土木工程彈性力學(xué)課程教改分析
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摘要：為提高土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量和效果，本文分析了土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程的教學(xué)相關(guān)問題，針對(duì)相關(guān)問題，探索了土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程的教學(xué)改進(jìn)方法，為提高其教學(xué)質(zhì)量和效果提供了參考意見。
關(guān)鍵詞：彈性力學(xué)；土木工程；教學(xué)；探索
彈性力學(xué)是高等學(xué)校土木水利等專業(yè)的一門理論性與應(yīng)用性都很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，目前各高校很多學(xué)科根據(jù)本專業(yè)本科教育培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)寬口徑、厚基礎(chǔ)的教學(xué)基本要求，減少課時(shí)和精簡(jiǎn)內(nèi)容。另外，土木類專業(yè)所面臨的現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題大多為非桿系的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，所以許多高等院校要求開設(shè)彈性力學(xué)和有限元課程，其目的是加強(qiáng)土木類本科生對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)值分析能力的培養(yǎng)，以提高他們從事科學(xué)研究和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。然而學(xué)生普遍認(rèn)為彈性力學(xué)解決實(shí)際工程的能力遠(yuǎn)不如材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，而且彈性力學(xué)理論抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)麻煩，課程枯燥乏味，提不起學(xué)習(xí)興趣。因此在現(xiàn)有的學(xué)時(shí)下如何保證教學(xué)的基本要求和基本內(nèi)容，用什么方法和手段達(dá)到既增大信息量，減少教學(xué)時(shí)數(shù)，又能強(qiáng)化學(xué)生能力的培養(yǎng)，成為彈性力學(xué)教學(xué)中需要關(guān)注的問題。
一、高校彈性力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
為了提高結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)的相關(guān)教學(xué)水平和研究成果，教育部高等學(xué)校力學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)結(jié)構(gòu)力學(xué)及彈性力學(xué)課程教學(xué)指導(dǎo)小組定期召開工作會(huì)議，2006年工作會(huì)議在武漢理工大學(xué)召開，2009年工作會(huì)議在成都西南交通大學(xué)舉行，2014年10月工作會(huì)議在北京工業(yè)大學(xué)舉行，各高校在每次會(huì)議中都對(duì)彈性力學(xué)的教學(xué)進(jìn)行了教學(xué)改革成果和經(jīng)驗(yàn)交流，對(duì)教學(xué)實(shí)踐、課程建設(shè)和資源積累等問題進(jìn)行了研討。北京工業(yè)大學(xué)在彈性力學(xué)的教學(xué)中也進(jìn)行了很多研究和改革，北京工業(yè)大學(xué)彈性力學(xué)課程的設(shè)置和教學(xué)與國(guó)內(nèi)其他高校具有類似特點(diǎn)與問題。2006年之前彈性力學(xué)作為土木工程本科專業(yè)的必修或必選課，學(xué)時(shí)一般為40學(xué)時(shí)左右，使用教材以徐芝綸《彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程》為主要教學(xué)參考書。在2007版本科教學(xué)改革之后，彈性力學(xué)在土木工程專業(yè)本科中仍然設(shè)置為學(xué)科基礎(chǔ)必修課，但學(xué)時(shí)改為16學(xué)時(shí)，考試時(shí)采用閉卷考試，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)要求較高，較多學(xué)生仍然認(rèn)為太偏重于理論，理論抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)煩瑣難以理解，并且其解決實(shí)際工程的能力遠(yuǎn)不如結(jié)構(gòu)力學(xué)。