研究生《损伤与断裂力学》课程教学改革探讨
摘 要：面向各工科专业研究生，开展《损伤与断裂力学》课程建设，就教学内容与教学方法改革进行探讨。整合损伤力学与断裂力学基本原理，增加理论应用数值实现部分，构建理论与应用并重、模块化、层次化的课程教学内容体系；针对课程内容模块，提出采用以衔接式教学法与科研案例教学法为主线的教学模式，使学生深入掌握课程内容，达到学有所用的教学目的，为研究生课题研究奠定基础。
关键词：损伤与断裂力学；教学内容；教学方法；经典理论；数值方法
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）01-0074-03
Abstract： Facing to engineering graduate students， the course construction of damage and fracture mechanics was developed， and the teaching content and teaching method were discussed. Based on fundamental principles of damage and fracture mechanics， the teaching content concerning application and numerical realization of theories were added to establish modular and hierarchical course content system laying on both theory and application. According to course contents， the linking teaching method and scientific case teaching method were principally proposed. These approaches enable students to master the content of the course in depth， to achieve the purpose of learning and use， and to lay the foundation for the research of graduate students.
Keywords： damage and fracture mechanics； teaching content； teaching method； classical theory； numerical method
研究生擴招、教学内容滞后、教学方法陈旧及科研参与度低等因素限制了我国工科研究生创新能力的提高。研究生创新能力主要表现在丰厚的理论基础、敏锐的思维能力以及较强的实践操作能力[1，2]。工科研究生的专业方向众多，研究课题方向也不尽相同，但都要求研究生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，因此力学课程设置、教学内容及教学方法改革方面的建设工作与研究生创新素质培养息息相关。
目前，损伤力学与断裂力学在工科研究生课题研究中应用比例较高，为此很多高校针对土木工程、机械工程、矿业工程及航空航天等学科研究生，已开设了损伤力学或断裂力学课程。清华大学郑教授指出，力学拥有定量化基因和技术创新基因，力学发展影响工科创新，应设置加强力学基础课程地位的课程体系[3]。而贵州省高校工科专业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够，给力学理论和方法在研究生课题中的应用带来了局限性。但力学知识是专业课程的必备基础，这种课程设置模式限制了工科专业研究生力学基础知识的巩固与提高，若研究课题与力学相关，则需要研究生耗时自学，并不能掌握较深的力学原理，多数停留在对现有理论的重复与应用，不利于培养研究生创新意识，降低了培养质量，这是目前贵州省工科院校普遍存在的问题。因此，力学课程建设与教学改革应是我省工科研究生培养质量提高措施中的重要工作。
鉴于此，以贵州大学为例，面向全校工科研究生，打破学科与专业界限的壁垒，开设《损伤与断裂力学》课程，整合并优化教学内容，建立力学理论讲解与数值实现方法并重的教学模式，并提出将科研成果转化为教学案例，用于课程教学，借助科研案例，掌握损伤与断裂力学理论应用及实现途径，形成以科研案例为主线的渗透式教学方法。该课程建设为研究生课题研究与完成提供力学理论与解题方法基础，有助于提高研究生科研与创新能力。
一、课程教学内容建设
贵州大学设有土木工程、材料工程、机械工程和采矿工程等多个工科专业硕士点，研究生课题方向多，范围广，根据损伤力学、断裂力学内容及有限元方法在研究课题应用的调研结果，确定《损伤与断裂力学》课程教学内容，主要包括损伤力学基本理论、断裂力学基本理论及经典理论的应用与数值实现方法。
损伤力学与断裂力学可用于评估材料或结构的安全性及稳定性，但两者研究方法不同，损伤力学主要研究内部缺陷对材料或结构引起的力学性能损伤现象，且内部预存在的缺陷连续分布，而断裂力学重点是处理开裂部位的应力分布情况，裂纹是不连续的，尖端存在奇异性，出现明显的应力集中[4，5]。但由两者的关系图（图1）可以看出，两者是衔接的，我们可以结合损伤力学与断裂力学来研究材料或结构的整个破坏过程。
