“双一流”建设下“板壳理论”课程教学改革的探索

［摘 要］ “双一流”建设的提出与推进对高等学校“板壳理论”课程的教学改革有了更高的新要求。通过指出当前“板壳理论”课程的现状与不足，然后针对这些不足尝试了一些改革，通过教学内容的优化设置、教学手段与过程性评价机制的改革等几个方面来探讨，最后对改革后的教学效果进行分析与反思。实践证明，这样的改革有助于激发学生对“板壳理论”课程的学习兴趣，增强了学习动力和学习效率，建立严谨的力学逻辑思维，并切实提高研究生的创新能力和综合解决工程问题的能力。

［关键词］ 板壳理论；教学改革；过程性考核

［基金项目］ 2022年度西南石油大学校级教改项目“双一流”建设下板壳理论课程教学改革研究（2022JG037）；2023年度四川省力学类教指委教改项目“基于课程思政和仿真的工程力学课程教学改革”（2023JG-8）

［作者简介］ 丁 俊（1983—），女，浙江东阳人，博士，西南石油大学机电工程学院副教授，主要从事固体力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0063-04 ［收稿日期］ 2023-08-29

研究生的课程学习在研究生成长中具有全面、综合和基础性作用，重视课程学习、加强课程建设、提高课程质量，是当前“双一流”建设下深化研究生教育改革的重要和紧迫任务。

“板壳理论”是油气储运、力学等专业硕士研究生专业课程之一。板壳理论以弹性力学为基础，将其基本理论具体应用到板壳结构中，是固体力学中具有现实意义的重要分支［1］。板壳理论是基于弹性力学与若干工程假设，研究工程中常见的板壳结构在外载荷作用下的应力分析、变形情况以及稳定性的学科［2］。“板壳理论”课程的目的是使学生掌握薄板和壳体的基本概念、分析板壳结构中采用的基本假设、推导板壳经典理论的基本方程、掌握解题思路和基本求解方法，了解工程中各类板壳结构的受力特征。由于板壳是优良的结构件，广泛应用于航天工程、海洋工程、容器制造工程、交通运输工程和军事工程中。对于力学及其他相关学科的广大研究生来说，掌握好板壳理论知识，可以为后续的科学研究奠定基础，也为国家的建设提供坚实的基础。

一、“板壳理论”课程教学痛点分析

（一）课程内容陈旧

“板壳理论”课程内容相对比较陈旧，授课内容缺乏前沿性，缺乏与其他学科交叉的内容，课程体系没有及时更新，课程内容设置有待优化［3］。由于板壳重量轻、耗材少，因此被广泛应用在各种工程结构中，如航天工程中的太阳能翼板、火箭尾翼等，海洋工程中的深海潜水器壳体等［3］。这类结构的力学建模和后续的应力分析需要用到板壳理论的知识。因此，“板壳理论”是与工程实践结合非常紧密的一门工科课程。在“板壳理论”的教学过程中，要给学生介绍基本的力学概念、基本假设以及诸多公式的理论推导过程。除此之外，也要给学生展示大量的工程实例，对典型案例进行详细的剖析，让学生可以清晰地理解理论知识如何在工程实际中发挥作用，将理论知识实际化。虽然之前的课程中也会为学生引入一些工程案例，但数量相对较少。因此，在课程内容中需要引入更多更经典的案例分析，优化课程内容和体系，让学生真正地可以用理论知识解决实际问题。

（二）教学方式比较单一

“板壳理论”的教学仍旧比较传统，无法满足现在研究生的个性化需求。“板壳理论”是一门理论和实践性较强的课程，涉及力学概念多，内容比较抽象，变形描述比较复杂，公式推导过程烦琐，涉及许多微分算子和偏微分方程［4］。高校教师在科研压力和教学压力下，没有太多精力去思考如何改进教学方式；如何在网络学习环境下吸引学生眼球；如何使学生在课堂上能集中注意力更好地吸收知识。再加上学生的课堂参与率低，教师自身上完这门课后没有满足感和成就感，基本就是为了完成教学任务，导致教学效果比较差，学习知识不易强化。课堂中以教师为中心，学生参与度比较低，学生大都认为及格就好。结课后学生对力学基本概念不清晰，缺乏用板壳力学知识解决工程实际应用的能力。

