“区域一流”背景下研究生体系化力学课程构建

王玲玲 王密 胡周 孔德文

摘  要：阐述了贵州大学土木工程专业研究生课程设置的弊端，分析了贵州省高校工科专业研究生力学类课程开设现状，指出研究生培养过程中力学课程设置的必要性。依托贵州大学土木工程学科发展优势，提出了开设损伤力学、断裂力学与有限元体系化课程的构想，对课程教学内容及教学方法进行了初步探讨，该门课程的建设将有助于提高研究生的科研水平及创新能力，进一步促进贵州大学区域一流学科与土木工程一级学科博士点建设工作。

关键词：土木工程学科;体系化力学课程;教学内容;教学方法

中图分类号：G642       文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）35-0019-04

Abstract： The course disadvantages of postgraduates majoring in Civil Engineering of Guizhou University are illustrated. The present construction situation of mechanical course is analyzed for engineering master degree in Guizhou province. The mechanical courses are important for the postgraduate education. Relying on the development advantages of civil engineering discipline， the construction of systematic courses including damage mechanics， fracture mechanics and finite element is proposed， and the teaching content and teaching method are discussed preliminarily. The construction of the systematic courses can improve the scientific research level and innovation capability of postgraduate， and promote more development of regional first-class discipline and class-one doctoral disciplines of civil engineering.

Keywords： Civil Engineering Discipline; systematic mechanics course; teaching content; teaching method

贵州大学土木工程学科根据社会需求和区域发展需要，经过学科专业结构不断优化，形成了以结构工程、道路与桥梁工程、岩土工程为主体的培养方向。该学科经历六十年的发展，形成了完善的学科体系、合理的师资队伍以及宽厚的研究基础。2017年，土木工程学科入选贵州省区域一流建设学科，并在同年度学位授权点审核工作中，获批土木工程一级学科博士学位授权点，这标志着贵州大学土木工程学科发展进入了新的征程。

在区域一流学科及土木工程一级学科博士点建设过程中，师资队伍建设、人才培养、科学研究、平台提升等方面是建设与改进的重点内容，其中人才培养是学科发展的关键环节，尤其是研究生培养。提高研究生培养质量一直是研究生教育的核心工作，而科研创新能力则是衡量培养质量的一项重要指标。研究生创新能力主要表现在夯实的理论基础、良好的科研素质以及解决实际问题的能力，这需要学科为研究生提供良好的教学、科研平台以及完善的课程培养体系[1-3]。贵州大学也将进一步开展研究生教育改革、实施研究生课程体系建设、重点课程建设作为研究生培养的工作计划要点。所以研究生课程体系建设与改革是学科建设的一项重点工作内容。

一、贵州大学土木工程专业研究生课程设置

贵州大学土木工程学科研究生根据培养方向（本文主要包括结构工程、岩土工程、桥梁与隧道工程方向）开设了多门基础课与专业课课程，并形成了较为完善的课程体系，包括师资、教学内容及教学方法等。而对比国内外知名高校土木工程学科研究生课程可以发现，我校该专业的研究生课程设置存在一定弊端，在所开课程中，力学课程种类较少，国外知名大学土木工程专业开设13门力学课程，哈尔滨工业大学土木工程专业开设了11门力学课程，昆明理工大学土木工程专业开设了7门力学课程，我校土木工程专业研究生阶段开设了6门力学课程，仅1门基础力学课程（弹塑性力学），其他均为专业类力学课程，具体课程名称见表1。

土木工程属于工科专业，要求研究生需要具备扎实的力学基础，并将其与专业知识相结合，用以科学研究或解决工程实际问题。贵州大学本科培养方案中开设的力学课程包括“理论力学”“材料力学”“工程力学”“结构力学”“弹性力学”和“流体力学”等，这些课程内容是以力學基础知识为主，能够满足本科生对力学知识应用的需求。但就研究生而言，需要掌握更深的力学理论知识，具备更好的解决工程实际中力学问题的能力。因此在工科研究生培养阶段，需要开设“弹塑性力学”、“损伤力学”、“断裂力学”和 “连续介质力学”等力学课程，还可以根据专业需要开设一些针对性强的力学课程，如“复合材料力学”、“岩石力学”、“振动力学”、“计算结构动力学”和“高等土力学”等。显然，我校土木工程学科研究生阶段相关力学课程建设力度相对薄弱。

