“土木工程材料”課程中實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法研究

［摘 要］ 實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法可以加深學(xué)生對理論的理解，提高學(xué)生的實踐和科研能力。為研究實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法在“土木工程材料”課程中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生對實驗結(jié)果和理論的分析能力為目的，提出虛擬實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理和完善實驗報告等教學(xué)要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)方法的具體內(nèi)容。

［關(guān)鍵詞］ 土木工程材料；實驗；數(shù)值模擬

［基金項目］ 2022年度國家自然科學(xué)基金“基于三維損傷累積機理的高強鋼對接焊接接頭超低周疲勞性能研究”（52208138）

［作者簡介］ 王苑佐（1994—），男，山西臨汾人，博士，北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，主要從事土木工程材料與鋼結(jié)構(gòu)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0146-05 ［收稿日期］ 2023-11-10

引言

“土木工程材料”課程在土木工程專業(yè)中具有至關(guān)重要的地位。這門課程旨在教授各種土木工程材料（如混凝土、鋼材和木材等）的性能、特性以及在實際工程中的應(yīng)用（如圖1所示）。對于土木工程專業(yè)的學(xué)生來說，深刻理解這些材料的行為和性能至關(guān)重要，因為他們未來將面臨各種不同類型的工程項目，要求他們正確選擇和使用材料以確保工程的安全性、耐久性和可靠性［1］。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料科學(xué)和工程在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用也變得越來越廣泛。“土木工程材料”課程的教學(xué)方法必須不斷創(chuàng)新和改進［2-4］。傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常側(cè)重于理論知識的傳授，通過課堂講授、教材閱讀和小組討論等方式向?qū)W生傳遞知識。盡管這些教學(xué)方法能幫助學(xué)生理解材料的基本概念和理論原理，但不能有效滿足學(xué)生對材料行為和性能有更深入理解的期望。成功的“土木工程材料”課程不僅要教會學(xué)生理論知識，還需要培養(yǎng)他們的實際工程應(yīng)用和研究能力［5］。因此，我們需要尋求創(chuàng)新的教學(xué)方法，以更好地滿足學(xué)生的需求，從而幫助他們更好地準(zhǔn)備面向未來的土木工程挑戰(zhàn)［6］。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，我們有了更多的機會來探索新的教學(xué)方法，以更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求［7-8］。實驗和數(shù)值模擬是兩種互補的方法，實驗通過真實的材料樣本和測試設(shè)備來獲取數(shù)據(jù)，而數(shù)值模擬則使用數(shù)學(xué)模型來模擬材料的行為［9］。將這兩種方法結(jié)合起來，可以為學(xué)生提供更全面、深入的理解［10］。將實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法在“土木工程材料”課程教學(xué)中具有巨大的潛力，可以幫助學(xué)生更好地理解材料的行為，從而為他們的未來職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

本文旨在研究“土木工程材料”課程中實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法的有效性，并探討如何將實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法應(yīng)用于“土木工程材料”課程的教學(xué)中。為加深學(xué)生對實驗結(jié)果的理解，提高學(xué)生理論分析能力，培養(yǎng)學(xué)生計算和模型建立技能。通過在實驗課中引入數(shù)值模擬的教學(xué)方法，提出虛擬實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理和完善實驗報告等教學(xué)要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)方法的具體內(nèi)容。

一、實驗與數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)的目的和要點

（一）在實驗課程中引入數(shù)值模擬方法的目的

1.加深學(xué)生對實驗結(jié)果的理解。實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合可以提供更深入的理解。實驗提供了真實數(shù)據(jù)和觀察，而數(shù)值模擬允許學(xué)生探索不同條件下的材料行為，從而獲得更全面的知識。將實驗與數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法能夠幫助學(xué)生把抽象的理論知識與實際的工程問題相結(jié)合［11］。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)通常關(guān)注實驗數(shù)據(jù)的收集和結(jié)果的觀察，而數(shù)值模擬則通過計算和模擬來呈現(xiàn)材料行為。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中實際模擬材料的性能，從而更深入地理解理論公式和原理的應(yīng)用。這種結(jié)合有助于學(xué)生建立直觀的聯(lián)系，提高他們的理解和記憶。

