式能夠提高自己的學習興趣,并且可以促進對基礎篇的掌握。但值得注意的是,仍有22.6%的學生暫時無法接受課堂上講解礦業(yè)工程案例,部分同學希望能夠結(jié)合巖土工程、結(jié)構(gòu)工程或者安全工程等領域的案例來講解。由此可見,多數(shù)同學對于結(jié)合礦業(yè)特色的教學方式較為認同,課后80.6%的學生能夠解決簡單的塑性力學問題,71.0%的學生期望今后能主動學習和應用塑性力學知識。
三、結(jié)論
塑性力學教學忌諱照本宣科,更不能天馬行空。合理的教學方法是在熟練把握塑性基本理論的基礎上,結(jié)合專業(yè)特色進行拓展,從創(chuàng)新實踐教學角度入手,實施具有特色的教學路徑,使學生從枯燥的概念和公式推導中解脫出來,引領學生在更高層次上領略力學學科的魅力,使學生能夠更加專注于自己的專業(yè)。
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作者:王宏偉 徐碩 付佳卉 祝捷 鄧代新 單位:中國礦業(yè)大學