在2012版教學(xué)計(jì)劃后，課程性質(zhì)以及學(xué)時(shí)都沒變，但考試時(shí)采用開卷考試，對(duì)學(xué)生的公式推導(dǎo)要求降低。改為16學(xué)時(shí)時(shí)，教師和學(xué)生的感覺都是時(shí)間太緊張，學(xué)習(xí)壓力大，所以在剛完成的2015版土木工程本科教學(xué)計(jì)劃中，彈性力學(xué)進(jìn)行了很多變化，首先課程性質(zhì)發(fā)生了改變，由學(xué)科基礎(chǔ)必修課改為學(xué)科基礎(chǔ)選修課，讓學(xué)生有選擇的空間，其次學(xué)時(shí)增加為24學(xué)時(shí)，讓選修彈性力學(xué)的同學(xué)能真正學(xué)習(xí)到彈性力學(xué)的主要內(nèi)容。所以目前在現(xiàn)有的學(xué)時(shí)下，如何保證教學(xué)的基本要求和基本內(nèi)容，用什么方法和手段達(dá)到既增大信息量，減少教學(xué)時(shí)數(shù)，又能強(qiáng)化學(xué)生能力的培養(yǎng)，成為教學(xué)中關(guān)注的問題，由此也產(chǎn)生了彈性力學(xué)教學(xué)內(nèi)容多和學(xué)時(shí)少的矛盾。許多高校和研究者在彈性力學(xué)課程教學(xué)和研究上進(jìn)行了教學(xué)改革，取得了較多有益成果，盡管如此，土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程在以下幾方面尚有待研究與改革：（1）教學(xué)對(duì)象上，彈性力學(xué)通常主要在工程力學(xué)專業(yè)開設(shè)，需要充分考慮結(jié)合土木工程專業(yè)的特點(diǎn)。（2）教學(xué)思路上，仍然偏向工程力學(xué)方法，在內(nèi)容選擇上較偏向數(shù)學(xué)，主要是理論上的教學(xué)，對(duì)理論分析和數(shù)值分析結(jié)合對(duì)比方面缺少。（3）講課內(nèi)容中未能充分引入彈性力學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，尤其是與土木工程結(jié)構(gòu)相關(guān)進(jìn)展，因此在彈性力學(xué)課程的教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、考試形式等方面需要進(jìn)行一些思考和探討，對(duì)彈性力學(xué)教學(xué)中的普遍與特殊問題進(jìn)行研究與實(shí)踐，將促進(jìn)學(xué)校土木工程學(xué)科力學(xué)教學(xué)的發(fā)展。
二、盡可能地提高學(xué)生的“計(jì)算分析”理論水平
根據(jù)高等院校土木類專業(yè)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范以及2015版培養(yǎng)方案規(guī)定的學(xué)時(shí)，需要考慮在既有學(xué)時(shí)下，使學(xué)生的理論水平能達(dá)到當(dāng)今土木類專業(yè)的培養(yǎng)要求。
1.重點(diǎn)突出彈性力學(xué)分析思路和概念。在教學(xué)中，在分析思路上，一般重點(diǎn)講授彈性力學(xué)平面問題的相關(guān)問題，并且對(duì)彈性力學(xué)平面問題基本理論采取精講的形式，對(duì)空間問題基本理論采取和平面問題基本理論相對(duì)比方法進(jìn)行講解。如果根據(jù)實(shí)際，直接從實(shí)際工程的三維問題，再到講授二維問題可能更符合思維過程以及實(shí)際工程問題，使得思路更加自然，并且能節(jié)省教學(xué)課時(shí)。另外，在講授方法思路中應(yīng)突出思路、概念與結(jié)論。如彈性力學(xué)中的概念問題：彈性力學(xué)中應(yīng)力的方向以及正負(fù)號(hào)的定義，平面應(yīng)力問題和平面應(yīng)變問題的區(qū)分，應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件的確定方法，處理局部邊界條件的圣維南原理，等等，這些都是講述平面問題基本理論中要熟練掌握的概念。
2.結(jié)合具體土木工程實(shí)例教學(xué)，附加一些分析程序和工具的介紹，拓寬學(xué)生分析方面的應(yīng)用能力。在介紹分析思路時(shí)，需要結(jié)合有實(shí)際工程背景的工程算例來分析，這樣可以明確學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。在理論分析完成后，還可以介紹相應(yīng)的數(shù)值分析方法，介紹Matlab計(jì)算程序或有限元分析工具，對(duì)理論分析過程數(shù)值化，讓學(xué)生自己操作計(jì)算，分析結(jié)果。最后由于土木工程專業(yè)學(xué)生在實(shí)際工作中需要學(xué)會(huì)運(yùn)用，可以結(jié)合一些設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行學(xué)習(xí)，如：公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD70-2004）建議采用彈性力學(xué)數(shù)值方法—有限元法計(jì)算圍巖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形等，通過在理論分析結(jié)果和數(shù)值分析對(duì)比的同時(shí)，還可以通過規(guī)范要求進(jìn)行驗(yàn)算。
