专业认证背景下水利水电工程专业“弹性力学”教学模式研究

刘计良 许 萍 曹 靖 黄灵芝

（西安理工大学水利水电学院 陕西·西安 710048）

0 引言

在水利水电工程专业的培养方案中，各类力学的课程分类大都属于专业基础课，其中“弹性力学”是继“材料力学”和“结构力学”之后又一门重要基础力学课程。弹性力学理论的应用范围更加广泛，不仅能分析材料力学中重点研究的梁、柱等细长杆状结构的力学特性，而且能分析非杆状结构，如大坝、地基、水电站蜗壳等。“弹性力学”是水利水电工程专业的学生必须要重点掌握的力学课程，目前国内各大水利院校都配备了优秀的师资队伍讲授这门课程。

2015 年我国正式加入“华盛顿协议”，成为正式成员国，与国际工程教育标准成功接轨，使我国工程类专业的学位与其他成员国相关专业的学位得以互认，有力促进了工程类专业的国际化和长足发展。[1]“华盛顿协议”规定的工科毕业生必须遵循的12 条毕业要求涵盖了工科人才培养和成长的全部过程，更加系统全面，包括应用相关工程知识和工具分析和解决实际工程问题，注重个人发挥及团队有效沟通合作，关注工程所涉及的管理、环境及社会问题，要求毕业生在职业发展过程中要保持终身学习等，以上规定对“弹性力学”的教学模式提出了新的要求。西安理工大学水利水电工程专业第一次国家工程教育专业认证始于2013 年，有效期为6 年，水利水电工程专业根据本次专业认证中存在的问题，研究提出了提升专业建设水平的思路与对策，并将其应用于后续培养大纲的修订中。[2]2019 年6 月13 日-15 日，工程教育专业认证专家组再次对西安理工大学水利水电工程专业进行了专业认证现场考查，专家组根据认证的标准及要求查阅了水利水电工程专业“弹性力学”的教学大纲和近三年的相关教学资料，提出了反馈意见。在专家组反馈意见的基础上并参照专业认证的通用标准，我们认真总结了“弹性力学”教学过程中存在的主要问题，针对水利水电工程专业的特点，制定了“弹性力学”新的教学模式及相应的教学手段。

1 教学过程中存在的问题

（1）学生无法灵活应用所学知识解决具体工程问题。“弹性力学”的授课对象是水利水电工程专业大三的学生，此时，学生已经学过了“材料力学”，掌握了力学的基本概念。“材料力学”的相关控制方程是建立在大量假设基础之上的，方程建立过程及方程形式均比较简单；“弹性力学”的内容则摈弃了材料力学中的假设，需要建立大量的微分方程并求解，包括三套方程和两类边界条件，求解方法也较多且求解过程繁琐，如应力法、位移法及有限元法等，理论性较强，公式推导复杂。[3]“弹性力学”这门课程的特点使得大多数水利水电工程专业的学生感觉内容枯燥、学习强度大。尽管在当前的“弹性力学”教学实践中提出了新的教学方法，合理规划了教学内容，并采用了现代化的教学手段，但对教学质量和学习效果的提升方面仍显不足。[4-6]学生即使理解了课堂讲述的内容，却无法将理论知识和待解决的具体水利水电工程的结构问题联系起来，无法做到活学活用，特别是无法针对水工结构中存在的问题建立合理的弹性力学模型并求解，不利于培养学生的实践能力。

（2）创新性的理论讲述偏少，不利于培养学生的创新能力。“弹性力学”的课程体系经过几十年的发展，已经比较完善，各高校也形成了稳定的教学队伍。经过调研，目前国内高校“弹性力学”的教学模式大同小异，均是按两类平面问题、平面问题的控制方程（静力平衡方程、几何方程和物理方程）、圣维南原理、平面问题的直角坐标解答、极坐标解答、空间问题的控制方程、空间问题的直角坐标解答、有限元的初步知识的顺序进行讲解，所涉及的弹性力学中新的理论和问题比较少，未能充分引入弹性力学领域的最新进展。目前弹性力学中仍存在许多需要深入研究的问题，譬如薄壁深梁的应力计算问题、高阶剪切理论等都需要继续进行深入研究，如果不提这些问题不利于培养学生的创新意识。

（3）与其他力学课程相关知识点的对比分析不足。“弹性力学”和“材料力学”两门力学课程有区别也有联系。由于弹性力学课程的内容多，学时少，导致教师在课堂上将主要精力放在弹性力学知识的讲解上，而对所研究的对象、分析方法及相关解答与材料力学相关知识点的对比分析较少，导致学生在后续的专业课学习时，遇到具体的工程问题不知用哪种力学解法更合适，不利于综合能力的培养。

2 “弹性力学”教学新模式

根据专业认证专家组对“弹性力学”教学资料的反馈意见，并针对水利水电工程专业的特点，我们提出了“弹性力学”课程教学新模式，引入水利水电工程中存在的必须用弹性力学法进行求解的问题，并应用现代化的教学技术进行图片、视频展示，根据课程进展适时提出弹性力学中创新性的内容，培养学的生的实践和创新能力：（1）关注水利工程中的弹性力学问题，借助多媒体手段全面展示工程项目中存在的强度、刚度和稳定性问题，借此引导学生学会如何通过应用弹性力学的知识来解决工程中存在的问题，培养学生分析问题和解决问题的能力；（2）引导学生了解弹性力学研究领域的最新文献及最新的科研成果，并指出尚未解决的弹性力学问题，鼓励学生独立思考，锻炼学生的创新性思维；（3）引导学生建立弹性力学中的知识与其他力学课程及专业课知识体系之间的联系，培养学生灵活应用力学知识的能力。

