新工科背景下“板殼力學”課程教學改革探索

［摘 要］ 新工科模式的提出與推進對高等院校的教學改革提出了新要求。“板殼力學”作為河海大學工程力學專業的一門重要課程，須緊跟高等教育的發展形勢，進行教學改革。根據這門課的特點及多年教學經驗，再結合學校的行業背景和人才培養目標，對“板殼力學”課程的教學內容及教學方式進行了改革探索與實踐。教學內容方面，通過挖掘思政元素并潤物無聲地融入課堂，讓課程教學與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。教學方式方面，在數學公式推導較煩瑣的部分，通過增大板書教學的比重，增強了師生之間的互動，提升了教學過程的感染力，塑造了學生的品質。多年實踐證明，改革后的教學效果明顯改善，能很好貫徹落實立德樹人根本任務。

［關鍵詞］ 新工科；板殼力學；課程教學改革

［基金項目］ 2022年度河海大學課程思政示范課程建設項目“工程力學”（2022B15）；2022年度河海大學小型教學管理研究項目“力學類課程中運用多元化板書進行啟發式教學的探索與實踐”（B2201909）；2023年度河海大學課程思政案例庫項目“彈塑性力學課程群”

［作者簡介］ 徐業鵬（1983—），男，湖北漢川人，博士，河海大學工程力學系講師，主要從事計算力學與工程仿真研究；王 磊（1980—），男，山東濰坊人，博士，河海大學工程力學系教授，主要從事計算力學與工程仿真研究；余天堂（1971—），男，湖北洪湖人，博士，河海大學工程力學系教授（通信作者），主要從事計算力學與工程仿真研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）19-0061-04 ［收稿日期］ 2023-07-27

“板殼力學”是工程力學專業一門重要的基礎課程，內容包括薄板理論和薄殼理論兩部分。該課程屬于應用彈性力學的范疇，學生在完成“彈性力學”課程的學習后，通過學習板殼力學，掌握板殼力學的計算假定、基本方程和求解方法，學會使用多種方法計算板殼結構在外力作用下產生的應力、應變和位移，實現將板殼力學經典理論與現代工程實際相結合，為工程應用及其他相關課程的學習打下堅實的理論基礎。該課程的系統性與理論性較強，可通過在教學過程中融入部分有趣的思政內容，使教學過程更具感染力，教書育人的效果得到凸顯。另外，針對數學公式較多的部分，可采用板書推導的方式進行授課，引領學生理解和提高。多年實踐證明，思政結合板書的教學手段效果很好，能有效實現教育“價值引領”與“知識傳授”的雙重功能。

一、更新教學內容，思政元素融入課程教學

2016年12月，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程。使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應［1］。2019年3月，習近平總書記在北京主持召開學校思想政治理論課教師座談會時強調，挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現全員全程全方位育人［2］。在新工科背景下，課程思政強調以教師為主導、學生為主體的教學思想，通過深入挖掘思政元素，探索課程知識體系與課程思政理念的有機融合方式，豐富課堂教學。同時，回歸優良的傳統教學方法，全方位、多角度、生動有趣地開展課堂教學，強化學生德育與智育的協同培養。由于課時限制，專業課在講授過程中不能使用過多的時間開展思政教學，這就要求教師要盡可能地設計好思政元素，潤物無聲地融入教學中。考慮到思政教學點與所在章節內容的協調性和一致性，修訂后的“板殼力學”課程教學內容增添了4個思政教學點。

（一）世界板殼理論的“中國聲音”

講授“板殼力學”緒論部分時，引出世界板殼理論的“中國聲音”這一思政點，介紹錢偉長院士在板殼理論方面做出的貢獻。20世紀40年代初，錢偉長研究了板殼問題內稟統一理論，提出了板殼理論的非線性微分方程組，在國際上被稱為“錢偉長方程”。1977年，美國出版的《板殼漸進解》一書還把錢偉長的這一工作譽為“劃時代的工作”。錢偉長的有關儀表彈性元件環殼分析解釋的研究成果，被譽為“具有中國獨特優點的重要貢獻”，他研究了薄板大撓度問題的攝動方法，被稱為“錢偉長法”［3］。錢偉長在板殼理論方面做出了劃時代的工作，為祖國贏得了巨大的榮譽。通過介紹該思政點，教導學生中國人也一樣可以做出世界級成果，不要迷信權威，培養學生的家國情懷，堅定學生的民族自信。

