基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法

郭浩森 朱金養(yǎng)

摘要 工程地質(zhì)課程是土木工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)理論課。由于工程地質(zhì)課程中包括大量抽象概念、涉及較多力學(xué)知識點，學(xué)習(xí)難度較大，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣缺乏。文章基于FLAC3D有限元計算軟件，提出了基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法，并基于教學(xué)案例展示，介紹了工程地質(zhì)課程計算可視化教學(xué)的核心思想和實現(xiàn)流程。通過將數(shù)值仿真計算與傳統(tǒng)工程地質(zhì)課程教學(xué)相融合，使得各類概念理論不再抽象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程反饋表明，基于計算可視化的教學(xué)方法是提高工程地質(zhì)課程教學(xué)效果的有效手段。

關(guān)鍵詞 工程地質(zhì)；教學(xué)改革；計算可視化

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.031

工程地質(zhì)學(xué)是近代發(fā)展起來的一門學(xué)科，是地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科。在高等院校土木、采礦、鐵道等專業(yè)，常開設(shè)工程地質(zhì)課程教授學(xué)生工程地質(zhì)學(xué)的基本知識和理論。在工程實踐中，設(shè)計師和建造師需要勘察工程地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)對工程不利的不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而為工程建設(shè)活動安全經(jīng)濟地開展提供地質(zhì)依據(jù)，這些目標(biāo)的實現(xiàn)都依賴于設(shè)計師和建造師熟練掌握工程地質(zhì)學(xué)的基本知識理論。工程地質(zhì)課程教學(xué)內(nèi)容范圍廣，包括巖土的工程性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)作用等知識點。就筆者所教授的土木工程專業(yè)而言，崩塌、滑坡、泥石流和巖溶等地質(zhì)災(zāi)害防治是工程安全保障工作的重點工作，而掌握各類地質(zhì)作用的成因、影響因素是提出合理防治措施的基礎(chǔ)。由此可見，理解與掌握工程地質(zhì)知識關(guān)系到參加工作后能否勝任設(shè)計、管理、施工等一系列工作，工程地質(zhì)課程學(xué)習(xí)的重要性不言而喻。

工程地質(zhì)課程教學(xué)內(nèi)容多且復(fù)雜，課程內(nèi)容相對抽象，采用更好的教學(xué)方法提升教學(xué)效果一直是工程地質(zhì)課程教學(xué)改革研究的熱點問題。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者開展了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果，如將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于工程地質(zhì)課程中，開展教學(xué)設(shè)計，構(gòu)建考核與評價體系[1]；將微課、對分課堂引入工程地質(zhì)課程中，使得枯燥的教學(xué)內(nèi)容更加形象直觀，促進互動，鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)能力[2]；基于地域特色設(shè)置不同的培養(yǎng)體系，構(gòu)建復(fù)合型人才培養(yǎng)體系[3]；結(jié)合教學(xué)改革實踐，提出創(chuàng)新教學(xué)模式，利用信息化平臺，創(chuàng)新教學(xué)手段[4]；將PBL教學(xué)模式引入工程地質(zhì)課程，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量[5]。目前開展的工程地質(zhì)課程教學(xué)改革研究為提升教學(xué)質(zhì)量提供了極大的助推力，為解決工程地質(zhì)課程的一些教學(xué)難點提供了思路。然而，隨著學(xué)科的發(fā)展以及教學(xué)環(huán)境的改變，工程地質(zhì)課程教學(xué)面臨許多新的挑戰(zhàn)，尚存在許多問題亟待解決。

數(shù)值仿真分析是一種虛擬研究技術(shù)，通過數(shù)值計算再現(xiàn)已知現(xiàn)象，借助數(shù)值仿真分析能夠加深學(xué)生對相關(guān)試驗的理解[6]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，數(shù)值仿真分析相關(guān)技術(shù)越發(fā)成熟，涌現(xiàn)了許多入手門檻低、操作人性化、功能強大的分析軟件。已有許多教改科研人員將數(shù)值仿真分析引入材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程[7-8]，但將數(shù)值仿真分析融入工程地質(zhì)課程的研究有待開展。為此，筆者將數(shù)值仿真分析引入工程地質(zhì)課程的教學(xué)中，通過數(shù)值計算再現(xiàn)工程地質(zhì)課程中的各類力學(xué)實驗，將抽象概念、理論可視化。

