基于數值仿真的土木工程實驗教學改進與實踐

李連崇，馬天輝，梁正召，張永彬，唐世斌

（大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024）

教學與科研是高等學校發展的永恒主題，推動教學與科研的共同發展、促進二者的協調統一，是實現高?？沙掷m發展的內在要求，也是提高辦學水平的有效途徑。以科研促教學，把新的科研成果融于傳統的教學活動中，不僅可為傳統的課程注入活力，有利于提高教學質量和效果，而且能夠擴展學生的視野，激發學生的學習熱情，培養學生的實踐動手能力和創新能力。本文結合大連理工大學開設的本科生必修課程“土木水利學科實驗前沿”的實際教學，將工程計算中的數值仿真技術融于土木工程實驗課程的教學活動中。

1 目前土木工程實驗教學中存在的問題

土木工程實驗是土木工程專業的基礎課程，涵蓋了巖土工程、結構工程、建筑材料、工程地質等多個學科方向。土木工程實驗既是土木工程專業基礎知識的直接來源，又是理論與實踐相結合的重要一環，是學生受益面較廣的技術基礎課程之一，學校非常重視它的教學改革。目前，土木工程實驗教學主要存在以下問題。

（1）高校本科學生基數較大，實驗教學多為分組進行。通常，每個實驗小組的人數較多，學生只能通過授課教師的講解和演示實驗來觀察實驗過程、了解實驗的操作流程和方法，難以對實驗過程中存在的問題和需要注意的關鍵點有深入的理解和掌握。這樣的實驗教學方式不利于培養學生發現問題和解決問題的能力，更不利于優秀學生的培養。

（2）實驗內容基本上只限于教材中規定的特定實驗，其中驗證性實驗所占的比例過大，而設計性和啟發性實驗相對較少。學生在做驗證性實驗時只需按教材操作，雖然保證了實驗的成功率，但在實驗過程中基本無需思考，最終提交許多雷同的實驗報告。這種做法使學生完全處于被動狀態，學習熱情受挫，部分學生更是抱著敷衍了事的態度完成實驗，因此達不到實驗教學的目的。

（3）傳統的物理模型實驗不但實際操作成本較高，而且對實驗“過程”的顯示程度不夠，即：實驗中物理模型內的各種參量的變化往往不能直觀地展現出來，這也是導致學生難以理解實驗、缺少學習熱情的原因之一。所以，設法通過仿真技術，讓晦澀難懂的實驗數據變得容易理解，而不再讓學生覺得它是深不可測的，也是教改的努力方向。

隨著現代計算技術的發展和計算機性能的提高，可嘗試將數值仿真技術應用于土木工程實驗的輔助教學中。

2 教學方法的改進與實踐

2.1 教學方法改進的總體思路

數值仿真分析是指通過數值計算方法再現已知的現象，并強調運用數值模擬結果加深對實際實驗中觀測到的已知現象的理解［1］。結合我校近3年開設的本科生必修課程“土木水利學科實驗前沿”，我們嘗試將科研工作中常用的數值仿真技術應用于土木工程實驗的輔助教學中，其作用雖類似于虛擬實驗室［2－6］、多媒體［7］教學等輔助作用，但又不完全等同于虛擬實驗室、多媒體教學。

在實際實驗教學中，我們強調：

（1）實驗過程及數據結果的可視化，即利用計算機數值仿真并顯示實驗中的基本現象，將一些不易觀察的數據、實驗過程用圖像直觀地演示出來，實現對實驗的深度理解，將土木工程實驗知識可視化，激發學生的學習興趣和主動性；

（2）以學生活動為中心，實現自我學習，在學習中充分體現學生的主動性和創造性，并使學生能根據實際操作的反饋信息來形成對物理模型實驗的認識和解決實際問題的方案；

（3）土木工程是一個實踐性很強的學科，脫離了實際工程，即失去了“教與學”的真正目標，因此實驗教學過程要理論聯系實際，注重室內物理模型實驗與實際工程的內在聯系，并通過數值仿真技術提高對實際工程的認知程度。

筆者嘗試的實驗教學的整體思路及教學流程如圖1所示。

圖1 實驗教學中的關鍵模塊

2.2 新教學方法的實踐探索

在基于數值仿真的土木工程實驗教學新方法中，有幾個關鍵的教學模塊。授課教師只在“布置實驗任務”、“基本實驗引導和最終的實驗總結”2個模塊中起主導作用；而在其他教學模塊中，都是以學生為主體，大大提高了學生理解問題、分析問題、解決問題的能力，學生也表現出了濃厚的學習興趣。

在混凝土簡支梁的FRP（fiber reinforced polymer）加固實驗中結合了教師相關的科研成果［8－10］。圖2是該實驗室內物理模型的實驗結果，其實驗過程中捕捉不到裂紋的起裂、擴展及FRP加固梁的失效過程，僅僅得到了一個最終的破壞模式［11］。輔助以數值仿真技術后，我們指導學生學習并模擬了相應的實驗，對應的數值仿真結果如圖3所示。在該教學過程中，學生清晰地觀測到了FRP加固梁的失效過程和失效過程中的應力場演化（圖形灰度表示：越亮的區域應力越集中），這些都是在物理模型實驗過程中難以觀測得到的。更重要的是，學生可利用數值仿真技術，自己動手設計更復雜的實驗模型（例如具有不同FRP加固板寬度的簡支梁實驗仿真），進行更為廣泛、深入的相關實驗知識的學習與認知。

圖2 混凝土簡支梁的FRP加固實驗的物理模型實驗結果

圖3 與圖2對應的FRP加固實驗數值仿真結果

又如，砌體亦是一種典型建筑工程結構［12］，而對于其在實際工程中的作用及失效特性，學生缺乏實際認識（如圖4所示），常規的物理模型實驗很難讓學生認清其力學本質。

在實踐教學中，我們給出這些典型的實際砌體結構破壞形式，讓學生自己動手動腦，根據實際模型，抽象出數學模型，進而開展小尺度實驗及工程尺度的數值仿真分析（如圖5所示），真正地提高了學生對實際工程問題的認知程度。

圖4 砌體墻的實際破壞模式（筆者于2008年汶川地震后攝于映秀中學）

圖5 砌體墻失效過程的數值仿真

3 體會與認識

隨著現代計算技術的發展和高性能計算機的日益普及，數值仿真對高校的實驗課程——尤其是土木工程實驗的教學，具有顯著、有效的補充和促進作用。實踐表明，數值仿真在土木工程實驗教學中的應用，大大激發了學生做實驗的興趣，提高了實驗教學的質量，充分啟發了學生的創造性思維，大大緩解了實驗學時和實驗室資源有限等矛盾，也使無法使用各種大型實驗儀器設備的學生對現代化的分析技術有了較為形象的感官認識和了解，對實際土木工程問題有了更深入的認知。

值得強調的是，數值仿真只是實驗教學中必要和有益的輔助手段，它無法代替真實的實驗環境和實驗操作，因此二者需相互補充、相互促進。隨著仿真技術、虛擬現實技術及相關技術的不斷進步，采用數值仿真輔助實驗教學的效果必將不斷提高。

（References）

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［12］王述紅，唐春安.砌體開裂過程數值試驗［M］.沈陽：東北大學出版社，2003.