基于MidasCivil軟件應用的網絡課程教學實踐探索
——以《橋梁工程》課程為例

達娃扎西

（吉林建筑大學，吉林長春 130000）

在互聯網涌起的浪潮之下，混合教學的形式逐漸豐富，尤其是在疫情等特殊情況下，面對面教學模式失去了原有的優勢，而在各種優質網絡課程教學資源平臺和實驗資源平臺的支持和帶動中，線上教學逐漸趨于普及。 軟件，網絡，教學，3 個看似無關的領域卻很好地結合起來了。

1 傳統教學與有限元軟件網絡教學的特點

1.1 傳統教學特點

在土木工程傳統課堂教學中，雖然師生能夠面對面教學，但在板書上常以正視圖、側視圖、俯視圖等二維視角來展現三維模型，存在著不夠直觀、形象、生動的缺點，減少學生們對模型的整體感和學習興趣，增加學習難度。工程類課程，內容繁多課時較少。在實際授課中，側重概念理解而缺少實際操作，學生掌握程度差的現象普遍存在，理論與實際難以結合。

1.2 有限元軟件網絡教學特點

有限元軟件模型能夠靈活展現三維結構的特征。 在教學中添加有限元軟件模型使得在電腦中理解一些抽象的結構，明晰各類參數概念，所以能有直觀印象，增加學生學習興趣，有效提升學習效果。 有限元軟件應用于網絡課程，既能提高時效性而且還能高效分類并整合信息資源。在工程領域中，數據量大，關聯性強，運用有限元軟件進行計算，提高準確度的同時，節省人工手算的時間，精力并且能夠靈活控制，統一修改。例如，在進行橋梁工程課程設計時，利用有限元軟件技術建模之后，計算行車道板有效寬度，能快速得出答案，通過三維模型對工程的實際構造有所了解，教師可以對教學重點進行突出講解，讓學生對整個知識體系有更好的了解[1]。與傳統課堂不同，在線教學時，學生們能對自己有所疑慮的問題大膽反饋，與教師積極交流，避免了上課只有教師講，學生埋頭聽的現象。 通過交流與探討，將各科的知識點串聯起來，構成學生自己的知識庫，增強學生對知識綜合利用的能力。

1.3 MIDASCIVIL 簡介

MIDASCIVIL 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結合，廣泛地應用于土木工程領域。 該軟件單元類型包括梁單元、桁架單元、只受壓或只受拉單元、索單元、平面應力單元、平面應變單元、非線性連接單元等，幾乎涵蓋了結構分析時所有的單元類型[2]。為了更好解決橋梁工程網絡教學任務所出現的一些問題，引入MIDAS 作為設計工具，結合電算和對承載能力手算復核，從而讓學生真正認識到實際工程的應用和掌握解決問題的方法，同時對結構進行更新改進，與時俱進，理論結合實際，達到學有所用的目的。

2 基于MidasCivil 應用的網絡課程教學探索

關于橋梁在有限元軟件中建模的設計流程如圖1 所示。

圖1 有限元軟件在橋梁建模中的流程

有限元基本思想：是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。在設計時，必須遵照適用、安全、美觀的基本原則[3]。利用Midas/Civil 創建信息模型。 首先要定義結構剛度，邊界條件和施加荷載。模型建立出來之后即可進行對變形，反力，內力和應力結果的分析。 網絡教學課程在此過程中，優勢在于各個階段的問題在網絡平臺中以不同的板塊陳列，及時給予學生參考和指導，并且網絡教學的內容不受時間，空間限制，更加方便的滿足學生對學習知識的需求。

定義材料時，要選擇規范定義：混凝土，D3362-2018、JTG04 等。 鋼 材：D3362-18、JTG04、GB、JTGD64-2015 等。 組合材料：包括上述混凝土和鋼材；也可以直接選擇測量得到的實際數據進行用戶定義，包括彈性模量，泊松比，線膨脹系數和容重。在截面的定義有程序自帶截面：設計截面和數據庫/用戶截面與CAD 導入建立截面，包括了CAD 文件為“.dxf”格式，截面計算器導出“.sec”格式和設計-設計用數值截面。其中，變截面的設置是單一截面采用什么樣的截面形式，變截面就采用什么樣的截面形式。“.sec”文件可以直接導入軟件，因此在網絡教學中，可以將不同的文件進行對比，將正確的示例分享給大家，解決學生的建立截面時的細節問題。

