特色工程教育下的塑性力学课程教学改革与思考

赵毅鑫 李 华

中国矿业大学 北京 100083

随着我国对能源需求的日益增长，把以矿业工程为主的特色教育体系构建成融矿业主体学科专业，力学、岩土、材料等相关学科专业为一体的“大采矿”专业是大势所趋。我校作为一所矿业院校，围绕构建“大采矿”教学创新平台，结合我国采矿业的现状开展了一系列课程体系优化和改革的尝试，取得了较好的效果。然而，“大采矿”专业工程应用中的许多问题均需具备一定的力学基础，因此基础力学教育在构建“大采矿”特色工程教育体系中显得非常重要[1-3]。

塑性力学作为基础力学的后续课程，是我校采矿工程、工程力学、岩土工程等专业高年级本科生的重要课程。然而，由于塑性力学课程本身具有抽象性、复杂性的特点，要求学习者具有一定的力学和数学基础，且在初学时比较枯燥，与学生们普遍感兴趣的实际工程应用相去甚远。因此，学生对于塑性力学课程的重要性认识不足，学习的主动性不强。同时，教学环节中如何使学生既能理解复杂的基础理论，又能认识行业特色工程中的实际问题，仍有待思考和完善。因此，有必要以“厚基础、宽口径、善学习、重创新、强实践、高素质”的原则制订和优化人才培养方案，结合学校矿业特色和优势学科，开展基础力学课程建设和教育方法的研究[4,5]。

笔者以学校构建“大采矿”专业的教学改革和课程建设为契机，结合学校矿业优势学科平台建设及多年的塑性力学课程教学实践经验，开展了“大采矿”专业相关学科中塑性力学课程建设和教育方法改革的尝试，对具有矿业特色的基础力学课程教学方法改革进行了思考，并从课程体系、选择和完善教材、改革教学内容、改革教学方法、改革教学手段等方面进行了探讨。

1 理清教学体系、合理选取教材是基础

我校“大采矿”相关学科中采矿工程和工程力学等专业为高年级本科生开设了塑性力学课程，而在此之前，学生已学习了部分基础力学课程，如材料力学、弹性力学等课程，这一课程体系的设立延续了基础力学的发展轨迹。然而在讲述过程中有些内容存在重复，即使是同一个概念，同一个问题，由于各门课程的视角不同，会出现采用的符号不同，甚至讲解时的名称也不同。因此，有必要理清塑性力学和其他基础力学课程的关系及相应教学体系。国际上的趋势是将上述课程整合为一门课，如美国麻省理工学院(MIT)的Mechanics and Materials I, II课程。因此，在讲述塑性力学之初，可按固体力学知识体系架构，将以往所学基础力学课程进行梳理，使学生认识各课程间的联系。

另外，选择合适教材是教学体系改革的基础。以往该课程选用同济大学夏志皋编写的《塑性力学》作为教材，该书收集和汲取了国内外大量资料，内容着重介绍塑性力学的基本理论和进一步学习、研究各种塑性力学问题的基本方法，并提出一些深入讨论的内容。此书作为经典教材已翻印多次，我校已使用近十年。然而此书面世已有二十余载，结合教材更新、教学体系改革的需要和学生反馈，我们改用了西安交通大学出版社2011年出版的《塑性力学基础》(尚福林、王子昆编著)作为课程新教材。该教材在系统阐述塑性力学基本理论、基本方程的基础上，注重对国外最新研究成果的研读和各类问题的求解方法及其在工程中的应用。同时，授课过程中配以矿业特色工程案例的讲解，可使学生用较少的时间较扎实地学习力学理论和与其相关的矿业生产实际问题，教学实践效果良好。

2 教学体系是改革的重点内容

教学体系是教学过程的知识基本结构框架、教学内容设计、教学方法设计、教学过程设计和教学结果评价组成的统一整体。包含：教学顺序、过程、方式、方法、形式、内容、反馈、评估、总结、比较和推导等一系列教学要素。

由于塑性力学课程本身的特点决定了该课程讲授与学习都需要足够的耐心与细心，教师在授课过程中需要边思考、边讲解、边推导，其中不乏枯燥的数学公式，学生的注意力稍不集中，就会思路受阻，只剩下满眼的公式，致使学生缺乏学习兴趣。因此如何使讲解相对生动具体、具有吸引力是首先要解决的问题。这里着重从教学内容、教学过程和教学方法改革三方面探讨特色工程教育下的塑性力学课程教学体系。

2.1 教学内容改革

与以往跟着书本走的模式不同，在该课程之前，安排完成相关专业的“现场认识实习”课程，使学生接触到一些典型的具有矿业特色的岩石力学问题和现象。在该课程伊始，就给学生划出教学内容的主线，即在基本假设和弹性力学基本方程的基础上，结合屈服条件、塑性本构方程等条件求典型平面应变问题的解析解，使学生对所学内容有整体的初步认识和把握。同时，引入矿业工程中典型的稳定性问题，如边坡失稳、巷道变形、冲击地压、底板突水等，使学生认识到这些现象均发生在三维固体结构中，属连续介质力学的范畴；结合岩石材料在小变形条件下所发生的应变软化问题的讲解，引出由小变形所导致的上述结构失稳破坏问题，并将上述不同工程现象简化成力学模型，列出其平衡方程，引出对于解决每个模型所需要的后续方程，这样学生不仅会产生学习理论方法的兴趣，而且会对工程中所出现的问题有更深入的理解，促进了学生从“现象认知”向“理论认知”的转变。

