“區域一流”背景下研究生體系化力學課程構建

王玲玲 王密 胡周 孔德文

摘? 要：闡述了貴州大學土木工程專業研究生課程設置的弊端，分析了貴州省高校工科專業研究生力學類課程開設現狀，指出研究生培養過程中力學課程設置的必要性。依托貴州大學土木工程學科發展優勢，提出了開設損傷力學、斷裂力學與有限元體系化課程的構想，對課程教學內容及教學方法進行了初步探討，該門課程的建設將有助于提高研究生的科研水平及創新能力，進一步促進貴州大學區域一流學科與土木工程一級學科博士點建設工作。

關鍵詞：土木工程學科;體系化力學課程;教學內容;教學方法

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：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

貴州大學土木工程學科根據社會需求和區域發展需要，經過學科專業結構不斷優化，形成了以結構工程、道路與橋梁工程、巖土工程為主體的培養方向。該學科經歷六十年的發展，形成了完善的學科體系、合理的師資隊伍以及寬厚的研究基礎。2017年，土木工程學科入選貴州省區域一流建設學科，并在同年度學位授權點審核工作中，獲批土木工程一級學科博士學位授權點，這標志著貴州大學土木工程學科發展進入了新的征程。

在區域一流學科及土木工程一級學科博士點建設過程中，師資隊伍建設、人才培養、科學研究、平臺提升等方面是建設與改進的重點內容，其中人才培養是學科發展的關鍵環節，尤其是研究生培養。提高研究生培養質量一直是研究生教育的核心工作，而科研創新能力則是衡量培養質量的一項重要指標。研究生創新能力主要表現在夯實的理論基礎、良好的科研素質以及解決實際問題的能力，這需要學科為研究生提供良好的教學、科研平臺以及完善的課程培養體系[1-3]。貴州大學也將進一步開展研究生教育改革、實施研究生課程體系建設、重點課程建設作為研究生培養的工作計劃要點。所以研究生課程體系建設與改革是學科建設的一項重點工作內容。

一、貴州大學土木工程專業研究生課程設置

貴州大學土木工程學科研究生根據培養方向（本文主要包括結構工程、巖土工程、橋梁與隧道工程方向）開設了多門基礎課與專業課課程，并形成了較為完善的課程體系，包括師資、教學內容及教學方法等。而對比國內外知名高校土木工程學科研究生課程可以發現，我校該專業的研究生課程設置存在一定弊端，在所開課程中，力學課程種類較少，國外知名大學土木工程專業開設13門力學課程，哈爾濱工業大學土木工程專業開設了11門力學課程，昆明理工大學土木工程專業開設了7門力學課程，我校土木工程專業研究生階段開設了6門力學課程，僅1門基礎力學課程（彈塑性力學），其他均為專業類力學課程，具體課程名稱見表1。

土木工程屬于工科專業，要求研究生需要具備扎實的力學基礎，并將其與專業知識相結合，用以科學研究或解決工程實際問題。貴州大學本科培養方案中開設的力學課程包括“理論力學”“材料力學”“工程力學”“結構力學”“彈性力學”和“流體力學”等，這些課程內容是以力學基礎知識為主，能夠滿足本科生對力學知識應用的需求。但就研究生而言，需要掌握更深的力學理論知識，具備更好的解決工程實際中力學問題的能力。因此在工科研究生培養階段，需要開設“彈塑性力學”、“損傷力學”、“斷裂力學”和 “連續介質力學”等力學課程，還可以根據專業需要開設一些針對性強的力學課程，如“復合材料力學”、“巖石力學”、“振動力學”、“計算結構動力學”和“高等土力學”等。顯然，我校土木工程學科研究生階段相關力學課程建設力度相對薄弱。