三、根據(jù)當(dāng)今土木類本科生的培養(yǎng)要求，編寫適合土木工程專業(yè)學(xué)生使用的教材
就目前而言，對(duì)于土木類本科生的彈性力學(xué)課程，各高等院校所安排的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時(shí)數(shù)及選用的教材均存有不同。換言之，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時(shí)數(shù)及教材均沒有統(tǒng)一的指定，仍處在各高校教師根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行不斷地探索與總結(jié)。目前已出版的彈性力學(xué)教材有很多種，所使用的教材一般為《彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程》，徐芝侖編，高等教育出版社出版。這本教材所涵蓋的內(nèi)容較多、較全面，也比較深刻，對(duì)概念思路的解釋較為簡(jiǎn)潔，但仍然有需要改進(jìn)之處：（1）基本上從平面問題到空間問題最后到板殼一些特殊問題，分析講解思路可以變化，讓學(xué)生更快更容易的理解。（2）理論講解較多，實(shí)際土木工程案例的分析較少。（3）理論推導(dǎo)比較多，數(shù)值分析對(duì)比較少，數(shù)值分析工具的應(yīng)用較少等，另外學(xué)生學(xué)習(xí)的課余指導(dǎo)用書比較少。為此，編寫更加適合土木工程專業(yè)的教材以及教材指導(dǎo)用書是有必要的。
四、改革單一的板書教學(xué)模式，研制《彈性力學(xué)》的CAI電子教案
作為一門強(qiáng)調(diào)理論與應(yīng)用的課程，僅以單一的板書教學(xué)模式明顯不足。例如，本課程中復(fù)雜的理論推導(dǎo)數(shù)學(xué)演示，這些均可通過CAI電子教案的教學(xué)來表述。此項(xiàng)教改工作的目的是在教學(xué)時(shí)數(shù)不足的情況下，就如何實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)氣氛活躍、高效率地完成教學(xué)內(nèi)容、突出理論聯(lián)系實(shí)際等方面而為之。根據(jù)本課程教學(xué)大綱中教學(xué)內(nèi)容的要求及依據(jù)更加豐富的教材，可以編制本門課程的CAI電子教案。在實(shí)際教學(xué)中，采用多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)模式，預(yù)期可以達(dá)到較好的教學(xué)效果，授課學(xué)生能給出較好的評(píng)價(jià)。另外，課內(nèi)教學(xué)是本課程的主要任務(wù)。但由于本門課程在土木專業(yè)上的應(yīng)用性較強(qiáng)，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)均會(huì)遇到實(shí)際結(jié)構(gòu)問題的數(shù)值分析，對(duì)此需要課外指導(dǎo)，因此建立教師學(xué)生互動(dòng)平臺(tái)和窗口也是有必要的。
五、結(jié)語
為了提高土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量和效果，本文分析了土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程的教學(xué)相關(guān)問題，并探索了土木工程專業(yè)彈性力學(xué)課程的教學(xué)改進(jìn)方法。
1.盡可能地提高學(xué)生的“計(jì)算分析”理論水平，使學(xué)生的理論分析水平達(dá)到當(dāng)今土木類專業(yè)的培養(yǎng)要求。
2.根據(jù)當(dāng)今土木類本科生的培養(yǎng)要求，編寫適合土木工程專業(yè)學(xué)生使用的教材。
3.改革單一的板書教學(xué)模式，研制《彈性力學(xué)》的CAI電子教案，并建立教師互動(dòng)平臺(tái)和窗口。
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作者：陳適才 彭一江 彭凌云 單位：北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院