因此，我们将损伤力学与断裂力学主要内容进行整合，形成条理化、层次化的讲授内容，先讲授材料与结构形成宏观裂纹前的状态，即材料与结构的损伤问题，再讲授材料与结构宏观裂纹开裂后的状态，即断裂问题，作为研究生《损伤与断裂力学》课程中理论性的教学内容。另外，工科研究生主要通过实验测试与数值模拟两种途径完成课题，在理论方面，多数停滞在对现有理论的重复与应用，创新偏弱，着重应用。所以结合课程实际应用背景，我们提出选取经典理论，增加经典理论应用及其数值实现方法这部分教学内容，扩展该课程内容在研究生科研中的应用范围。《损伤与断裂力学》课程内容分为三个单元模块：损伤力学基本理论、断裂基本力学理论和经典理论应用及数值实现方法。这种单元模块式、层次化的课程内容体系，由浅入深，承接性强，便于教师讲授，强化课程教学与学习的系统性，提高教学效果。
二、课程教学方法改革
教学方法是实现教学内容和教学目标的有效手段，教学方法的种类很多，但研究生课程不同于本科课程，需以实际应用与培养研究生创新能力为目标，课程讲授方式对应要有所改革与创新，因此亟需探索研究生《损伤与断裂力学》课程适用的教学方法。研究生课程教学中实用的教学方法主要包括研讨教学法、专题研讨法及案例教学法等[6，7]。采用以上教学方法，可以使学生转换位置，由“学”变“讲”，调动学生的积极性，锻炼学生的实践能力。但研究生《损伤与断裂力学》课程学时有限，教学内容又包含三个模块，若不能提高课堂效率，则达不到预期的教学效果，所以教学方法至关重要。在研讨教学法、专题研讨法及案例教学法的基础上，我们提出研究生《损伤与断裂力学》课程重点应用的两种教学方法。
（一）衔接式教学法
所谓衔接，是指课堂上教师讲授内容与课下学生学习内容之间的衔接。损伤力学与断裂力学基本理论两个教学内容模块中，主要以基本原理为主，包括损伤理论、损伤模型、应力强度因子计算方法、断裂准则等内容。这些内容都需要经过计算、公式推演的过程，如果主讲教师在课堂完成整个过程，不仅占用时间，还会影响课堂氛围。因此在这两个内容模块教学过程中，我们借助多媒体课件，要求教师备课期间完成理论及公式的推导过程，把关键步骤做成课件，为学生推演、讲解。同时充分利用学生课下时间，将经典理论的推导过程留为课下作业，并纳入课程考核成绩，确保学生掌握重点知识。衔接式教学方法可以提高课堂效率，巩固学习内容，使学生不只停留在了解基本理论的层面，而是深入理解课程内容，为后续基本理论的应用与改进奠定基础。
（二）科研案例教学法
科研案例教学法是指将科研成果整理、总结，转化为教学案例进行讲授。《损伤与断裂力学》课程中第三个教学模块的内容是经典理论应用及数值实现方法，这部分内容偏重理论的应用与实现过程。而损伤力学与断裂力学基本理论实现可以借助于数值手段，适合该模块教学的有限元软件包括ABAQUS、ANSYS、LY-DYNA等。结合研究生专业，挑选针对性与关联性较强的科研成果作为教学案例，讲授基本理论应用的前提、适用性、正确性、应用方法及实现过程。科研案例教学法将课程教学内容进行了一个从理论到实践应用的归纳，使学生系统地掌握该门课程内容，加深学生对课程学习的理解程度，避免出现“学不知所用”的现象。科研案例教学法也可以开阔学生思维的宽度与广度，使所学内容与专业知识相互融汇、综合、渗透，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。
三、存在问题
在《损伤与断裂力学》课程教学内容与教学方法改革的同时，也会存在一些挑战与问题。主要如下：
（一）课程内容学时比例不确定性
该门课程面向全校工科研究生開设，课程内容需要根据选课学生的专业分布进行动态调整，合理安排教学内容学时比例，所以课程的教学大纲与教学计划需要根据实际情况调整。
（二）主讲教师教学水平要求提高
该门课程教学内容具有理论与应用并重的特点，要求主讲教师具有扎实的理论基础，同时要掌握多种有限元软件计算方法。而科研案例教学法则要求教师具备丰富的科研基础以及较好的科研实践能力，为课程的教学效果提供保障。
四、结束语
力学课程体系建设影响工科研究生科研素质及创新能力，是提高研究生培养质量的一项重要工作，应引起贵州省工科院校的重视。以贵州大学为例，提出了面向全校工科研究生开设《损伤与断裂力学》课程，重点讨论了教学内容与教学方法改革两个方面。《损伤与断裂力学》课程教学内容主要包括损伤力学基本理论、断裂力学基本理论及经典理论的数值实现方法，具有模块化、层次化的特点。《损伤与断裂力学》课程教学主要采用衔接式教学法与科研案例教学法，提高课堂效率，加强学生对课程内容的理解，保障教学效果。该课程建设宗旨在于加强力学知识点在研究生课题研究及工程实际问题中的应用，提高研究生的力学专业素质，使力学理论与方法服务于专业问题，促进力学知识与专业问题的衔接与融合，扩大力学知识在研究生课题研究与解决实际工程问题中的应用深度与广度，提高研究生的培养质量及其科研创新能力。
参考文献：
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[3]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.
[4]W.H. Zhang， Y.Q. Cai. Continuum damage mechanics and numerical applications[M].Zhejiang University Press，2010.
[5]程靳，赵树山.断裂力学[M].北京：科学出版社，2006.
[6]姚莉，刘伟.研究生课程教学改革的几点思考[J].高等教育研究学报，2010，4：36-39.
[7]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.