2.2 教学过程改革

在教学过程中，以多媒体为主，配合适当的板书，以增强讲课的直观效果和教师与学生的互动，充分利用多媒体吸引学生的注意力，使学生的思路跟随教师走。对于公式、定理等内容，采用逐条显示，配合必要的声、光、颜色等手段以便重点提示；对于一些用简单教具能说明的力学现象，可制作并利用实物或动画进行演示说明；对通过实验和现场工程案例能说明的内容，尽量采用播放相关视频的形式进行说明。

2.3 教学方法改革

塑性力学是理论性较强的基础类课程，在教改方面结合了教学研究中的思考，以素质教学为培养目标，树立“应用型基础力学”的教学思想，教学方式主要采用“引导式”教学法，为学生创造一种熟悉实际问题的学习环境，激发学生的求知欲望，使学习变为学生的自觉行为。主要采取以下方法：

(1)案例式教学。塑性力学本身在工程领域有着广泛的应用，但枯燥的书本内容和较短的学时，使学生无法通过书本了解其真正的应用价值。以特色工程教育为基础，能够激发学生的学习兴趣。课堂上，结合学校和自身的科研特点，结合矿山巷道工程、矿山压力管理、地铁隧道工程、边坡稳定性分析等领域中的塑性力学问题，配合大量图片和力学简化模型讲解，提高学生学习的积极性和对我校特色工程实际的认识。

(2)由案例引发的基础理论学习。关注力学领域的新技术、新进展，关注国际、国内矿业工程、岩土工程等领域的实际问题，引导学生提出问题，应用相关知识进行分析，并引发后续学习。

(3)布置论文式大作业，培养学生科研意识。通过课程大作业引导学生主动思考工程实际问题中的塑性力学模型。通过课堂上针对理论问题的讲解和部分工程实际情况的说明，将一些可以通过塑性力学基础知识分析的问题介绍给学生，并给出有代表性的大类题目，如边坡稳定、巷道变形等问题，由学生自选，将学生分为3人1组(组长负责，分工明确)，并引导学生查阅校图书馆电子期刊、书籍，进行课程论文撰写。课程结束后，除闭卷考试外，每组需提交一篇课程论文(课程大作业)，并写明自己的体会和建议。

(4)注重能力培养，引导学生讲解。对于部分内容，可让学生课前先分组阅读，但不同组侧重不同部分，且引导学生通过学校图书馆的网上资料库查阅相关书籍和期刊，达到基本理解。课堂上，通过提问引导学生主动学习，并对同学的讲解加以点评，最后对基本知识点进行全面总结。

(5)引导学生独立思考，针对重点问题答疑、解惑。由于高年级学生处于找工作、考研复习阶段，课堂注意力不集中，学习的主动性相对较差，学习过程中只是被动接受教师的安排，因此以教材为主线，多进行重、难点辅导，解惑答疑，并为学生提供每一章的参考习题。当每章内容学习将结束时，进行归纳总结，分析重点、难点等。

3 换位思考和鼓励式教学是改革的关键手段

塑性力学针对的学习主体是相关专业高年级学生，这些学生面临着就业和考研的选择。因此，课堂上教师以自身本科、研究生学习经历为例，从学生角度出发，引导学生积极面对人生、面对问题、积极努力、迎接挑战。同时，针对那些学习不主动、逃课、不交作业的学生，主动找其谈话，谈话时注意保护学生自尊心，以自身的经历和以往“大采矿”相关专业毕业学生发展的实际情况进行引导，加以鼓励，使学生明白学习的真正目的。

另外，积极鼓励学生参加国家和学校组织的大学生创新性实验计划，促进其勤于动手、积极思考，将书本中的基础理论与实验室所观察到的现象相结合，提升其思考能力和创造力。这些方法在实践中不仅效果明显，而且受到了学生的欢迎。

4 结束语

塑性力学是我校“大采矿”相关专业的重要课程，其教学内容往往偏重基础理论。因其理论难度大，造成学生的学习积极性不高。如何提高教学效率和教学效果，如何在力学教学中培养学生的创造性和将所学理论与矿业生产中所出现的实际问题相结合，都是矿业类特色院校塑性力学课程建设中所面临的问题。以上对于问题的解决进行了初步尝试，取得了一定的效果，获得了学生的肯定和欢迎，但仍需进一步完善，以使其为行业特色教育体系的建立贡献力量。

[1]罗承选.构建“大采矿”学科体系 培养优秀能源科技人才[J].煤炭高等教育,2005,23(11):1-3.

[2]谢和平.坚持以人为本 推进教育创新[J].中国地质教育,2005(4):17-22.

[3]古德生,吴超.采矿与岩土工程复合型高级人才的培养模式实践[J].现代大学教育,2004(3):102-105.

[4]高喜才,窦娟,解盘石.西部矿业工程力学教学与实验示范平台构建[J].西安科技大学学报,2008,28(2):379-382.

[5]王崇革,蒋国安,赵向东.矿业类基础力学整合优化教学改革实践研究[J].煤,2003,12(4):17-19.