2.1 在教学中引入具体的工程项目

“弹性力学”在水利水电工程中有着广泛的应用，但对于初学者来说，弹性力学理论比较深奥，无法和具体的工程实践联系起来，学生无法通过教材了解其真正的应用价值。因此，针对“弹性力学”课程的内容，在教学过程中适时引入工程实例，提炼出其中的弹性力学问题，并加以归类分析，设计适合水利水电工程专业学生的基于实际工程项目弹性力学问题的教学模式，使学生主动地去分析、理解工程中存在的弹性力学问题，让学生能够做到“学以致用”。通过分析其中的弹性力学问题，引导学生应用弹性力学的理论知识去解决水利水电工程中的力学问题，增强学生学习弹性力学的主动性和积极性。在引入工程案例时，注重参与式互动学习方式，几个同学通过成立合作小组的方式共同解决某一类问题，增强彼此之间的交流与合作，通过老师的引导，进一步加深交流的层次。譬如在讲解“两类平面问题”的时候，加入可以简化为平面应力问题和平面应变问题的工程实例就可以增加学生的直观印象而不仅仅停留在力学符号中，可以将矩形截面深梁及支墩坝的支墩简化为平面应力问题，将水工隧洞及挡土墙简化为平面应变问题。在讲解“楔形体受重力和液体压力”这一节时，以著名的三峡大坝作为工程案例，提前将三峡大坝的受力特点和几何特征的分析作为作业布置给学生，由合作小组搜集资料进行汇总分析，根据弹性力学两类平面问题的特点判断受荷作用下的楔形体属于哪一类平面问题，由学生思考如何从工程问题中提炼出合理的弹性力学模型，最后由学生合作共同建立该工程实际问题的弹性力学计算模型，并采取合理的弹性力学解析计算方法算出应力、应变和位移，并给出相关结论。

2.2 在教学中引入理论创新的成果

“弹性力学”的知识体系虽然已比较完善，但仍存在许多尚未解决的问题，通过引导学生阅读最新的弹性力学领域的科技文献来归纳总结最新的科研进展，并引导学生提出自己的见解，加强学生之间的交流，碰撞创新的火花和灵感。在弹性力学研究领域，有许多尚待完善的理论，譬如深梁是水利水电工程中应用非常广泛的一类结构，如深孔平面闸门及弧形闸门的主梁采用的就是跨高比较小的深梁结构，深梁问题也一直被研究者所关注。“弹性力学”教材中讲述的是矩形截面深梁，而实际水利水电工程中薄壁截面深梁被更加广泛的应用，譬如水工钢结构中的承重梁多为薄壁截面深梁。因薄壁截面深梁的截面复杂（工字形或箱形截面），应力影响因素较多，薄壁截面深梁与矩形截面深梁的受理机理不同且更加复杂，目前对其力学性能的探讨仍在继续，也发表了许多相关文献，适时引导学生阅读这些科技文献有助于培养创新意识，为进一步的深造打下良好的基础。[7]

2.3 加强“弹性力学”与相关课程知识体系的对比

弹性力学是水利水电工程专业学生分析具体水工问题的一种有效力学工具，在分析各种水工建筑物及水电站时比材料力学的解答更加精确。 在教学过程中，加强“弹性力学”与“材料力学”相关知识点的比较，以及引导学生了解弹性力学如何为水工建筑物和水电站等专业课程服务，让学生更加重视弹性力学这门课程，增强学习的兴趣。譬如在水工建筑物中，目前对大坝独立坝段的理论分析仍然采用的是材料力学方法，材料力学方法采用的是平截面假设和纵向纤维互不挤压的假设，未考虑纵向的挤压应力，导致计算结果和实际情况误差较大；弹性力学方法则抛弃了这两个假设，从微元体的出发建立控制方程，即平衡微分方程、几何方程和物理方程，并依据边界情况建立应力边界条件和位移边界条件，比材料力学的解答更精确。大坝内分布着不同的廊道系统，为有孔结构，有孔结构与无孔结构的应力分布有着明显的不同，材料力学仍然假设应力为沿孔边均匀分布，误差较大，而弹性力学的计算结果表明在孔边发生应力集中现象，拉应力明显增大，更加符合实际情况，因此对于有孔结构应用弹性力学理论更加精确。

3 “弹性力学”的教学手段

针对“弹性力学”教学的新模式，我们采用了相应的教学手段，包括：（1）资料收集：对水利工程项目中水工建筑物力学问题进行搜集、分析和整理，将其引入到课堂教学中，加强工程实践与弹性力学知识体系的联系，尤其对工程项目中能简化为两类平面问题的结构进行重点讲解，给学生更加直观的认识；（2）最新文献展示：将弹性力学领域最新的科研成果在课堂上介绍给学生，引导学生总结其中的创新之处并提出尚未解决的问题及解决的思路，在课堂上可以提出自己的见解，鼓励学生之间相互合作提出创新性的解决思路；（3）多媒体制作：将工程项目中的问题通过视频、动画等方式在课堂上进行展示，使学生努力克服对枯燥的力学知识学习的畏难情绪，增加课堂的生动性。

4 结语

西安理工大学水利水电工程专业以专业认证为契机，进一步明确了办学理念、办学特色，并使专业课程布局更加合理。“弹性力学”作为水利水电工程专业的基础力学课程，我们根据专业认证的要求及专业特点，制定了新的教学模式并采用了现代化的教学手段，可以增强了学生的学习“弹性力学”的兴趣，并有利于培养学生的实践能力和创新能力。