網絡課程教學能夠共享有瑕疵的電子表格，對節點定義就是坐標輸入，EXCLE 表格輸入，復制節點和CAD 導入的方式，在課程結束后讓學生算出正確的電子表格，以動手修改的方式，增加學習興趣。其他的定義也是如此，例如，單元的定義：主菜單功能建立單元與CAD 導入的方式，其中前者還包括連接節點建立單元擴展方式建立和復制方式建立；與此同時要建立相應的結構組。邊界條件類型有支撐、連接、其他類型。在此之后，就得考慮到荷載作用，因為“橋梁工程”作為一門專業課程，它與“材料力學”“結構力學”“結構設計原理”和“基礎工程”等具有很大的連貫性，因此，在“橋梁工程”課程設計設置和選題時必須綜合考慮這些課程在整個設計計算過程中的作用[4]。定義荷載包括自重，梁單元荷載，節點荷載和定義預應力荷載，其中定義預應力荷載包含設置鋼束特性值，設置鋼束形狀，設置鋼束預應力。 溫度荷載的定義是：系統溫度和溫度梯度。 系統溫度：一年中最高最低有效溫度作用，溫度梯度：豎向日照溫度梯度，溫度梯度升溫和溫度梯度降溫，溫度梯度降溫是溫度梯度升溫的-0.5 倍，加載方式詳見《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）。 定義移動荷載流程是選擇規范：國內均是選擇中國規范。定義交通車道線或面：車道線對應的是梁單元，車道面對應的是板單元。 定義車輛：根據計算要求，如整體計算則定義的是車道荷載； 車輛荷載適用于橋梁結構的局部加載、涵洞等計算；定義移動荷載工況：其目的是將車道和車輛組合，并且考慮車道折減系數；設置移動荷載分析數據：主要是考慮沖擊系數，可根據簡支、連續、斜拉橋、懸索橋設置。 定義施工階段通過激活和鈍化結構組、邊界組和荷載組來實現。通過定義必要的施工階段，可以考慮各施工工序及時間依存特性（收縮徐變）等對橋梁結構的影響。

施工階段的定義是通過激活和鈍化結構組、邊界組和荷載組來實現。 每個施工階段設置相應的結構組、邊界組和荷載組，組成幾何不變的臨時結構，其定義方式通過 “荷載＞施工階段＞定義施工階段”來實現。 這個過程比較復雜，理論內容比較多，加上學生設計經驗有限，無法將理論知識和實踐內容充分結合起來，從而導致學習枯燥的現象。 網絡教學中，可以結合教學內容變換使用不同教學形式，從而可以達到良好的教學效果。例如，在課堂上設計教學內容，引導師生之間以合作形式完成任務，靈活使用教學內容，激發學生學習熱情，使得學生可以積極主動參與到教學中，靈活使用教學內容，強化知識使用能力，從根本上提升利用Midas 進行橋梁工程課程設計教學的實效性[5]。

結果查看中的承載能力極限狀態概念是整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態為該功能的極限狀態。 結果查看中正常使用極限狀態概念是對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規定限值的狀態。對結構進行分析計算，即按照現行的規范，對各種荷載進行組合并進行分析，結果（后處理），即導出設計成果、出圖等操作。 在此過程中，網絡教學更有利于促進學生之間的檢驗和互動，完善過程，完成最佳設計方案，其教學內容是指MIDAS/Civil 在進行配筋計算與驗算后，可以得到結構的內力、 位移圖形與表格并且根據各種驗算結果判斷是否通過設計規范[6]，其教學目的是使學生的實踐能力由基本操作技能向實際應用能力提高。

