新工科下提高弹性力学课程教学效果的探索和实践

湖南科技大学土木工程学院 颜世军 彭 剑 尹博渊

弹性力学课程作为力学类和土木类等专业本科教学专业基础课，在相关专业课程体系中扮演着承前启后的关键角色。课程的主要任务是掌握弹性力学三大基本方程，并利用合适的解析、近似或数值求解方法，针对实际工程问题进行解算。课程理论深度高、数理基础强、学习难度大，采用合理的教学手段对激发学生学习兴趣和提高学习效果至关重要。

一、提高弹性力学课程教学效果的必要性

新工科背景下，国家对人才个人能力、团队意识和全局眼界等的要求都在不断提高，计算机和信息技术的快速发展使课程教学采用多元化教学模式越发便利。为满足高校培养专业基础厚、实践能力强和综合素质高的人才需求，采用科学的课程教学方法对满足新时代下弹性力学教学目标显得尤为紧迫。立德树人和潜心育人是高校对人才培养的基本要求，如何让学生在面对弹性力学课程高深的理论知识和烦琐的数学推导中享受优雅的人文熏陶，课程思政与课程教学的合理有效融合十分关键。

目前面向工科类的弹性力学大都以理论教学为主，过多注重数理基础的应用，而忽视课程本身的实际工程应用价值，过多注重个人能力的培养，而忽略了团队能力和全局意识的提升。经过一定时间的教学，只使学生掌握了对特定题型的计算分析，但缺乏基本概念的深入理解，缺乏面向实际工程问题开展建模、计算和分析的能力以及团队协同解决问题的能力。为促进新时代人才质量全面提升，弹性力学课程教学既要注重学生力学思维的培养，还应关注其人文素质、求真创新精神和团队协作能力等的提升。

二、提高弹性力学教学效果的有关措施

为克服传统教学方法存在的不足，有效激发学生对弹性力学的学习兴趣，提高学习效果，以满足新工科背景下的人才需求。笔者结合多年积累的弹性力学课程教学经验，积极探索了能有效实现课程思政、虚拟仿真实验及实践课程设计与弹性力学课程教学有机融合的相关教学措施（如右图）。

弹性力学课程教学流程

（一）课程教学与课程思政有机结合

课程思政教育符合时代需求，是高校立德树人教育的重要环节。弹性力学课程以理论讲述为主，课程内容大都以烦琐的数学公式来表述，教学过程枯燥，我们可以通过课程内容所涉及人文特征、工程案例和国家需求提升学生学习兴趣，培养其刻苦精神和工程素养。

1.以史为镜助学生树立正确的人生观、价值观和世界观。通过讲述纳维、柯西和圣维南等著名科学家分别对平衡方程、应力张量和半逆解法的发展贡献以及个人成长历程，正确树立学生勤奋好学和永攀高峰的人生观。结合钱学森、钱伟长、胡海昌和钟万勰等国内科学家对弹性力学贡献以及利用弹性力学知识成功解决工程实际问题的相关事例，培养当代大学生的文化自信和爱国情怀。

2.以案例讲解培养学生工程设计所需的工程素养。在讲解弹性力学楔形体力、压力隧洞和半空间体力学计算等专项问题时，可有效结合重力坝坝体设计、过海隧道结构分析以及高层建筑地基沉降分析等工程案例，让学生正确认识学习弹性力学的工程背景与意义，增强学生工程设计必须具备的责任心，强调相关问题的解决需要团队协同作战、相互沟通和交流，知识和技能是解决实际工程问题的基础。

3.以需求导向提升学生学习的历史使命感。在国家战略转型大背景下，实际工程领域不断涌现出亟待解决的新科学技术问题。通过弹性力学课程专项问题讲解，引申说明当前中国科技上天入地下海所需的先进科学技术，探月工程与空间站的建设离不开大推力火箭合理设计、大型盾构机作业下压力隧洞的力学性能分析与破坏预测，深潜机器人在复杂高水压作用下的结构设计等都离不开力学专业知识。