（二）雙曲扁殼閘門的設計

殼體結構受力合理，因此在工程中被廣泛應用。講授完薄殼的基本理論后，引出“雙曲扁殼閘門的設計”這一思政點。首先，簡要介紹思政點內容，即徐芝綸院士首次應用彈性力學合理地設計了雙曲扁殼閘門，制造了當時國內跨度最大的雙曲扁殼閘門。然后，詳細介紹該思政點內容的來龍去脈。20世紀70年代初，徐芝綸院士和河海大學工程力學系幾位年輕教師一起到滁河紅山窯水利樞紐工地開展現場設計，由于節制閘閘孔的跨度大，如果采用當時流行的鋼筋混凝土框架—鋼絲網水泥平板型式閘門，則自重大，對啟閉機要求較高，徐芝綸決定采用當時在工民建上很先進的雙曲扁殼結構型式的閘門。為了解決雙曲扁殼承受水壓力荷載的內力計算問題，徐芝綸夜以繼日地推導公式，并用差分法手算得出雙曲扁殼在水壓力作用下的內力，使雙曲扁殼閘門的設計得以完成。為了便于工程技術人員設計，徐芝綸又進一步計算，制成許多計算表格。最后，凝練出三個課程思政教學點：第一，要敢于突破現行的傳統做法，敢于創新，創新是一個民族進步的靈魂；第二，要善于運用學習的知識解決實際工程問題，不應為了學習而學習，而應學有所用；第三，要學習徐芝綸“什么事情都是首先為別人著想，寧可自己付出更多的辛勞”的精神，先人后己不僅是一種美德，也是一種精神。

（三）一種通用的板殼單元

薄板殼分析的單元不適用于厚板殼問題，反之，厚板殼分析的單元也不適用于薄板殼問題，能否建立一種通用的板殼單元成為人們關心的問題。由于平板殼元最為簡單和直觀，許多學者的研究集中于構建通用的平板殼元。河海大學工程力學系邵國建老師在20世紀90年代構造了一種通用的四邊形平板殼元（簡稱為GSQ24殼體單元）［4］。GSQ24殼體單元是一種帶有平面內旋轉自由度的四結點平板單元，每個結點六個自由度，此種單元由基于Mindlin板理論的平板彎曲單元和基于修正Reissner泛函中引入獨立轉動場變分原理的平面膜單元組合而成。GSQ24殼體單元一方面避免了常規殼體單元中每個結點五個自由度在單元共面時造成剛度矩陣奇異問題；另一方面通過在膜元位移模式中引入適用于任何四邊形單元的不協調位移函數，使得膜元和彎曲元中位移插值函數階數匹配問題也得到妥善解決。在應用上，GSQ24殼體單元易于模擬復雜的殼面連接，易于與別的帶有轉動自由度的單元相容。此種單元理論基礎嚴謹、方法簡明、適用性廣，且無任何閉鎖及多余的零能模式。通過介紹該思政點，教導學生在河海大學也可以取得優秀的成果，增強學生的學校自信和專業自信。

（四）抓大放小彰顯哲學智慧，巧用圣維南原理處理板邊次要邊界條件

“板殼力學”課程教學中充滿著辯證法思想，比如法國力學家提出的圣維南原理。由該原理引出科學研究的方法論——“抓大放小法”，即分清主次，抓住主要矛盾，搞好宏觀控制，對次要矛盾進行微觀調節。課堂授課時，教師要告知學生，這個方法論在力學分析中有著廣泛應用，如“彈性力學”與“板殼力學”中的幾個基本假設、平面應力和平面應變問題的處理思路均包含了“抓大放小法”，由此培養學生分析問題、解決問題的能力，從而達到“授人以漁”的教學目標。再如，在講到矩形薄板小撓度彎曲問題時，如果板邊不是簡支或者固支而是自由邊時，其邊界條件可應用圣維南原理進行近似處理，即把邊界上的扭矩等效為剪力，再與邊界上的實際剪力疊加，用此總剪力滿足剪力的邊界條件，這種等效實際上就是應用圣維南原理，可取得很好的計算效果。

