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探究研究生课程“高等结构力学”在多元化背景下的构建及实施

2020-06-08 291 上传者：管理员

摘要：“高等结构力学”是面向船舶与海洋工程学科硕士研究生的一门重要的专业基础学位课。近年来，随着研究生招生规模的扩大，学生本科专业背景呈现出多元化，在教学过程中如何针对不同专业背景、理论基础的学生开展有效教学是一个亟需解决的问题。结合国家“三型人才”的培养要求，从“从教学过程中如课程的教学内容、教学手段和科研实践三方面开展课程建设与探索。

关键词：
固体力学
研究生课程
科研实践
课程建设
高等结构力学
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“高等结构力学”是江苏科技大学船舶与海洋工程学院（下文简称为“我校”）船舶与海洋工程学科一门重要的硕士专业基础学位课，是对本科阶段“船舶结构力学”课程的拓展和深化。本科阶段“船舶结构力学”重点讲授了船舶结构的静力响应分析方法，如力法、位移法和能量法；而对于更为复杂的现代船舶结构设计时必要考虑的结构极限强度、疲劳与断裂、结构冲击等问题并没有涉及。

近年来，随着我国硕士研究生扩生规模的扩大，跨专业录取学生的比例不断增加。今年我校船舶与海洋工程学科录取跨专业的学生比例一度接近50%，换句话说，有为数不少的学生没有学习过本专业的本科知识。同时，结合以往几届的教学经验，硕士研究生有本科化的发展趋势，许多知识都了解一点，但都掌握不扎实，不能够灵活运用。如何针对不同专业背景、理论基础的学生开展有效教学，并提高学生的工程实践能力是一个亟需解决的问题。

习近平总书记2018年在全国教育大会上的重要讲话中指出，高校要“着重培养创新型、复合型、应用型人才”。这与学术型硕士和工程硕士的培养初衷一致，学术型研究生要求具有扎实的理论基础和专门知识，能够从事基础理论研究工作，属于创新型人才范畴；工程硕士应具有本领域宽广的专业知识，掌握解决工程技术问题的先进方法与手段，具有创新意识的高层次创新实践型人才，属于复合型、应用型人才范畴。因此，根据学生自身基础特点，按照创新型、复合应用型不同人才培养目标，制定合适的教学方案因材施教。

陈培见等[1]采用案例教学和学生自主学习的模式开展“高等结构力学”课程建设，本研究则从本课程的教学内容、教学手段和科研实践三方面进行课程建设，探索出适合不同本科专业背景学生的教学方案。

一、教学内容的编排

“高等结构力学”主要讲授结构极限强度、疲劳与断裂、结构冲击强度三个方面的基本理论和分析方法；介绍国内外最新的研究进展；鼓励学生运用有限元软件开展工程实践分析。通过该课程的学习，使学生掌握船体结构极限强度、疲劳与断裂、结构冲击强度的理论分析方法，了解当前最新的研究进展，具备运用有限元软件对船体结构进行强度分析和结构设计的能力，培养学生工程分析能力和科研创新能力。

目前国内外并没有“高等结构力学”对应的配套教材，按照课程大纲中极限强度、疲劳与断裂、结构冲击三部分内容从国内外极限强度、疲劳与断裂、结构冲击强度领域的优秀中英文教材中选择课程教学内容。

极限强度部分选用参考书为JeomKeePaik编著的《UltimateLimitStateDesignOfSteel-PlatedStructures》；疲劳与断裂部分选用由陈传尧编著的《疲劳与断裂》；结构冲击部分选用NormonJones编著的《StructuralImpact》。所选内容既要涵盖理论基础知识，又不能过于深奥，把握好基础知识的广度和深度。同时，根据教师科研积累，将恰当的工程分析案例补充到教学内容当中，做到理论与应用的有机结合，最终形成中英文自编讲义、习题库和科研实践指导书。

二、教学方法的改革

首先需要解决本科非船舶与海洋工程专业学生的先修课“船舶结构力学”的学习问题，教师可在“高等结构力学”第一次上课的时候，统计班上跨专业学生的信息，用2学时的时间精要地讲解“船舶结构力学”课程的各种力学分析方法，比如力法、位移法、能量法等，并在每种方法后讲解一道最为典型例题，让这部分学生尽快熟悉各种分析方法及其应用；对本专业的学生也算是一个复习过程。当然，仅靠课堂这2个学时的讲解肯定是不够的，可以在课程学习网站上传“船舶结构力学”的典型习题详解，让跨专业的学生课后巩固提高，尽快掌握先修课程的知识。

考虑到力学课程普遍给人以难度大、概念抽象等印象，学生当中也存在着畏难思想。通过本课程的建设使课程的理论知识与工程实践结合更加紧密，配合采用现代信息技术尽可能地使抽象的理论知识形象化、生动化，提高学生学习的积极性，改善教学效果。

