基于上機(jī)實(shí)踐的橋梁電算課程教學(xué)改革研究

魯乃唯 王凱

摘 要：橋梁電算課程是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而興起的一門(mén)相對(duì)較新穎的課程，教學(xué)目的是熟練運(yùn)用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題，為完成橋梁工程畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。然而該課程的教學(xué)理念與工程實(shí)踐脫節(jié)，且方法不太成熟，導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算效率低、設(shè)計(jì)進(jìn)度慢、設(shè)計(jì)質(zhì)量差等問(wèn)題。本文總結(jié)分析橋梁電算課程教學(xué)過(guò)程中普遍存在的一些共性問(wèn)題，進(jìn)而從該課程的工程應(yīng)用角度解析課程的特點(diǎn)，最后從上機(jī)實(shí)踐角度審視橋梁電算教學(xué)改革的措施。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;橋梁電算;實(shí)踐教學(xué);有限元;計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：F319.56 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The course of bridge computing is a relatively new course with the development of computer technology.The purpose of the course is to skillfully analyze the complex mechanical problems of bridge structure with the finite element software，and to lay a foundation for the completion of the graduation design of bridge engineering.However，the teaching concept of this course is disconnected from engineering practice，and the method is not mature，which leads to the problems of low computational efficiency，slow design progress and poor design quality in the process of graduation design.This paper summarizes and analyzes some common problems in the course of bridge computer calculation teaching，and then analyzes the characteristics of the course from the perspective of engineering application，and finally examines the measures of bridge computer calculation teaching reform from the perspective of computer practice.

Key words：bridge engineering;bridge computation;practical education;finite element;computer

橋梁電算是橋梁工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，一般開(kāi)設(shè)于大四上學(xué)期。[1]該課程的主要目的是熟練運(yùn)用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題，為完成橋梁工程畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。目前，橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、材料種類多樣化的趨勢(shì)，對(duì)橋梁電算精度與效率的要求越來(lái)越高。[2]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元軟件的種類日益繁多，計(jì)算效率逐步提高，橋梁電算的作用能夠滿足不同類型的模擬與分析。在橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜化與計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的雙重現(xiàn)實(shí)條件下，橋梁電算的重要性日益凸顯。

由于橋梁電算是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而興起的一門(mén)相對(duì)較新穎的課程，該課程的教學(xué)體系尚未完善。[3]從作者近年來(lái)的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該課程的教學(xué)理念與社會(huì)脫節(jié)，且方法不太成熟，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。受該課程教學(xué)效果最直接的影響是橋梁工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算效率低、設(shè)計(jì)進(jìn)度慢、設(shè)計(jì)質(zhì)量差等問(wèn)題的主要原因。[4]在建設(shè)工程項(xiàng)目迫切需要橋梁電算技術(shù)，而高校對(duì)該課程的教學(xué)認(rèn)識(shí)與方法尚末完善的情況下，亟需研究課程教學(xué)改革措施。

本文總結(jié)分析橋梁電算課程教學(xué)過(guò)程中普遍存在的一些共性問(wèn)題，進(jìn)而從該課程的工程應(yīng)用角度解析課程的特點(diǎn)，最后從上機(jī)實(shí)踐角度審視橋梁電算教學(xué)改革的措施。

1 橋梁電算課程特色

橋梁電算是一門(mén)基于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與有限元理論的綜合性課程。一方面，需要以三大力學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于力學(xué)理論推導(dǎo)計(jì)算，并驗(yàn)證力學(xué)理論的正確性;另一方面，課程學(xué)習(xí)的最終目的是進(jìn)行有限元軟件操作與分析，在明白力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)之上，還應(yīng)能夠進(jìn)行電腦操作計(jì)算，達(dá)到精確與高效地完成結(jié)構(gòu)分析的目的。橋梁電算課程將力學(xué)知識(shí)與有限元理論進(jìn)行了有機(jī)整合，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，也達(dá)到了將前期的專業(yè)課知識(shí)夯實(shí)的目的。

橋梁電算也是一門(mén)考驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手編程能力的實(shí)踐性課程。[5]橋梁電算程序的實(shí)現(xiàn)很大程度依據(jù)于編程語(yǔ)言與有限元軟件的進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，編程語(yǔ)言較為豐富，如MATLAB、C語(yǔ)言、Fortrain語(yǔ)言、VB語(yǔ)言等，大大方便了電算程度的編制與計(jì)算。同時(shí)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了諸多商用的橋梁電算軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/CIVIL，以及國(guó)內(nèi)的橋梁博士等軟件。這些有限元分析軟件為橋梁電算課程的教學(xué)與實(shí)踐提供了有利條件。

綜合性與實(shí)踐性導(dǎo)致橋梁電算課程考核較為困難。因此該課程的實(shí)踐能力占據(jù)課程教學(xué)目的主要成份，傳統(tǒng)的考試與考查方式均不適于對(duì)該課程考核。若以傳統(tǒng)的筆試方式進(jìn)行考核，那么結(jié)構(gòu)計(jì)算需要大量的矩陣分解與乘除，一方面計(jì)算時(shí)間不允許，另一方面“手算”的考核方式完全沒(méi)有達(dá)到“電算”的目的。