二、贵州省高校工科专业研究生力学课程开设现状

力学课程是工科专业研究生的重要基础课程，有助于研究生开展课题研究、锻炼其科研创新能力及解决实际工程问题的能力。国内外知名高校多数将基础力学课程作为学位课或非学位课，针对全校研究生进行选修，不限制专业，允许学生跨专业、跨学科、跨学院进行选课，如美国麻省理工学院、阿尔伯特大学、清华大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学等。力学是土木工程研究领域的理论支撑，没有力学方面的理论依据，在该领域内很难有所创新。对于其他工科领域而言，力学同样起着基础支撑的作用，所以研究生力学课程的设置至关重要[5-6]。

2016年以前，土木工程学院设有固体力学二级学位授权点，该专业研究生开设的力学课程包括塑性力学、损伤力学、断裂力学、细观力学、结构动力学、实验应力分析等。本院研究生可以跨专业选修力学课程，或者结合自身课题需求，有目标地旁听所需力学知识。但通过2016年贵州大学硕士学位授权学科的动态调整，撤销了固体力学二级硕士学位授权点，损伤力学、断裂力学、细观力学及实验应力分析等部分力学课程停开，隔断了土木工程学科研究生获取力学知识的有效途径。贵州省内其他高等工科院校也未设置力学学科硕士授权点，各工科专业的研究生培养方案多以专业课为主，未开设或很少开设力学课程，导致研究生掌握力学理论与方法的深度不足，限制了力学理论和方法在研究生课题中的应用。但力学知识是工科专业课的必备基础，此种培养模式不利于工科专业研究生力学基础知识的巩固与提高，若研究生课题与力学相关，则需要研究生自学相关知识，并不能掌握较深的力学理论，多数停留在对现有理论的应用与重复，不利于培养研究生的创新意识和科研能力，降低了研究生的培养质量，这是目前贵州省工科院校普遍存在的问题。因此，针对工科专业研究生开设相关力学课程，建立体系化的力学课程及教学方法极其必要，并应加强体系化力学课程建设与教学改革的研究工作。

三、研究生体系化力学课程建设的必要性

我校土木工程学科研究生培养目标之一为掌握坚实的力学基础，而坚实的力学基础仅依靠本科阶段开设的力学课程是远远不够的。由我校2015-2017届土木工程（主要包括结构工程、岩土工程和桥梁与隧道工程专业）研究生毕业课题内容统计显示，弹塑性力学、损伤力学与断裂力学应用比例较高，弹塑性力学已开设，但损伤力学和断裂力学相关的课程并未开设。而且，我校土木工程专业研究生课题的共同特点为数值计算占比偏高，因此开设了有限元理论及方法、能量原理及变分法及岩土工程数值模拟相关课程（见表1）。有限元理论或方法的数值实现是现有力学知识在研究生科研课题中应用的一个突出特点。土木工程硕士研究生毕业论文多数是以工程应用为背景，论文都存在研究内容充实但深度不足的特点，这与研究生的培养模式相关，我校土木工程学科研究生的课程设置偏重专业应用，理论学习方面偏弱。此种课程体系基本满足现有硕士研究生的培养，但不利于博士研究生的培养。博士研究生要求具备夯实的理论基础，敏锐的学术洞察力以及较强的科研能力，而夯实的理论基础很大一部分源于力学。因此，为加强土木工程区域一流学科建设以及一级博士授权点建设工作，研究生力学课程建设、教学内容、方法改革势在必行。实验测试、理论分析和数值计算是科学研究的三大支柱，缺一不可。结合土木工程学科研究生论文中力学知识应用情况，应开展损伤力学、断裂力学理论与解题方法教学，以及相应的有限元实现方法教学，可以提高研究生的科研水平及论文质量，这也应是“区域一流”建设背景下土木工程学科研究生体系化高等力学课程建设的核心工作。

四、研究生体系化力学课程构建初探

土木工程专业研究生体系化力学课程以损伤力学和断裂力学理论为主，结合有限元方法，开展教学，整合并优化教学内容，形成力学理论应用及其数值实现的体系化教学模块，并探索该课程适用的教学方法，为土木工程学科研究生科研提供力学理论与解题方法基础，提高研究生创新能力。整体思路如图1所示。