（二）理论教学与虚拟仿真合理互补

虚拟仿真实验是在计算机硬件平台基础上，结合利用虚拟视觉技术与专业仿真计算软件，构建高度真实的虚拟环境实验平台，可有效解决试验设备不足、实验耗费大成本高等问题，并能克服实际实验时存在的复杂性和危险性。通过与虚拟仿真有效结合，可方便学生直观正确理解课程理论方法的计算结果与实用性，以实用性促进学生对课程理论知识从被动式接收到主动式探索，极大激发学生对学习弹性力学课程的学习兴趣，提高学习效果，并为后续专业课程打下理论基础。

目前弹性力学课程教学过度关注工程实例理论推导过程而忽略了计算结果分析与展示，弹性力学课程虽然大多以烦琐的理论推导为主，然而其解决的实际算例则都是面向实际工程问题，在课程理论教学中结合相关虚拟仿真实验结果，可有效提高教学效果，增强学生对相关工程与科学问题的认识和理解。例如，针对圆孔应力集中问题，可利用虚拟视觉技术模拟带圆孔的矩形薄板在不同加载条件下的试验环境，并结合Ansys或Abaqus软件仿真平台分析对应实验条件下试件的应力分布规律，提高学生对计算结果的理解；针对半空间体受平面压力荷载作用下的变形分析，利用虚拟仿真实验分析路基在高层建筑作用下的沉降，增加学生对符拉芒公式的理解，并激发其面对复杂力学问题的学习兴趣；针对弹性波传播问题，结合霍普金斯杆冲击虚拟实验仿真平台，加深学生对波动理论的认识，了解波速的影响因素，以及不同应力波在弹性体内的传播、反射和折射特性，克服课堂“灌输式”教学模式下导致学生对相关知识点认识不足、理解不深刻的缺陷。

（三）课堂教学与课程设计相互促进

课程设计是提升相关专业学生利用课程所学知识解决工程问题能力的实践性活动，与课堂理论教学可形成有机互补。在以教师为主导的课堂理论教学活动中，烦琐抽象的数学演化推导易造成学生学习畏葸不前。利用课程设计注重应用性与探索性的优势，合理开展弹性力学课程设计可培养学生信息获取与挖掘能力、相关基础与专业知识的综合运用能力、团队协作与交流沟通能力，从而反促学生掌握弹性力学基本知识和建模方法，提升学生分析和解决工程实践问题的能力。

弹性力学课程设计实施过程中应坚持以学生为中心和教师为主导的基本原则。一方面，确定合适的课程设计选题是能有效开展课程设计的关键。教师应在教学生涯中不断追踪与课程内容有关的实际生活和工程资讯，及时更新补充相关专业知识。在满足教学大纲和目标的前提下，按照学生所学专业性质和个人兴趣，进行科学选题，选题应具有一定的应用性和综合性，难易适中。例如，针对土木类专业学生，可以选择重力坝、边坡、弹性地基梁、弹性地基和压力隧洞等的力学分析问题作为研究对象。另一方面，课程设计过程合理监督是能否圆满完成教学目标的重中之重。指导教师应定期检查与指导，设计时充分体现学生自主性，全方位让学生解放思想，勇于探索。考虑以3—5人为设计小组，并确定组长对小组成员进行监督，小组成员应合理分工与协作，针对实际问题，利用弹性力学课程专业知识，抽象并建立力学模型，推导并给出解析或近似解，结合数学基础知识及相关计算方法，运用计算机编程对问题求解，并对计算结果进行深刻的量化分析。

综上所述，为满足新形势下高校对人才质量全方位培养需求，有效提升弹性力学课程的教学质量，利用弹性力学课程本身蕴含的人文优势，结合多元化的教学手段，以及理论教学与实践教育的有效融合。笔者就弹性力学课程教学与思政，理论教学与虚拟仿真实验、课堂教学与课程设计三方面的有效融合进行了探讨与实践。相关措施的实施可有效激发学生的学习兴趣，打破重基础轻应用的弹性力学教学传统，为弹性力学课程教学改革提供重要参考。