2.提高學(xué)生理論分析能力。將實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的教學(xué)方法培養(yǎng)了學(xué)生的定量分析能力。學(xué)生需要學(xué)習(xí)如何處理實驗數(shù)據(jù)，并將其輸入數(shù)值模擬軟件中進行比較和分析［12］。通過比較實驗結(jié)果和模擬結(jié)果，學(xué)生能夠更全面地了解材料行為的特點。這有助于他們將數(shù)據(jù)定量化，從而更好地評估材料的性能和行為［13］。

3.節(jié)約成本和資源。實驗通常需要昂貴的實驗設(shè)備和材料。通過數(shù)值模擬，學(xué)生可以多次進行模擬實驗，探索不同參數(shù)的影響，而無須額外的物資和設(shè)備支持，避免了高額的實驗成本。這有助于高校更有效地分配資源。

4.拓展實驗范圍，通過數(shù)值模擬。學(xué)生可以模擬各種不同條件下的實驗，包括極端條件或難以復(fù)制的情況，從而拓展了實驗的范圍和深度［14］。結(jié)合實驗和數(shù)值模擬的教學(xué)方法可以涵蓋各種不同材料和情境。學(xué)生可以模擬不同材料的行為，包括混凝土、鋼材、木材、土壤和復(fù)合材料等。這種多樣性的案例研究幫助學(xué)生了解不同材料的特性和應(yīng)用。

5.培養(yǎng)計算和模型建立技能。數(shù)值模擬通常需要學(xué)生編寫代碼或使用模擬軟件來執(zhí)行計算和分析。這有助于提高學(xué)生的計算和編程技能，這在現(xiàn)代工程實踐和科學(xué)研究中非常重要。

（二）實驗與數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)要點

1.實驗數(shù)據(jù)驗證：在進行數(shù)值模擬之前，學(xué)生應(yīng)首先進行實驗以獲取真實數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于驗證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。

2.數(shù)值模擬參數(shù)調(diào)整：學(xué)生可以使用數(shù)值模擬來探索不同參數(shù)對材料性能的影響。通過調(diào)整模型中的參數(shù)，他們可以預(yù)測不同條件下的材料行為，并進行比較和分析。

3.虛擬實驗設(shè)計：學(xué)生可以使用數(shù)值模擬來設(shè)計虛擬實驗，模擬各種工程情境下的材料行為。這有助于他們理解材料在不同環(huán)境中的表現(xiàn)，從而優(yōu)化工程設(shè)計。

4.完善實驗報告：學(xué)生應(yīng)將實驗和數(shù)值模擬的結(jié)果結(jié)合在實驗報告中，從而提供更全面的分析和結(jié)論。這有助于學(xué)生將兩者相互關(guān)聯(lián)，從而形成更深刻的理解。

5.課程項目和研究：將實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法也可以應(yīng)用于課程項目和研究項目中。學(xué)生可以選擇特定的材料或工況，結(jié)合實驗和數(shù)值模擬來進行深入的研究，從而提升他們的研究能力。

二、實驗與數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)內(nèi)容及實例

（一）實驗與數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)內(nèi)容

1.數(shù)值模擬方法教學(xué)。數(shù)值模擬軟件可根據(jù)高校的軟件使用權(quán)和實驗類型進行選擇。通過指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)值模擬軟件，重點教學(xué)數(shù)值模擬軟件中材料性能的設(shè)置方法，引導(dǎo)學(xué)生回顧各個材性指標(biāo)的物理意義以及實驗標(biāo)定方法。