（三）力学思维如何建立，创新意识如何激发

让“板壳理论”的知识体系成为学生自有的力学思维和思想体系，让学生形成独立承担科学任务和社会责任的能力。创新意识是培养创造性人才的起点，也是创造性人才必须具备的。要让学生建立起力学思维和激发自身的创新意识是目前所有“板壳理论”教师需要去深度思索和改进的。

（四）课程思政如何融入

“板壳理论”是典型的工科课程，其知识体系和内容与思想政治等相差较远，所以如何恰当地融入课程思政是教师需要去深思熟虑的一个重要问题。“板壳理论”中涉及的知识范围非常广泛，只要教师进行深入挖掘，一定能够找到丰富的思政教育素材，从而为课程思政的融入奠定基础。

（五）学习效果的评价机制相对薄弱

“板壳理论”课程的考核方式是平时成绩+期末成绩，这种评价方式确实可以考查学生对基本假设、基本理论的掌握情况，但不能有效而全面地评价学生的综合能力。有效而全面的评价机制在研究生培养过程中起着重要的作用，可以激发学生对课程学习的长久热情。有效而全面的评价机制应该能全面反映学生对“板壳理论”基础知识的理解和掌握情况，反映学生利用理论知识对实际工程中平板和壳体进行力学分析和研究的能力。因此，需要进一步改善“板壳理论”课程的评价机制。

二、教学改革

基于上述课程教学现状，迫切要对课程进行改革，深化课程建设，提高教学质量。以研究生成长成才为中心，以打好知识基础，加强能力培养为目标，注重和激发研究生兴趣，培养研究生独立思考能力和批判性思维，对“板壳理论”课程教学进行以下几个方面的改革。

（一）教学内容的改革

板壳理论是以弹性力学为基础的，拓展到平板和壳体上的应用。由于本学校的“弹性力学”课程采用徐芝纶编著的《弹性力学（上册）》，所以“板壳理论”摈弃之前用的版本，采用徐芝纶编著的《弹性力学（下册）》，这样在内容上更有延续性。任课教师应主动承担“板壳理论”课程建设的责任，重视对课程体系的长远规划和整体设计，力争培养能解决实际工程问题和具有一定创新能力的研究生。

优化“板壳理论”课程内容，引入相关的科技前沿和板壳的结构仿真知识，给传统的“板壳理论”注入新鲜血液，让学生近距离感受高新科技带来的震撼，激发学生对这门课程的学习兴趣，提升科研能力。教师在教授过程中根据学生的反馈及时调整和凝练课程内容，加大课程的教学训练强度。重视经典理论构件和案例，增加前沿研究进展的案例等内容，强化研究生对创新的理解，加强培养研究生的知识获取能力、解决实际问题能力和独立研究能力。同时，教师重视不同课程之间的衔接、联系和差异：比如板壳理论在材料力学基本假设的基础上还额外增加了三个假定，材料力学中梁的内力是指梁的横截面上的内力合力和合力偶，而板壳理论中薄板壳的内力，是指板的单位宽度的横截面的内力合力和合力偶。

优化“板壳理论”课程内容，增加更多的应用性工程案例，而增加案例势必会增加教学学时，在“板壳理论”总学时不变的情况下，需要舍弃一些陈旧的内容，如舍弃一些晦涩难懂且应用不多的理论，舍弃一些方法相同的理论公式推导。在课程内容中适当增加板壳理论与材料学或其他学科的交叉研究，拓展学生的知识面和视野。

作为研究生，大部分学生都有有限元软件应用的基础，所以教师可以不局限于以往的课程教学内容，给学生布置用有限元进行一些板壳分析的例子，通过建立合理的力学模型得到应力和应变云图，学生更直观地感受板壳中的应力和应变分布，拓展学生知识面，也通过鲜活的图片和动画演示让学生感觉“板壳理论”的学习并不枯燥，从而提高学习主动性和兴趣。也可通过有限元模拟板的压屈和振动，得到压屈过程和各阶振型，并以动画形式展现在学生面前，这样学生对这部分内容的接受效果会明显提高，还能增加学生对其他部分内容的学习兴趣。在“板壳理论”课程中引入仿真工程可以增强学生解决实际工程问题的能力和力学建模的能力，切实提高学生的综合分析能力。

