劉計(jì)良 許 萍 曹 靖 黃靈芝

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 陜西·西安 710048）

0 引言

在水利水電工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，各類力學(xué)的課程分類大都屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，其中“彈性力學(xué)”是繼“材料力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”之后又一門重要基礎(chǔ)力學(xué)課程。彈性力學(xué)理論的應(yīng)用范圍更加廣泛，不僅能分析材料力學(xué)中重點(diǎn)研究的梁、柱等細(xì)長桿狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，而且能分析非桿狀結(jié)構(gòu)，如大壩、地基、水電站蝸殼等?！皬椥粤W(xué)”是水利水電工程專業(yè)的學(xué)生必須要重點(diǎn)掌握的力學(xué)課程，目前國內(nèi)各大水利院校都配備了優(yōu)秀的師資隊(duì)伍講授這門課程。

2015 年我國正式加入“華盛頓協(xié)議”，成為正式成員國，與國際工程教育標(biāo)準(zhǔn)成功接軌，使我國工程類專業(yè)的學(xué)位與其他成員國相關(guān)專業(yè)的學(xué)位得以互認(rèn)，有力促進(jìn)了工程類專業(yè)的國際化和長足發(fā)展。[1]“華盛頓協(xié)議”規(guī)定的工科畢業(yè)生必須遵循的12 條畢業(yè)要求涵蓋了工科人才培養(yǎng)和成長的全部過程，更加系統(tǒng)全面，包括應(yīng)用相關(guān)工程知識(shí)和工具分析和解決實(shí)際工程問題，注重個(gè)人發(fā)揮及團(tuán)隊(duì)有效溝通合作，關(guān)注工程所涉及的管理、環(huán)境及社會(huì)問題，要求畢業(yè)生在職業(yè)發(fā)展過程中要保持終身學(xué)習(xí)等，以上規(guī)定對(duì)“彈性力學(xué)”的教學(xué)模式提出了新的要求。西安理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)第一次國家工程教育專業(yè)認(rèn)證始于2013 年，有效期為6 年，水利水電工程專業(yè)根據(jù)本次專業(yè)認(rèn)證中存在的問題，研究提出了提升專業(yè)建設(shè)水平的思路與對(duì)策，并將其應(yīng)用于后續(xù)培養(yǎng)大綱的修訂中。[2]2019 年6 月13 日-15 日，工程教育專業(yè)認(rèn)證專家組再次對(duì)西安理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)進(jìn)行了專業(yè)認(rèn)證現(xiàn)場(chǎng)考查，專家組根據(jù)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)及要求查閱了水利水電工程專業(yè)“彈性力學(xué)”的教學(xué)大綱和近三年的相關(guān)教學(xué)資料，提出了反饋意見。在專家組反饋意見的基礎(chǔ)上并參照專業(yè)認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)，我們認(rèn)真總結(jié)了“彈性力學(xué)”教學(xué)過程中存在的主要問題，針對(duì)水利水電工程專業(yè)的特點(diǎn)，制定了“彈性力學(xué)”新的教學(xué)模式及相應(yīng)的教學(xué)手段。

1 教學(xué)過程中存在的問題

（1）學(xué)生無法靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決具體工程問題?！皬椥粤W(xué)”的授課對(duì)象是水利水電工程專業(yè)大三的學(xué)生，此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了“材料力學(xué)”，掌握了力學(xué)的基本概念?！安牧狭W(xué)”的相關(guān)控制方程是建立在大量假設(shè)基礎(chǔ)之上的，方程建立過程及方程形式均比較簡(jiǎn)單；“彈性力學(xué)”的內(nèi)容則擯棄了材料力學(xué)中的假設(shè)，需要建立大量的微分方程并求解，包括三套方程和兩類邊界條件，求解方法也較多且求解過程繁瑣，如應(yīng)力法、位移法及有限元法等，理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)復(fù)雜。[3]“彈性力學(xué)”這門課程的特點(diǎn)使得大多數(shù)水利水電工程專業(yè)的學(xué)生感覺內(nèi)容枯燥、學(xué)習(xí)強(qiáng)度大。盡管在當(dāng)前的“彈性力學(xué)”教學(xué)實(shí)踐中提出了新的教學(xué)方法，合理規(guī)劃了教學(xué)內(nèi)容，并采用了現(xiàn)代化的教學(xué)手段，但對(duì)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的提升方面仍顯不足。[4-6]學(xué)生即使理解了課堂講述的內(nèi)容，卻無法將理論知識(shí)和待解決的具體水利水電工程的結(jié)構(gòu)問題聯(lián)系起來，無法做到活學(xué)活用，特別是無法針對(duì)水工結(jié)構(gòu)中存在的問題建立合理的彈性力學(xué)模型并求解，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