二、貴州省高校工科專業研究生力學課程開設現狀

力學課程是工科專業研究生的重要基礎課程，有助于研究生開展課題研究、鍛煉其科研創新能力及解決實際工程問題的能力。國內外知名高校多數將基礎力學課程作為學位課或非學位課，針對全校研究生進行選修，不限制專業，允許學生跨專業、跨學科、跨學院進行選課，如美國麻省理工學院、阿爾伯特大學、清華大學、哈爾濱工業大學、北京工業大學等。力學是土木工程研究領域的理論支撐，沒有力學方面的理論依據，在該領域內很難有所創新。對于其他工科領域而言，力學同樣起著基礎支撐的作用，所以研究生力學課程的設置至關重要[5-6]。

2016年以前，土木工程學院設有固體力學二級學位授權點，該專業研究生開設的力學課程包括塑性力學、損傷力學、斷裂力學、細觀力學、結構動力學、實驗應力分析等。本院研究生可以跨專業選修力學課程，或者結合自身課題需求，有目標地旁聽所需力學知識。但通過2016年貴州大學碩士學位授權學科的動態調整，撤銷了固體力學二級碩士學位授權點，損傷力學、斷裂力學、細觀力學及實驗應力分析等部分力學課程停開，隔斷了土木工程學科研究生獲取力學知識的有效途徑。貴州省內其他高等工科院校也未設置力學學科碩士授權點，各工科專業的研究生培養方案多以專業課為主，未開設或很少開設力學課程，導致研究生掌握力學理論與方法的深度不足，限制了力學理論和方法在研究生課題中的應用。但力學知識是工科專業課的必備基礎，此種培養模式不利于工科專業研究生力學基礎知識的鞏固與提高，若研究生課題與力學相關，則需要研究生自學相關知識，并不能掌握較深的力學理論，多數停留在對現有理論的應用與重復，不利于培養研究生的創新意識和科研能力，降低了研究生的培養質量，這是目前貴州省工科院校普遍存在的問題。因此，針對工科專業研究生開設相關力學課程，建立體系化的力學課程及教學方法極其必要，并應加強體系化力學課程建設與教學改革的研究工作。

三、研究生體系化力學課程建設的必要性

我校土木工程學科研究生培養目標之一為掌握堅實的力學基礎，而堅實的力學基礎僅依靠本科階段開設的力學課程是遠遠不夠的。由我校2015-2017屆土木工程（主要包括結構工程、巖土工程和橋梁與隧道工程專業）研究生畢業課題內容統計顯示，彈塑性力學、損傷力學與斷裂力學應用比例較高，彈塑性力學已開設，但損傷力學和斷裂力學相關的課程并未開設。而且，我校土木工程專業研究生課題的共同特點為數值計算占比偏高，因此開設了有限元理論及方法、能量原理及變分法及巖土工程數值模擬相關課程（見表1）。有限元理論或方法的數值實現是現有力學知識在研究生科研課題中應用的一個突出特點。土木工程碩士研究生畢業論文多數是以工程應用為背景，論文都存在研究內容充實但深度不足的特點，這與研究生的培養模式相關，我校土木工程學科研究生的課程設置偏重專業應用，理論學習方面偏弱。此種課程體系基本滿足現有碩士研究生的培養，但不利于博士研究生的培養。博士研究生要求具備夯實的理論基礎，敏銳的學術洞察力以及較強的科研能力，而夯實的理論基礎很大一部分源于力學。因此，為加強土木工程區域一流學科建設以及一級博士授權點建設工作，研究生力學課程建設、教學內容、方法改革勢在必行。實驗測試、理論分析和數值計算是科學研究的三大支柱，缺一不可。結合土木工程學科研究生論文中力學知識應用情況，應開展損傷力學、斷裂力學理論與解題方法教學，以及相應的有限元實現方法教學，可以提高研究生的科研水平及論文質量，這也應是“區域一流”建設背景下土木工程學科研究生體系化高等力學課程建設的核心工作。