2 傳統(tǒng)理論教學(xué)的主要問(wèn)題

傳統(tǒng)的橋梁電算課程是以理論教學(xué)為主，側(cè)重于講解二維、三維結(jié)構(gòu)的矩陣位移法，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)等方面的基本理論。根據(jù)作者在橋梁電算課程教學(xué)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將傳統(tǒng)理論教學(xué)所存在的問(wèn)題總結(jié)如下：

（1）總課時(shí)量少，且理論課占比高。在橋梁電算課時(shí)量較低的情況下，理論課時(shí)量占比較高，導(dǎo)致上機(jī)實(shí)踐量極不為足。以長(zhǎng)沙理工大學(xué)為例，橋梁電算課程的總課時(shí)量為32課時(shí)，其中理論課時(shí)占26個(gè)課時(shí)，上機(jī)課時(shí)量?jī)H6個(gè)課時(shí)。

（2）以教材內(nèi)容為主，工程實(shí)踐匱乏。橋梁電算課程主要用來(lái)分析并解決實(shí)際工程結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，也傳統(tǒng)的力學(xué)課等理論課的定位有所不同。因此，不能僅僅依靠教材內(nèi)容，還應(yīng)增加工程實(shí)踐內(nèi)容。另外，橋梁電算的教材并未統(tǒng)一，導(dǎo)致每個(gè)教師授課內(nèi)容不同，有些以有限元理論為主，有些則過(guò)多介紹工程問(wèn)題，而忽略了計(jì)算分析能力。

（3）過(guò)多依賴軟件，理論基礎(chǔ)不扎實(shí)。橋梁電算的基礎(chǔ)是三大力學(xué)，但過(guò)多強(qiáng)調(diào)力學(xué)基礎(chǔ)會(huì)導(dǎo)致課堂乏味，也會(huì)導(dǎo)致重復(fù)教學(xué)。另一個(gè)極端就是教學(xué)中過(guò)多依賴軟件，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)計(jì)算原理不清楚，對(duì)計(jì)算結(jié)果正確與否無(wú)把握。

3 基于上機(jī)實(shí)踐的改革措施

根據(jù)橋梁電算教學(xué)目的，將前期所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)，如三大力學(xué)、土木工程材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課題，綜合應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。而聯(lián)系理論基礎(chǔ)與工程問(wèn)題的紐帶即為有限元建模與分析。然而，有限元的建模與計(jì)算分析是無(wú)法在常規(guī)課堂上所教授，而應(yīng)在計(jì)算機(jī)教室開(kāi)展。因此，基于上機(jī)實(shí)踐的橋梁電算授課理念有望解決傳統(tǒng)教學(xué)在實(shí)踐應(yīng)用方面的問(wèn)題。

橋梁電算上機(jī)實(shí)踐不僅僅是學(xué)習(xí)橋梁計(jì)算軟件，如MIDAS、ANSYS等，而是基于計(jì)算理論推導(dǎo)有限元模型，從而驗(yàn)證計(jì)算理論。因此，基于上機(jī)實(shí)踐的橋梁電算教學(xué)改革措施主要包含以下向個(gè)方面：首先，明確結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，比如二維桿單元的剛度矩陣及內(nèi)力求解方法，采用理論方法計(jì)算結(jié)果;其次，掌握有限元建模的基本步驟，關(guān)鍵在于明確每個(gè)操作步驟所對(duì)應(yīng)的理論依據(jù);再次，采用電算方式計(jì)算結(jié)果，并與手算方法進(jìn)行對(duì)比;最后，改變結(jié)構(gòu)電算參數(shù)，明確結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。采用上述教學(xué)方法不僅可讓學(xué)生明確理論知識(shí)，更加強(qiáng)調(diào)了動(dòng)手操作的能力，而且通過(guò)參數(shù)修改了解每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的內(nèi)在影響。在長(zhǎng)沙理工大學(xué)的橋梁電算課程中，增加了3項(xiàng)上機(jī)專題教學(xué)課程：“用梁格法對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋建模分析”、“用FCM建模助手做剛構(gòu)橋梁施工階段分析”、“PSC與RC梁的設(shè)計(jì)驗(yàn)算”。通過(guò)上述3個(gè)專題實(shí)踐使學(xué)生對(duì)電算知識(shí)有著由淺至深的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也實(shí)際工程項(xiàng)目的虛擬模型化分析有個(gè)初步認(rèn)識(shí)。

橋梁電算的上機(jī)實(shí)踐課程是對(duì)理論教學(xué)的補(bǔ)充和提升，使得學(xué)生真正理解到理論知識(shí)點(diǎn)是如何應(yīng)用到工程實(shí)踐中的，引導(dǎo)學(xué)生走出課本，走向工程應(yīng)用。事實(shí)上，橋梁電算的理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐教學(xué)是相輔相成的，在上機(jī)實(shí)踐中不僅要懂如何操作計(jì)算軟件，更要明白計(jì)算軟件參數(shù)是如何通過(guò)計(jì)算理論來(lái)影響計(jì)算結(jié)果的。在目前的教學(xué)側(cè)重于理論教學(xué)的現(xiàn)實(shí)情況下，有必要加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐在課程教學(xué)中的比重。

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基金項(xiàng)目：長(zhǎng)沙理工大學(xué)2019年教研教改項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：魯乃唯（1987-），河南人，博士，講師，從事橋梁工程結(jié)構(gòu)分析研究。