2.實驗教學(xué)和預(yù)模擬教學(xué)工作。指導(dǎo)學(xué)生操作儀器和設(shè)備，以測試和測量不同材料的物理和力學(xué)性質(zhì)。這些實驗可以包括拉伸、壓縮、彎曲、沖擊和疲勞等測試。指導(dǎo)學(xué)生開展預(yù)模擬工作，用以指導(dǎo)實驗設(shè)計。

3.數(shù)值模擬及擴展研究教學(xué)。學(xué)生自主處理實驗數(shù)據(jù)，并標(biāo)定數(shù)值模擬中所需的材性。學(xué)生自主模擬實驗，教師引導(dǎo)學(xué)生通過模擬案例研究來理解材料行為。作為擴展研究，學(xué)生可以進一步利用數(shù)值模擬軟件來開展參數(shù)分析工作，模擬不同條件下材料的力學(xué)行為。

4.數(shù)值模擬結(jié)果分析教學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生在理論層面闡述模擬結(jié)果的能力。學(xué)生自主對比模擬與實驗結(jié)果，說明其中的差異并給出解釋，從而幫助學(xué)生加深對材料行為的理解。教師在這一過程中要重視對學(xué)生科研思維的培養(yǎng)。

（二）實例：鋼材單調(diào)拉伸實驗

鋼材單調(diào)拉伸實驗是工程材料力學(xué)性質(zhì)研究的關(guān)鍵實驗之一。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法通常包括學(xué)生進行實驗操作，測量應(yīng)力—應(yīng)變曲線并獲取實驗數(shù)據(jù)。結(jié)合數(shù)值模擬方法，可以培養(yǎng)學(xué)生深入理解材料行為的能力。

1.實驗前準(zhǔn)備。（1）向?qū)W生展示鋼廠出具的鋼材檢測證書，引導(dǎo)學(xué)生回顧相關(guān)概念，介紹實驗鋼材的基本材性，包括屈服強度、拉伸強度和伸長率等。（2）向?qū)W生介紹實驗設(shè)備，包括拉伸實驗機、試樣夾具、引伸計和位移計等。介紹引伸計和位移計的功能和適用范圍。介紹當(dāng)前更先進的數(shù)字圖像相關(guān)監(jiān)測技術(shù)，可以無接觸監(jiān)測試件表面的變形情況，如圖2所示。（3）指導(dǎo)學(xué)生查閱GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸實驗第1部分：室溫實驗方法》等相關(guān)規(guī)范性文件，自主設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，確保它們的尺寸和幾何形狀符合實驗標(biāo)準(zhǔn)且與實驗設(shè)備匹配。根據(jù)鋼材檢測證書中的基本材性數(shù)據(jù)，在有限元軟件中開展預(yù)模擬工作，預(yù)估實驗中試件的承載力和變形情況。（4）指導(dǎo)學(xué)生在預(yù)模擬過程中理解和分析鋼材拉伸實驗中常見的頸縮現(xiàn)象（圖3）。學(xué)生自主分析頸縮后試件承載力的變化、試件頸縮區(qū)域的變形情況等。（5）指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗安全指導(dǎo)書。學(xué)生在實驗開始前，應(yīng)接受必要的安全培訓(xùn)和操作指導(dǎo)。

2.實驗流程。（1）學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書的步驟，在拉伸實驗機上安裝試樣；（2）學(xué)生調(diào)整實驗機的設(shè)置，包括加載速率和實驗結(jié)束條件；（3）學(xué)生開始拉伸實驗，并在實驗過程中記錄實時數(shù)據(jù)，包括載荷和試樣的伸長量；（4）實驗結(jié)束后，學(xué)生停止實驗機，并記錄試樣的斷裂位置和外觀特征。設(shè)備條件滿足的情況下，可以使用電鏡掃描試件斷面，觀察斷面特征，如圖4所示。