四、研究生體系化力學課程構建初探

土木工程專業研究生體系化力學課程以損傷力學和斷裂力學理論為主，結合有限元方法，開展教學，整合并優化教學內容，形成力學理論應用及其數值實現的體系化教學模塊，并探索該課程適用的教學方法，為土木工程學科研究生科研提供力學理論與解題方法基礎，提高研究生創新能力。整體思路如圖1所示。

在教學內容方面，該門課程建設要以服務專業為核心，以創新能力培養為目標，整合損傷力學、斷裂力學與有限元三門課程的教學內容，構建分層次教學體系，先講授材料與結構的損傷問題（破壞前的狀態），再講授材料與結構的斷裂問題（即破壞后的狀態），最后結合重要理論，講授理論的有限元實現方法。并建立單元模塊式的課程內容體系，課程內容分為三個單元模塊：損傷力學、斷裂力學和對應的有限元實現方法。課程考慮不同方向研究生對力學知識的需求，爭取做到統一性與多樣性兼顧，以與學科發展相聯系，促進學科建設相融合為主線，制定課程教學大綱，確定課程性質、內容、學時和考核方式等相關信息，通過整體優化，改善課程結構，增強教學效果。

在教學方法方面，研究生課程以培養其創新能力與實踐能力為目標，課程講授方式對應要有所改革與創新，尤其是面向不同的專業方向，應因材施教，學以致用，因此亟需探索該種體系化課程適用的教學理念與方法，形成系統的教學模式。建議采用的理論與實踐相結合的教學方法，如：研討教學法、應用實例教學法等。

研討教學法：本課程包括損傷力學、斷裂力學以及對應的有限元實現方法三大模塊，內容較多，在教學過程中，教師和學生可以共同圍繞三者之間的聯系以及在各自研究課題中的應用問題進行專題研討，此種模式可以加深學生對課程學習的理解程度，開闊學生思維的寬度與廣度，使專業知識相互融匯、滲透，通過討論，達到知識互補，擴展學生知識面，改變學生思考問題的角度，產生新的科研思路，有助于培養研究生的創新意識，提高學生的綜合素質。

應用實例教學法：針對課程中損傷與斷裂力學重要理論的有限元實現這部分內容，以教師或畢業生的科研成果為實例，借助實例進行教學，使學生掌握有限元數值計算的過程與方法，總結有限元方法的要點與難點，提高學生對實際問題進行力學建模的能力，為研究生的課題開展奠定基礎。

自由化考核方式：為實現力學理論聯系實際應用，本課程建議采用理論與應用并重的考核方式，學生可以結合科研項目或課題內容，選擇相關的力學理論，并完成理論的有限元實現過程，開展算例計算、研究分析，并以研究報告和匯報的形式進行研討，既鍛煉學生的科研能力，也可以提高研究生的科研素質。

另外，還應建立完善的課程評價體系，促進研究體系化力學課程建設及提升課程改革的教學效果，初步的評價體系如圖2所示，通過選課研究生對體系化力學課程學習效果及應用情況進行反饋，不斷優化教學內容與教學方法，結合研究生導師在選課研究生科研課題進展方面的反饋，提升課程教學內容與科研實踐的結合度，最后聽取專家指導意見，對下一年度的課程內容、教學方法等課程改革內容進行完善、優化。

研究生體系化力學課程建設是貴州省高校工科研究生培養亟需重點建設的內容，包括師資力量、課程內容建設及教學方法改革等方面。針對貴州大學土木工程學科研究生的課程設置情況，提出了培養過程中課程設置的弊端，闡明研究生體系化力學課程構建的重要性，建議開設損傷力學、斷裂力學與有限元體系化課程，并初步探討了該課程的教學內容與教學方法。該課程的建設將有助于提高土木工程學科研究生的科研水平與創新能力，為我校土木工程學科博士生力學課程建設與改革提供參考，促進貴州大學土木工程“區域一流”學科的長遠發展。

參考文獻：

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