同时，考虑到研究生不同于本科生，需要培养独立从事科学研究工作的能力。在课程教学过程中，采用启发式和任务式的教学模式，将传统的以“教”为主转化到以“学”为主导。传统的力学课程教学往往都会遇到一个普遍的问题，讲课内容抽象、公式推导多，教师讲得严肃认真，但学生容易迷失方向、参与度不够，教学效果不尽如人意。为此，针对“高等结构力学”的三大块内容制定了诸多相应的导入式问题，比如“如何评估船体结构（或某一结构）的极限强度”“如何预测结构的疲劳寿命”“船舶发生碰撞时安全性如何评估”。让学生带着问题去学习新知识，教师每讲完（或学生自学完）一部分内容后就能解决相应的问题，这种启发式和任务式的教学模式能够使学生始终保持较高的求知（求得答案）欲，同时每完成一小部分学习就能解决对应的小问题，学生就能获得相应的成就感，从而达到提高教学效果的目的。

（1）理论教学。针对极限强度、疲劳与断裂、结构冲击所涉及的基本理论应重点讲清楚基本假定、分析思路和方法、适用范围，对于具体的公式推导则要做到详略得当。

（2）工程实例分析。结合教师自身的科研背景，精心选择工程实例。以工程实例来引导学生发现问题、灵活运用所学知识来分析问题和解决问题，充分调动学生的积极性，培养学生独立思考和工程分析的能力。

（3）前沿介绍。鼓励学生通过查阅最新的国内外研究论文，总结相关领域的研究现状和发展趋势，了解最新前沿的分析方法，帮助学生形成较为完整的知识体系。可以分发给学生最新一届的国际船舶结构会议（InternationalShipStructureCongress，简称ISSC）报告，引导学生阅读并了解极限强度、疲劳与断裂、结构冲击这些领域的国内外近三年的研究进展。

（4）网上学习平台。建立网上教学平台，学生可以结合自身情况在网上自主学习和拓展训练，查阅本课程的教学课件、典型习题、工程案例、科研实践指导等，同时还可以在平台上交流、讨论。学术型硕士或理论基础较好的学生可以侧重于理论研究，工程硕士或理论基础较弱的学生可以将重点放在采用通用有限元软件求解工程案例上。

三、科研实践的引导

不论是2016年提出的“新工科”概念，还是美国MIT院长莫尔（JoelMoses）提出的“大工程观”理念，都强调人才培养多元化、涉及各方面学科的交叉与融合，创新型卓越工程人才，提升国家创新竞争力，推进行业企业技术进步。[2,3]所有的理论知识都要回归到工程应用，解决实际的工程问题。因此，学校在课程建设中将教学与科研实践有机结合，即计算机辅助工程（CAE）与课程教学的相互促进，充分利用学院结构力学仿真实验室的有利条件，采用国际通用的有限元软件（MSC/PATRAN、NASTRAN,ANSYS,ABAQUS等）对课程中讲授的极限强度、疲劳断裂和结构冲击问题进行计算机数值仿真，将枯燥工程计算用三维实体模型、应力应变云图、动画的形式生动形象地展现给学生，提高教学效果。

同时，在课程科研实践环节，学生也将亲自操作，在科研实践指导书的帮助下，运用CAE技术来解决典型的工程问题，锻炼学生的独立思考和科研创新能力。学校编制的科研实践指导书与理论教学的内容一一对应，包括《屈服、屈曲强度分析上机指导书》《极限强度分析上机指导书》《结构冲击上机指导书》《疲劳与断裂分析上机指导书》。每本指导书中都有若干个典型工程案例，工程案例具体到工程问题的提出、有限元方法建模、提交计算等stepbystep的软件操作流程都有详细说明，帮助学生快速掌握结构强度有限元分析方法和软件操作。学生按照编制的《科研实践上机指导书》，自主学习并完成科研实践。通过利用有限元软件对课程中讲授的极限强度、疲劳断裂和结构冲击问题进行计算机数值仿真，加深学生对知识的理解和掌握，提高教学效果，同时也锻炼学生的独立思考、培养了学生分析问题、解决问题的工程实践能力。正是按照这种“先模仿，再超越”的指导思想，一步步提高学生的科研创新能力。

对于学术型研究生则在完成基本科研实践的基础上，可以选取某一个专题收集阅读文献，撰写文献综述报告，综合分析研究现状和研究方法后，提出可能的创新点和相应的研究方案，以此来培养学术型硕士的科研创新精神。工程硕士在完成基本工程案例科研实践的基础上，可以选择案例分析中更为复杂的工程案例开展科研实践训练，锻炼学生应用型的工程能力。

针对“高等结构力学”课程教学中遇到学生本科专业背景出多元化的情况，结合国家“三型人才”的培养要求，按照创新型和应用型两种策略因材施教，从本课程的教学内容、教学手段和科研实践三方面开展课程建设与探索，采用科研实践指导书的形式和网上教学资源自主拓展学习相结合的方式，提高学生的学习效果，培养独立从事科学研究的能力，取得了一定的教学效果。

参考文献：

[1]陈培见,赵玉成,董纪伟,等.面向不学生科背景的《计算力学》研究生课程案例教学改革探索[J].教育教学论坛,2017,(37):88-89.

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017,(3):1-6.

[3]谢笑珍.“大工程观”的涵义､本质特征探析[J].高等工程教育研究,2008,(3):35-38.

罗广恩.学生本科专业多元化背景下研究生课程“高等结构力学”的建设与实践[J].新课程研究,2020(06):35-37.

基金:江苏科技大学2018年立项研究生精品课程建设项目的研究成果.