3.數(shù)據(jù)分析（1）學(xué)生收集實驗數(shù)據(jù)，包括載荷—伸長曲線、屈服強度、拉伸強度和伸長率等；（2）學(xué)生計算機工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并針對試件的頸縮，基于塑性體積不變等原理計算得到真實應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€（圖5）；（3）學(xué)生計算和討論關(guān)鍵參數(shù)，以評估材料的性能。

4.數(shù)值模擬。（1）指導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)值模擬軟件（如ABAQUS、ANSYS等）。創(chuàng)建拉伸實驗的數(shù)值模型，包括定義試樣幾何、加載條件等；（2）在材性定義中，指導(dǎo)學(xué)生明確彈性模量、真實應(yīng)力—應(yīng)變的概念和輸入方法；（3）學(xué)生記錄并分析模擬結(jié)果，包括荷載—位移曲線、屈服點和峰值承載力等；（4）指導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)值模擬手段繼續(xù)開展擴展研究。模擬并研究不同條件下材料的力學(xué)行為或在構(gòu)件層面研究材料性能對構(gòu)件力學(xué)性能的影響（圖6）。

5.研究報告。（1）學(xué)生自主對比實驗和數(shù)值模擬的結(jié)果，討論模擬與實際之間的差異，并分析其原因，如材料模型的準(zhǔn)確性、試樣尺寸和加載條件的影響；（2）學(xué)生自主探討模擬結(jié)果的敏感性，在數(shù)值模擬環(huán)節(jié)中擴展研究，研究材料性質(zhì)參數(shù)和荷載工況對結(jié)果的影響。

6.結(jié)果評價。（1）學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果和數(shù)值模擬的分析撰寫實驗報告和模擬結(jié)果分析報告；（2）教師評估學(xué)生的實驗技能、數(shù)據(jù)分析能力以及對材料行為的理解，這可以通過報告的質(zhì)量和學(xué)生的參與程度來評估，具體評價項目和細(xì)則見表1。此外，教師還可以鼓勵學(xué)生之間的互評和自評，以促進學(xué)生的自我反思和學(xué)習(xí)成長。

結(jié)語

傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常側(cè)重于理論知識的傳授，通過課堂講授、教材閱讀和小組討論等方式向?qū)W生傳遞知識。盡管這些方法對于理解材料的基本概念和理論原理非常有效，但它們往往無法滿足學(xué)生對于材料行為和性能更深入理解的期望。

本文明確了在實驗課中引入數(shù)值模擬教學(xué)方法的目的，提出虛擬實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)處理和完善實驗報告等教學(xué)要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數(shù)值模擬結(jié)合教學(xué)方法的具體內(nèi)容。本文提出的實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更全面地理解土木工程材料的性能和行為。這種綜合方法不僅加強了學(xué)生的實驗技能和數(shù)據(jù)分析能力，還培養(yǎng)了他們的模型建立和問題解決能力，為學(xué)生未來的土木工程職業(yè)發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。同時，學(xué)生通過編寫詳細(xì)的實驗報告，能夠?qū)嶒灪蛿?shù)值模擬相結(jié)合，從而對課堂知識形成更深刻的理解，培養(yǎng)了他們的學(xué)術(shù)研究能力與工程應(yīng)用能力。

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Investigation of Integrated Teaching Methods Combining Experiments and Numerical Simulation in

Civil Engineering Materials Course

WANG Yuan-zuo

（College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Incorporating a teaching approach that combines experiments and numerical simulations can deepen students’ understanding of theory and enhance their practical and research skills. To investigate the application of the combined teaching method of experiments and numerical simulations in the civil engineering materials course， this paper delineates the objectives of enhancing students’ analytical capabilities regarding experimental results and theory. and outlines key aspects of teaching， including virtual experiment design， experimental data processing， and improving experimental reports. Taking the example of a tensile test on steel materials， it elaborates on the specific contents of the teaching method that combines experiments and numerical simulations， encompassing experimental design， data processing， numerical simulation， and the preparation of experimental reports.

Key words： civil engineering materials; test; simulation