（2）創(chuàng)新性的理論講述偏少，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?！皬椥粤W(xué)”的課程體系經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)比較完善，各高校也形成了穩(wěn)定的教學(xué)隊(duì)伍。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)高?！皬椥粤W(xué)”的教學(xué)模式大同小異，均是按兩類平面問題、平面問題的控制方程（靜力平衡方程、幾何方程和物理方程）、圣維南原理、平面問題的直角坐標(biāo)解答、極坐標(biāo)解答、空間問題的控制方程、空間問題的直角坐標(biāo)解答、有限元的初步知識(shí)的順序進(jìn)行講解，所涉及的彈性力學(xué)中新的理論和問題比較少，未能充分引入彈性力學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。目前彈性力學(xué)中仍存在許多需要深入研究的問題，譬如薄壁深梁的應(yīng)力計(jì)算問題、高階剪切理論等都需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究，如果不提這些問題不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（3）與其他力學(xué)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)比分析不足?！皬椥粤W(xué)”和“材料力學(xué)”兩門力學(xué)課程有區(qū)別也有聯(lián)系。由于彈性力學(xué)課程的內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，導(dǎo)致教師在課堂上將主要精力放在彈性力學(xué)知識(shí)的講解上，而對(duì)所研究的對(duì)象、分析方法及相關(guān)解答與材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)比分析較少，導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)時(shí)，遇到具體的工程問題不知用哪種力學(xué)解法更合適，不利于綜合能力的培養(yǎng)。

2 “彈性力學(xué)”教學(xué)新模式

根據(jù)專業(yè)認(rèn)證專家組對(duì)“彈性力學(xué)”教學(xué)資料的反饋意見，并針對(duì)水利水電工程專業(yè)的特點(diǎn)，我們提出了“彈性力學(xué)”課程教學(xué)新模式，引入水利水電工程中存在的必須用彈性力學(xué)法進(jìn)行求解的問題，并應(yīng)用現(xiàn)代化的教學(xué)技術(shù)進(jìn)行圖片、視頻展示，根據(jù)課程進(jìn)展適時(shí)提出彈性力學(xué)中創(chuàng)新性的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)的生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力：（1）關(guān)注水利工程中的彈性力學(xué)問題，借助多媒體手段全面展示工程項(xiàng)目中存在的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，借此引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)如何通過應(yīng)用彈性力學(xué)的知識(shí)來解決工程中存在的問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；（2）引導(dǎo)學(xué)生了解彈性力學(xué)研究領(lǐng)域的最新文獻(xiàn)及最新的科研成果，并指出尚未解決的彈性力學(xué)問題，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新性思維；（3）引導(dǎo)學(xué)生建立彈性力學(xué)中的知識(shí)與其他力學(xué)課程及專業(yè)課知識(shí)體系之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用力學(xué)知識(shí)的能力。

2.1 在教學(xué)中引入具體的工程項(xiàng)目

“彈性力學(xué)”在水利水電工程中有著廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于初學(xué)者來說，彈性力學(xué)理論比較深?yuàn)W，無法和具體的工程實(shí)踐聯(lián)系起來，學(xué)生無法通過教材了解其真正的應(yīng)用價(jià)值。因此，針對(duì)“彈性力學(xué)”課程的內(nèi)容，在教學(xué)過程中適時(shí)引入工程實(shí)例，提煉出其中的彈性力學(xué)問題，并加以歸類分析，設(shè)計(jì)適合水利水電工程專業(yè)學(xué)生的基于實(shí)際工程項(xiàng)目彈性力學(xué)問題的教學(xué)模式，使學(xué)生主動(dòng)地去分析、理解工程中存在的彈性力學(xué)問題，讓學(xué)生能夠做到“學(xué)以致用”。通過分析其中的彈性力學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用彈性力學(xué)的理論知識(shí)去解決水利水電工程中的力學(xué)問題，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)彈性力學(xué)的主動(dòng)性和積極性。在引入工程案例時(shí)，注重參與式互動(dòng)學(xué)習(xí)方式，幾個(gè)同學(xué)通過成立合作小組的方式共同解決某一類問題，增強(qiáng)彼此之間的交流與合作，通過老師的引導(dǎo)，進(jìn)一步加深交流的層次。譬如在講解“兩類平面問題”的時(shí)候，加入可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問題和平面應(yīng)變問題的工程實(shí)例就可以增加學(xué)生的直觀印象而不僅僅停留在力學(xué)符號(hào)中，可以將矩形截面深梁及支墩壩的支墩簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問題，將水工隧洞及擋土墻簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題。在講解“楔形體受重力和液體壓力”這一節(jié)時(shí)，以著名的三峽大壩作為工程案例，提前將三峽大壩的受力特點(diǎn)和幾何特征的分析作為作業(yè)布置給學(xué)生，由合作小組搜集資料進(jìn)行匯總分析，根據(jù)彈性力學(xué)兩類平面問題的特點(diǎn)判斷受荷作用下的楔形體屬于哪一類平面問題，由學(xué)生思考如何從工程問題中提煉出合理的彈性力學(xué)模型，最后由學(xué)生合作共同建立該工程實(shí)際問題的彈性力學(xué)計(jì)算模型，并采取合理的彈性力學(xué)解析計(jì)算方法算出應(yīng)力、應(yīng)變和位移，并給出相關(guān)結(jié)論。