二、優化教學方法，合理利用板書

近年來，多媒體教學已成一種時尚和趨勢，不少高校還專門建設了智慧教室。相比于傳統板書教學，多媒體教學與智慧教學有其優越性，比如學生無法進入教室進行線下學習時，采用PPT線上授課可以基本滿足教學要求。另外，在線下授課時，為提高學生對板殼力學工程背景的感性認識，可以在第一堂課上利用多媒體教學便利，放映一些國內外大型體育場館、歌劇院、橋梁、航天飛行器結構、水面艦船、潛艇等的照片，介紹每種結構中的板殼力學計算模型，激發學生的學習興趣，讓他們深切感受到好好學習這門課會和學習結構力學一樣將來能夠解決實實在在的工程問題，有廣闊的應用前景，這種授課處理方式效果很好。但是，“板殼力學”這門課涉及的偏微分方程、偏微分算子、雙重級數解答較多，如果每章的教學及歸納都以多媒體為主，會使學生感到枯燥，且有些重要公式與解答需要詳細推導過程，如果仍采用PPT放映的方式一帶而過，不利于學生扎實理解與掌握。針對這部分內容，改用傳統板書教學將會收到更好的教學效果。

近幾年以來，筆者嘗試采取傳統的板書授課法，努力讓課堂回歸它的本真意義，即讓學生的目光和注意力鎖定在教學內容上，促使學生及時有效地動手記錄講授要點和課堂思考，構建教師和學生高度融合的教學場域。同時，設法與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把立德樹人作為教育的根本任務，取得了很好的教學效果。一筆一畫的板書，飽含著教師立德樹人的初心，以及教師對學子的真心，也傳遞著教師對課堂的熱愛、對教育的心血傾注。學生受到教師的正面影響，學習的積極性得到了提高，學習效果得到了增強（如圖1所示）。

結語

貫徹落實《高等學校課程思政建設指導綱要》，圍繞“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”［5］這一根本問題，深入挖掘“板殼力學”課程包含的顯性和隱性思政元素，探索將思政元素合理融入“板殼力學”課程的教學方法。同時研究多媒體教學、板書教學兩種不同授課方式的有效融合方式，形成“板殼力學”一流課程建設中思政教育的體系與方法，讓價值引導在“板殼力學”課程設計和課堂教學中如鹽在水，達到“春風化雨、潤物無聲”的育人效果，從而真正實現教育“知識傳授”與“價值引領”的兩重功能。

參考文獻

［1］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

［2］習近平主持召開學校思想政治理論課教師座談會強調 用新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人 貫徹黨的教育方針落實立德樹人根本任務［N］.人民日報，2019-03-19（1）.

［3］王貞虎.著名力學家錢偉長的成長經歷［J］.云南檔案，2020（9）：38-41.

［4］邵國建.GSQ24殼體單元用于板殼結構的幾何非線性分析［J］.工程力學，2002（6）：105-109.

［5］教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-05-28）［2023-06-10］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

Exploration of Teaching Reform for Plate and Shell Mechanics under Emerging Engineering" Education Background

XU Ye-peng， WANG Lei， YU Tian-tang

（Department of Engineering Mechanics， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 211100， China）

Abstract： The proposal and promotion of the Emerging Engineering Education model has brought about new requirements for the curriculum teaching reform in colleges and universities. Plate and shell mechanics， as an important professional course of engineering mechanics in Hohai University， also needs to keep up with the development of higher education and carry out teaching reform. In view of the characteristics of this course， based on years of teaching experience， as well as the industry background and talent training objectives of the school， the teaching content and teaching methods of plate and shell mechanics course are explored and practiced. In terms of teaching content， the course teaching and ideological and political theory courses develop in the same direction by digging ideological and political elements and skillfully integrating them into the classroom， forming a synergistic effect. As to teaching methods for the combersome mathematical formula derivation， it is advisable to increase the proportion of blackboard teaching， so as to enhance the interaction between teachers and students， strengthen the appeal of the teaching process， shape the quality of students. Years of practice has proved that the teaching effect after the reform has been significantly improved， and it can well accomplish the fundamental task of establishing morality and cultivating talents.

Key words： Emerging Engineering Education; Plate and Shell Mechanics; teaching reform