探討建立土木工程模擬實驗的教學(xué)模式

馬蕓

摘 要：本文的主要研究方向是將工程的實例模型數(shù)據(jù)庫與計算機模擬實驗有機結(jié)合，從而形成一套新的適用于土工工程教師的教學(xué)模式，在此基礎(chǔ)上簡要分析了相比起傳統(tǒng)的教學(xué)模式此新型模式的主要優(yōu)勢，分析了此教學(xué)模式在教學(xué)過程中的可行性以及具體操作方法。該教學(xué)模式是在傳統(tǒng)的教學(xué)方法上發(fā)展與創(chuàng)新，根據(jù)相關(guān)實踐證明，該教學(xué)模式有很重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：土工工程；模擬實驗；教學(xué)模式

土木工程（civil engineering）是一門在理論知識以及實踐結(jié)合上非常強的學(xué)科，其中還包括了二級的學(xué)科內(nèi)容[1]。隨著我國教育制度的不斷變革和發(fā)展，土木工程的相關(guān)案例也被逐漸設(shè)置到課本基礎(chǔ)內(nèi)容知識當中去。但是，對于土木工程的具體案例仍然講述的不是特別清楚，學(xué)生對于部分知識的理解不容易掌握，因此，應(yīng)該結(jié)合相關(guān)實踐進行深度的理解。

1 土木工程實驗教學(xué)的缺點

1.時間以及空間的環(huán)境受限

由于土木工程的實驗需要的時間比較長，對于相關(guān)周期的記錄也比較長，因為只有長時間的觀察以及記錄才能得到更精確的實驗結(jié)果，然而學(xué)生的學(xué)習(xí)時間有限，因此，導(dǎo)致實驗時間難以得到滿足。舉例來說，如果土木工程的教師想要給學(xué)生展示一棟建筑的建造過程，那么它的施工時間大概要一年左右，因此，想要給學(xué)生帶來深刻的現(xiàn)場感受那是不太現(xiàn)實的。土木工程的項目一般來說，都是體積比較巨大，耗時比較長久的一個項目，在進行相關(guān)實踐的過程中具有非常大的困難以及復(fù)雜性，所以如果將實驗安排在普通的實驗室里，那么其空間受到了限制，對于實驗的順利進行帶來了一定的阻礙。舉例來說，精力載荷實驗以及動力觸探實驗等就不能順利的進行。

2.部分實驗可見性比較差

由于有些實驗的可見性比較差，因此導(dǎo)致土木工程的學(xué)生不能仔細地觀察到其中的變化以及具體的作用機理[2]。舉例來說，對不同的建筑材料進行加載受力的講解時，由于受到各種惡劣的環(huán)境（高溫以及高腐蝕）影響，對于其循環(huán)作用下的內(nèi)部基礎(chǔ)功能的結(jié)構(gòu)變化，土木工程的學(xué)生很難通過常規(guī)的實驗來進行深度的掌握和了解。

3.部分實驗比較危險

由于部分實驗比較危險，所以導(dǎo)致土木工程的學(xué)生不容易觀察。舉例來說，在高層房屋的基本框架之下，地震作用的情況時，爆破的工作中，需要了解房屋的結(jié)構(gòu)以及承載能力的極限狀態(tài)，還要清楚掌握該結(jié)構(gòu)的部分元件的支撐極限狀態(tài)。上述所說種種，很難通過一般的常規(guī)實驗來說明，再讓土木工程的學(xué)生進行仔細的研究。

2 土木工程計算機模擬實驗

由于傳統(tǒng)的常規(guī)實驗很難對土木工程專業(yè)的學(xué)生起到比較大的作用，所以把計算機的技術(shù)應(yīng)用于模擬實驗當中。因此，需要開發(fā)一個典型的工程案例的計算機模型數(shù)據(jù)庫以及全集成的計算機軟件分析系統(tǒng)。該模擬實驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)對各種教學(xué)要求的科學(xué)編輯和調(diào)試[3]，另外，還可以實現(xiàn)對實際物體與具有物體之間的力學(xué)性質(zhì)的換算，可以由計算機計算其模擬產(chǎn)生的作用和效果，從而能夠更加科學(xué)的展示在土木工程專業(yè)的學(xué)生和教師面前[4]。其主要的操作步驟是：首先，選擇計算機實例數(shù)據(jù)庫中的具體實例，建立好符合現(xiàn)實需要的模擬實驗的環(huán)境；其次，對虛擬的環(huán)境在材料方面，結(jié)構(gòu)特征方面以及力學(xué)數(shù)據(jù)方面進行與現(xiàn)實需要的數(shù)據(jù)參數(shù)進行科學(xué)合理的對比；最后，輸入相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，，將力、線壓力以及位移等初始數(shù)據(jù)在主程序前面預(yù)先設(shè)置定義好，再通過相關(guān)實驗對其進行數(shù)據(jù)值的設(shè)置。在接下來的虛擬實驗過程中，可以采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓該實驗組的學(xué)生以及教師資源與信息充分交流，該實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生與教師在參與實驗的過程中對相關(guān)方案的設(shè)計、參數(shù)的設(shè)置等全程參與，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)土木工程的興趣以及自信心。