1工程地質(zhì)課程教學(xué)中存在的主要問題

1.1傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)內(nèi)容抽象化

工程地質(zhì)課程涉及土的工程性質(zhì)、巖石的工程性質(zhì)等教學(xué)內(nèi)容，還包括崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、地震等地質(zhì)作用的成因、發(fā)生條件及防治措施的教學(xué)。上述知識點涉及的力學(xué)知識較多，且難以開展實體展示教學(xué)，教師在講授上述知識點時，往往只能采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，由于教學(xué)內(nèi)容的抽象化，枯燥而又難以理解的名詞概念使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，難以達到預(yù)期的教學(xué)目的。

1.2忽視學(xué)生動手能力和思維能力的培養(yǎng)

工程地質(zhì)課程設(shè)置有野外實習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)，希望通過野外實習(xí)來加強學(xué)生對各類工程地質(zhì)現(xiàn)象的直觀感受，幫助學(xué)生理解抽象概念。但是，野外實習(xí)需要消耗較多的經(jīng)費，且實習(xí)時間十分有限，目前的工程地質(zhì)課程野外實習(xí)多表現(xiàn)為“教師前面跑，學(xué)生后面跟”“教師前面講，學(xué)生后面記”，整個過程中學(xué)生更像是一個旁觀者[9]，參與感不足，沒有機會與時間留給學(xué)生觀察與思考。這種走馬觀花式的野外實習(xí)，學(xué)生很難有真正的收獲，學(xué)生易對工程地質(zhì)課程產(chǎn)生排斥心理。

2基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法的核心思想

基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法就是將數(shù)值仿真融合到傳統(tǒng)的工程地質(zhì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用數(shù)值計算得到的可視化計算結(jié)果幫助學(xué)生更好地理解工程地質(zhì)名詞概念及理論。傳統(tǒng)的工程地質(zhì)課程教學(xué)可以概括為三個步驟：①講授式教學(xué)，學(xué)習(xí)工程地質(zhì)的各類名詞概念；②開展現(xiàn)場實驗教學(xué)與野外實習(xí)幫助學(xué)生理解抽象概念；③工程地質(zhì)勘察案例講解與分析。從上述分析中可見，目前工程地質(zhì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中的實驗現(xiàn)場教學(xué)、野外實習(xí)等演示性教學(xué)方法并不能很好地幫助學(xué)生理解抽象概念，且試驗的開展、野外實習(xí)的進行耗費大量經(jīng)費與時間，投入與回報并不成正比。將數(shù)值仿真分析引入工程地質(zhì)課程教學(xué)中或能解決上述難題。數(shù)值仿真分析可以通過數(shù)值計算再現(xiàn)已知現(xiàn)象，將部分實驗教學(xué)與野外實習(xí)的教學(xué)課時用于基礎(chǔ)理論數(shù)值仿真實驗教學(xué)，將抽象的力學(xué)現(xiàn)象較直觀地展示出來，實現(xiàn)可視化，以加深學(xué)生對相關(guān)實驗的理解。且開展數(shù)值仿真實驗教學(xué)的成本較低，僅需要性能一般的計算機即可，在有效利用課時的同時也能夠節(jié)約部分教學(xué)經(jīng)費。

FLAC3D軟件是巖土領(lǐng)域常用的有限元計算軟件，筆者借助FLAC3D有限元計算軟件，將各類工程地質(zhì)課程需開展的實驗、案例分析在FLAC3D中實現(xiàn)。將數(shù)值仿真引入后，概括為以下四個步驟：①工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)概念理論的學(xué)習(xí)；②基礎(chǔ)理論實驗教學(xué)與基礎(chǔ)理論數(shù)值仿真實驗教學(xué)；③工程地質(zhì)野外實習(xí)與工程地質(zhì)作用案例數(shù)值仿真教學(xué)；④工程地質(zhì)勘察案例講解與分析。FLAC3D有限元計算軟件采用命令流的交互方式，這種基于命令流的交互方式，使得教師可以將數(shù)值仿真實驗完整的操作命令編寫在TXT文件中，學(xué)生只需在安裝有FLAC3D軟件的計算機中一鍵運用TXT文件，即可還原整個數(shù)值仿真實驗過程，且可以多次反復(fù)展示，這使得每一位學(xué)生都可以利用這一平臺幫助學(xué)習(xí)工程地質(zhì)課程。不同于物理實驗，在FLAC3D軟件操作命令流中更改材料屬性參數(shù)，即可做到不同材料條件下的同一實驗?zāi)M分析，具有較好的可拓展性。在FLAC3D操作命令流中做好注釋工作，并講授部分FLAC3D軟件的基本操作知識，學(xué)生可以自行改寫操作命令流，實現(xiàn)不同材料的實驗?zāi)M分析，自主學(xué)習(xí)。