3 對Midas Civil 網絡課程建設的進一步思考

對教學方式而言，Midascivil 有限元軟件對橋梁工程中的一些構件的分析運算涉及了大量的知識面，如三大力學(理論力學，材料力學，結構力學)和結構設計原理等課程，數學以及計算機相關的知識，并且將他們融合運用于規范。因此，在傳統教學的基礎上，加以多媒體輔助的網絡教學方式能夠最有效地發揮出對這種典型的多交叉學科課程的教學目的。原因在于此類課程和大多專業課程和通識課程一樣，有著在教學課時的限制，利用網絡課程方式，采用音頻、視頻、3D 動畫進行真實模擬有關的課程內容，能夠在較短時間內集中體現大量信息。而對學生來說，在提高學習的興趣的同時能夠對枯燥的公式推導及規范條文的理解有一個更為直觀，更為生動認識，不僅知其然而且能夠知其所以然，實現知識點的各個突破，達到良好的教學效果。

對教學內容而言，有關Midascivil 有限元軟件的課本多種多樣，但課程內容，原理大同小異，所以可以給予學生根據自身情況相適應的選擇方案，靈活選擇教材。與開放式和互動式的教學方式相結合，教學內容以學生為中心而展開，教師統一集體上課，但課下開設網絡上的不同內容相適應的不同教學專區和答疑專區，加之學生對教學內容和問題難度評級制度。教師在留言反映和投票反映較為典型，難以理解的知識區域進行集中答疑和講解，眾所周知，提出一個好問題比解答一個問題更有價值，在有學生提出了相關的專業問題經過審核后施行學習獎勵制度，進行發放電子版獎狀和學習積分，設置提問達人專區，放置提問學生照片和獎勵內容，公開表揚，積分達到一定程度可以贏得專業書本獎勵或者其他獎勵等。 在有學生經過搜集資料和學習后解答了提問達人稱號的學生的問題后，也應該設置回答達人專區，進行公開表揚和類似的獎勵，實行分塊交流但能夠統一管理。這樣一來，既能使得教師工作在沒有更加繁雜的情況下，兼顧每一位學生學習情況，一些問題可以在學生內部得到解決從而減輕教師工作量。這樣的過程非常有利于提高學生的參與度和組織感，增強綜合能力，學習由被動變為主動學習。

理論聯系實際，強調工程應用“有限元分析”課程是一門實踐性較強的課程，課堂教學應當與工程實踐問題結合起來。 針對有限元算法求解的復雜性，教學過程結合大量的設計案例來進行。 比如，超靜定桁架結構的有限元求解、軸承座應力分析、盤式制動器溫度場分析、 工程車受載荷應力分析等。 理論聯系實際，使學生加強感 性認識，掌握有限元分析的理論和基本方法。利用開放實驗室，讓學生自主設計相關的有限元程序，并與傳統計算方法進 行比較，檢驗自己設計的準確性。 鼓勵學生參加“有限元分析” 相關的設計大賽，并應用于工程實踐中，比如運用有限元方法 對“大學生方程式賽車”的結構件進行強度分析，提高了學生的綜合素質[7]。 課程設計及作業可以分為課本習題作業和實際建模作業，考查學生對知識的理解和吸收方面雙管齊下。 紙質版的作業由教師統一布置，根據細則給予學生評分。有關模型建立方面學生可以上傳模型至交流區進行相互比較，相互批改，取長補短，最后由教師提出建議，指導和要求。

學校可以發揮校園網優勢構建教學平臺，充實并且共享教學資源。 網絡課程可以將教師們的想法和課件上傳到學校的資料庫中，實行取長補短，對教學經驗的累積有很大作用。例如，在Midas 軟件中的鋼束布置設計中，如何理論結合經驗，得出既安全又經濟的方案。學校也可以通過校企合作的方式，在網絡平臺組件試題庫，針對不學生生的不同疑惑，進行相對專業的，給學生提供在線答題和測試機會，使得學生可以更牢固地掌握專業知識，設計出更好的作品并給企業提出軟件使用方面的反饋和建議。

4 結語

綜上所述，MIDAS 軟件在橋梁工程課程網絡教學中的應用，將有限元軟件與網絡教學應用到建模計算中去，與傳統的手算方式相結合提高授課過程中學生對知識的吸收程度。 能夠將橋梁工程的結構的力學行為機理直觀地描述出來、 幫助學生更好的理解復雜結構荷載作用，并能鍛煉學生的創新能力。