在教学内容方面，该门课程建设要以服务专业为核心，以创新能力培养为目标，整合损伤力学、断裂力学与有限元三门课程的教学内容，构建分层次教学体系，先讲授材料与结构的损伤问题（破坏前的状态），再讲授材料与结构的断裂问题（即破坏后的状态），最后结合重要理论，讲授理论的有限元实现方法。并建立单元模块式的课程内容体系，课程内容分为三个单元模块：损伤力学、断裂力学和对应的有限元实现方法。课程考虑不同方向研究生对力学知识的需求，争取做到统一性与多样性兼顾，以与学科发展相联系，促进学科建设相融合为主线，制定课程教学大纲，确定课程性质、内容、学时和考核方式等相关信息，通过整体优化，改善课程结构，增强教学效果。

在教学方法方面，研究生课程以培养其创新能力与实践能力为目标，课程讲授方式对应要有所改革与创新，尤其是面向不同的专业方向，应因材施教，学以致用，因此亟需探索该种体系化课程适用的教学理念与方法，形成系统的教学模式。建议采用的理论与实践相结合的教学方法，如：研讨教学法、应用实例教学法等。

研讨教学法：本课程包括损伤力学、断裂力学以及对应的有限元实现方法三大模块，内容较多，在教学过程中，教师和学生可以共同围绕三者之间的联系以及在各自研究课题中的应用问题进行专题研讨，此种模式可以加深学生对课程学习的理解程度，开阔学生思维的宽度与广度，使专业知识相互融汇、渗透，通过讨论，达到知识互补，扩展学生知识面，改变学生思考问题的角度，产生新的科研思路，有助于培养研究生的创新意识，提高学生的综合素质。

應用实例教学法：针对课程中损伤与断裂力学重要理论的有限元实现这部分内容，以教师或毕业生的科研成果为实例，借助实例进行教学，使学生掌握有限元数值计算的过程与方法，总结有限元方法的要点与难点，提高学生对实际问题进行力学建模的能力，为研究生的课题开展奠定基础。

自由化考核方式：为实现力学理论联系实际应用，本课程建议采用理论与应用并重的考核方式，学生可以结合科研项目或课题内容，选择相关的力学理论，并完成理论的有限元实现过程，开展算例计算、研究分析，并以研究报告和汇报的形式进行研讨，既锻炼学生的科研能力，也可以提高研究生的科研素质。

另外，还应建立完善的课程评价体系，促进研究体系化力学课程建设及提升课程改革的教学效果，初步的评价体系如图2所示，通过选课研究生对体系化力学课程学习效果及应用情况进行反馈，不断优化教学内容与教学方法，结合研究生导师在选课研究生科研课题进展方面的反馈，提升课程教学内容与科研实践的结合度，最后听取专家指导意见，对下一年度的课程内容、教学方法等课程改革内容进行完善、优化。

研究生体系化力学课程建设是贵州省高校工科研究生培养亟需重点建设的内容，包括师资力量、课程内容建设及教学方法改革等方面。针对贵州大学土木工程学科研究生的课程设置情况，提出了培养过程中课程设置的弊端，阐明研究生体系化力学课程构建的重要性，建议开设损伤力学、断裂力学与有限元体系化课程，并初步探讨了该课程的教学内容与教学方法。该课程的建设将有助于提高土木工程学科研究生的科研水平与创新能力，为我校土木工程学科博士生力学课程建设与改革提供参考，促进贵州大学土木工程“区域一流”学科的长远发展。

参考文献：

[1]廖湘阳.2017年中国学位与研究生教育改革发展热点评述[J].学位与研究生教育，2018（4）：1-9.

[2]尚德广，乔爱科，孙国芹，等.工科研究生课程设置与创新能力的培养[J].教育理论及教育改革研究，2007（9）：89-95.

[3]王孙禺，袁本涛.关于我国研究生教育发展战略的几点思考[J].现代教育科学，2005（3）：60-63.

[4]彭宇.国内外大学力学学科硕士研究生课程体系比较[J].教育现代化，2015（4）：44-48.

[5]郑泉水.论创新型工科的力学课程体系[J].力学与实践，2018，40（2）：194-202.

[6]章晓莉.基于科研能力培养的研究生课程教学改革的思考[J].教育探索，2010（7）：36-38.