2.2 在教學(xué)中引入理論創(chuàng)新的成果

“彈性力學(xué)”的知識(shí)體系雖然已比較完善，但仍存在許多尚未解決的問題，通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀最新的彈性力學(xué)領(lǐng)域的科技文獻(xiàn)來歸納總結(jié)最新的科研進(jìn)展，并引導(dǎo)學(xué)生提出自己的見解，加強(qiáng)學(xué)生之間的交流，碰撞創(chuàng)新的火花和靈感。在彈性力學(xué)研究領(lǐng)域，有許多尚待完善的理論，譬如深梁是水利水電工程中應(yīng)用非常廣泛的一類結(jié)構(gòu)，如深孔平面閘門及弧形閘門的主梁采用的就是跨高比較小的深梁結(jié)構(gòu)，深梁?jiǎn)栴}也一直被研究者所關(guān)注?！皬椥粤W(xué)”教材中講述的是矩形截面深梁，而實(shí)際水利水電工程中薄壁截面深梁被更加廣泛的應(yīng)用，譬如水工鋼結(jié)構(gòu)中的承重梁多為薄壁截面深梁。因薄壁截面深梁的截面復(fù)雜（工字形或箱形截面），應(yīng)力影響因素較多，薄壁截面深梁與矩形截面深梁的受理機(jī)理不同且更加復(fù)雜，目前對(duì)其力學(xué)性能的探討仍在繼續(xù)，也發(fā)表了許多相關(guān)文獻(xiàn)，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生閱讀這些科技文獻(xiàn)有助于培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，為進(jìn)一步的深造打下良好的基礎(chǔ)。[7]

2.3 加強(qiáng)“彈性力學(xué)”與相關(guān)課程知識(shí)體系的對(duì)比

彈性力學(xué)是水利水電工程專業(yè)學(xué)生分析具體水工問題的一種有效力學(xué)工具，在分析各種水工建筑物及水電站時(shí)比材料力學(xué)的解答更加精確。 在教學(xué)過程中，加強(qiáng)“彈性力學(xué)”與“材料力學(xué)”相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的比較，以及引導(dǎo)學(xué)生了解彈性力學(xué)如何為水工建筑物和水電站等專業(yè)課程服務(wù)，讓學(xué)生更加重視彈性力學(xué)這門課程，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣。譬如在水工建筑物中，目前對(duì)大壩獨(dú)立壩段的理論分析仍然采用的是材料力學(xué)方法，材料力學(xué)方法采用的是平截面假設(shè)和縱向纖維互不擠壓的假設(shè)，未考慮縱向的擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況誤差較大；彈性力學(xué)方法則拋棄了這兩個(gè)假設(shè)，從微元體的出發(fā)建立控制方程，即平衡微分方程、幾何方程和物理方程，并依據(jù)邊界情況建立應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件，比材料力學(xué)的解答更精確。大壩內(nèi)分布著不同的廊道系統(tǒng)，為有孔結(jié)構(gòu)，有孔結(jié)構(gòu)與無孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有著明顯的不同，材料力學(xué)仍然假設(shè)應(yīng)力為沿孔邊均勻分布，誤差較大，而彈性力學(xué)的計(jì)算結(jié)果表明在孔邊發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力明顯增大，更加符合實(shí)際情況，因此對(duì)于有孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用彈性力學(xué)理論更加精確。

3 “彈性力學(xué)”的教學(xué)手段

針對(duì)“彈性力學(xué)”教學(xué)的新模式，我們采用了相應(yīng)的教學(xué)手段，包括：（1）資料收集：對(duì)水利工程項(xiàng)目中水工建筑物力學(xué)問題進(jìn)行搜集、分析和整理，將其引入到課堂教學(xué)中，加強(qiáng)工程實(shí)踐與彈性力學(xué)知識(shí)體系的聯(lián)系，尤其對(duì)工程項(xiàng)目中能簡(jiǎn)化為兩類平面問題的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)講解，給學(xué)生更加直觀的認(rèn)識(shí)；（2）最新文獻(xiàn)展示：將彈性力學(xué)領(lǐng)域最新的科研成果在課堂上介紹給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)其中的創(chuàng)新之處并提出尚未解決的問題及解決的思路，在課堂上可以提出自己的見解，鼓勵(lì)學(xué)生之間相互合作提出創(chuàng)新性的解決思路；（3）多媒體制作：將工程項(xiàng)目中的問題通過視頻、動(dòng)畫等方式在課堂上進(jìn)行展示，使學(xué)生努力克服對(duì)枯燥的力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的畏難情緒，增加課堂的生動(dòng)性。

4 結(jié)語

西安理工大學(xué)水利水電工程專業(yè)以專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，進(jìn)一步明確了辦學(xué)理念、辦學(xué)特色，并使專業(yè)課程布局更加合理?！皬椥粤W(xué)”作為水利水電工程專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程，我們根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求及專業(yè)特點(diǎn)，制定了新的教學(xué)模式并采用了現(xiàn)代化的教學(xué)手段，可以增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)“彈性力學(xué)”的興趣，并有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。