3 工程的實例模型數(shù)據(jù)庫與計算機模擬實驗有機結(jié)合

首先，在工程的實例模型數(shù)據(jù)庫中選取與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實例作為歷史背景，對于相關(guān)案例的選擇應(yīng)該要有代表性和綜合性，因此，土木工程的學(xué)生在日常的教學(xué)環(huán)境中比較難以順利進行。其次，在分析如何選取工程實例以及教師教學(xué)所要達到的相關(guān)目標之后，設(shè)置計算機模擬的實驗參數(shù)，再實現(xiàn)計算機模型的數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)要求對計算機模型的參數(shù)進行技術(shù)檢測。最后，通過學(xué)生與教師之間的交流與溝通，從而以報告和練習(xí)的模式，讓學(xué)生能夠從中提煉出精煉的土木工程知識，提高土木工程專業(yè)學(xué)生的理性認識。對于上述實驗的步驟應(yīng)該通過以下幾個階段來實現(xiàn)：其一，設(shè)計相關(guān)的土木工程環(huán)境階段；其二，分析操作的階段；其三，提煉知識階段；其四，應(yīng)用以及研究的階段。在設(shè)計相關(guān)的土木工程環(huán)境階段，以某明珠塔所示，教師應(yīng)該運行相關(guān)模擬實驗的軟件，在選擇數(shù)據(jù)庫的經(jīng)典案例時應(yīng)該以符合實際情況的塔形結(jié)構(gòu)模式作為研究對象之一，與此同時還應(yīng)該選擇抗震有關(guān)的實驗程序。在分析操作的階段，可以根據(jù)實際情況，對于預(yù)先程序上的說明應(yīng)該定義好相關(guān)類型的初值設(shè)置。舉例來說，地下水的埋深。對于其結(jié)構(gòu)的高度以及類型方面，是一些基本的試驗?zāi)Ｐ?，對于該模型中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)要進行仔細的分析。該分析軟件會根據(jù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動分析出各個元件之間的性能。在提煉知識階段，土木工程的學(xué)生可以通過模擬實驗來來掌握該結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，利用軟件來分析該結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模式，從而能夠總結(jié)出地震的方式以及結(jié)構(gòu)的影響和作用。在應(yīng)用以及研究的階段，對于具體的房屋結(jié)構(gòu)，教師應(yīng)該積極主動地引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相關(guān)實驗來進行設(shè)計[5]。

4 新的教學(xué)方式的優(yōu)點

一方面，土木工程實例的運用，能夠讓學(xué)生充分的了解到所學(xué)的知識在實際工程中的應(yīng)用價值，從而讓學(xué)生能夠更加方便的掌握相關(guān)知識。另外，以土木工程實例為背景的教學(xué)模式，能夠根據(jù)土木工程學(xué)生的整個工程的設(shè)計過程，從而能夠讓學(xué)生進一步的參與建設(shè)。另外一方面，模擬實驗?zāi)軌蜃畲笙薅鹊臄U大學(xué)生的視野，讓學(xué)生能夠有更多的機會參與建設(shè)那些在一般實驗下難以實現(xiàn)的土木工程項目。

5 結(jié)束語

綜上所述：通過不斷建立以及不斷完善土木工程教學(xué)內(nèi)容中所需要的相關(guān)資料以及參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上遵循理論知識與實踐相結(jié)合的基本原則，從而科學(xué)合理的建設(shè)工程實例的教學(xué)數(shù)據(jù)庫。除此之外，在建立相關(guān)工程數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上能夠生動地還原再現(xiàn)土木工程的具體案例，還能夠相應(yīng)地完成對于土木工程模擬實驗以及相關(guān)教學(xué)任務(wù)和內(nèi)容的計算機虛擬模型。從而能夠更加科學(xué)合理的建設(shè)使用功能強大以及操作比較簡單、靈活的計算機教學(xué)平臺，方便土工工程的老師與學(xué)習(xí)土木工程的學(xué)生能夠更加高效率的教學(xué)與學(xué)習(xí)。

參考文獻

[1] 朱惠斌 Zhu Huibin，Li Guicai. 周海鷹，陳廷國，李立新. Test and Numerical Analysis on Performance of Reinforced Concrete Segment in Subway Tunnel[J]. Transactions of Tianjin University. 2014，11（02）：124

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[5] 王寶民，趙麗妍，陳廷國. 基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的“建筑材料”課程研究性教學(xué)方法探索[J]. 中國校外教育. 2013，10（S2） ：324