在课程内容中加入思政元素，介绍学科发展的历程、整个历程中经历的重要事件以及在学科发展中做出重要贡献的科学家等。例如：在介绍圣维南原理的时候，介绍科学家圣维南及其对固体力学做出的极大贡献。除此之外，还有很多其他科学家的故事和贡献值得在课堂上分享。在“板壳理论”教学中，这些思政元素的引入可以调节课堂气氛，让课堂变得更加丰富有趣，同时可以培养学生的科学情怀和家国情怀，潜意识里培养了学生对“板壳理论”的热爱与兴趣。

（二）教学手段与方式的改革

以往的“板壳理论”教学方式相对比较单一，所以将授课手段调整为PPT演示和板书结合，并融入仿真分析案例［5］。对于绪论部分，主要介绍板壳理论的研究目的、主要研究内容和研究对象，以PPT演示为主，用精美的图片形式列举工程中各种各样的平板和壳体的应用，如贝壳、花瓣、鸡蛋壳等，以此来引出教学内容，这样美轮美奂的图片更能吸引学生的眼球和注意力［5］。多媒体教学还可以有效展示有限元模拟得到的应力应变结果，这样的优势可以节省时间，增加教学内容，提高课堂效率。对于后续理论推导部分以板书为主、PPT为辅，这样学生更能跟上教师思路。推导完成后的应力应变分析，以仿真案例形式演示，将工程仿真引入课堂教学中。学生根据云图可以对抽象的应力应变的分布有更清晰的认知和整体把握。同时，教师思考如何更好地促进教师与学生之间的良好互动，尊重研究生的主体地位。课程教学除了传统的教师授课之外，还引入学生授课，鼓励研究生参与教学设计、课堂授课、教学改革和教学评价，营造良好的学习氛围，促进课程学习中的教学互动，重视激发研究生的学习自主性和学习热情。采用线上线下相结合的教学方式可以增强教学效果，在线上的课前预习部分可以通过提出工程问题，设置一定的悬念，一步步引导学生思考并积极去想办法解决问题，揭示问题的本质和规律。通过设置的悬念在课堂上一步步揭示其力学规律和结果，激发学生的创新意识、好奇心、求知欲，从而调动他们的积极性和主动性，也感受到板壳理论的实用性。教学方法的改革是永远没有终点的，必须随着整个社会和科技的发展做出相应的改革，适应潮流和新一代学生，也适应国际化趋势［6］。

（三）教师教学能力的提升

教师应不断提高自身的课程教学能力，潜心研究教学方法，认真教书育人。教师想要超越传统的讲授需要提升个人教学水平，可以通过风趣优美的表情、语言和动作，为学习者营造出轻松有趣的学习氛围，展现教师的个人魅力和感染力。教师要抱着不仅是为了完成教学任务的心态，结合目前的网络学习环境，如何吸引学习者的注意力，如何获得好的知识传递效果；可以向教学经验丰富的老教师取经，也可以积极参与学校组织的各种教学交流和教学技能培训，还可以通过参加学校乃至全国组织的各种教学竞赛，在比赛过程中发现教学中存在的不足并积极改进，实现以赛促教。教师必须精心准备好每一堂课，不断思索、探究和改革。

（四）课程成绩考核的改革

将原有的期末考试改为以过程性考核为主的多阶段成绩的考核，多阶段成绩考核由几个不同环节的成绩构成，包含学生的中期小报告、期末大论文、平时作业和课堂参与度等。将期末成绩分成了多阶段成绩的考核，更加注重学生学习过程的积累，可以更全面地反映学生的平时学习状况。平时作业主要是以一些基本概念理解、公式推导及应用为主。小报告和大论文的撰写与报告目的是推动学生去收集各种信息，拓宽知识面和视野，了解自然界和工程中板壳结构的应用和分析，也根据学生自身特点来促进学生对这门课程的探索欲和求知欲，调动其学习的积极性，增加学习乐趣。结课论文选题的范围相对比较宽泛，学生可以根据自身兴趣选择，可以是跟板壳有关的研究课题报告（实验研究或者有限元分析），也可以是感兴趣的自然界中板壳结构的力学分析的专题报告，还可以是板壳研究进展的综述性报告，以及跟“板壳理论”课程内容相关的某一部分的报告等。为了完成这些小报告和大论文，学生必须自行查阅相关的诸多文献，有时候甚至需要和其他同学一起合作才能完成。在准备的过程中，学生的创新意识、查阅文献的能力、团队协作的能力等各方面都能得到极大的提高。