3計算可視化教學(xué)方法的典型案例

在工程地質(zhì)課程中，巖石的主要力學(xué)性質(zhì)（如巖石的變形、巖石的強度、巖石的破壞機理等）與地質(zhì)作用中的滑坡現(xiàn)象是課程的重要知識點。在以往的教學(xué)中，巖石單軸壓縮實驗屈服區(qū)、滑坡現(xiàn)象中邊坡滑動面是教學(xué)難點，本文將這兩個知識點為例，展示工程地質(zhì)課程計算可視化教學(xué)的實現(xiàn)過程。

3.1單軸壓縮實驗巖石屈服的計算可視化教學(xué)實現(xiàn)方法

巖石試件在單軸壓縮荷載作用下產(chǎn)生變形的全過程可分為四個階段，分別為孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段和破裂后階段。在非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，巖石開始從彈性變形進入塑形變形，部分巖石表現(xiàn)為塑形屈服，微裂隙的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至試件完全破壞。巖石屈服破壞是圍巖失穩(wěn)破壞的重要因素，在工程地質(zhì)課程中通常需要學(xué)生對于巖石破裂發(fā)展及巖石屈服區(qū)有深刻的認(rèn)識。

巖石的屈服破壞發(fā)生在巖體內(nèi)部，概念較為抽象。在傳統(tǒng)教學(xué)中，通常是開展巖石單軸壓縮實驗來幫助學(xué)生理解巖石變形破壞的四階段及巖石屈服。這一方法直觀、表現(xiàn)力好，能夠輔助學(xué)生鞏固相關(guān)知識點。但是，演示性實驗耗時、耗費實驗材料，針對不同教學(xué)班級的學(xué)生，需要分組多次、重復(fù)開展實驗，受場地和實驗條件等因素的制約，部分學(xué)生無法充分地觀察、分析整個實驗流程，影響了教學(xué)效果。

針對這一問題，教師可引入FLAC3D數(shù)值模擬平臺，利用數(shù)值模擬實現(xiàn)單軸壓縮實驗，在FLAC3D操作命令流中，將建模計算的各步驟整齊編寫并做好注釋，將模型材料參數(shù)設(shè)置編寫為FISH函數(shù)，使得改寫命令流更改材料參數(shù)時，只需對函數(shù)內(nèi)的各個變量進行更改即可，如操作命令偽代碼所示。運行操作命令流可將實驗過程在計算機可視化平臺上多次、反復(fù)展示。數(shù)值模擬平臺開展仿真模擬研究可以快速分析不同的材料條件，可拓展性更強。且數(shù)值模擬平臺受室內(nèi)物理實驗場地、耗材、高溫高壓設(shè)備安全規(guī)范的影響較小，比較適用于開展可視化、互動性強的教學(xué)工作。

等待模型計算完畢，可以繪制變形、應(yīng)力等結(jié)果的云圖，結(jié)合教師的講解，學(xué)生能夠?qū)屋S壓縮實驗有更加深入的認(rèn)識與理解，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，兩者的對比能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對相關(guān)概念的理解，最終達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

3.2邊坡滑動面的計算可視化教學(xué)實現(xiàn)方法

滑坡災(zāi)害孕育成因本質(zhì)上是一個力學(xué)問題，實際工程中常用基于強度折減法的數(shù)值計算分析邊坡穩(wěn)定性。為了讓學(xué)生更好地理解如何利用強度折減法判斷滑坡體的穩(wěn)定性，引入FLAC3D數(shù)值模擬平臺，利用數(shù)值模擬實現(xiàn)基于強度折減法計算分析邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)剪切應(yīng)變率計算云圖可以判斷邊坡可能的滑坡面。在相關(guān)知識點的講授過程中，對強度折減法的FLAC3D軟件實現(xiàn)操作代碼進行講解后，學(xué)生可以在較短時間內(nèi)通過FLAC3D軟件重現(xiàn)仿真計算，在課后，學(xué)生可以進行簡單的改寫，將強度折減法拓展到其他類型的邊坡中，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析。學(xué)生通過自己的操作研究了相關(guān)問題后，能夠更深刻地體會到強度折減理論解決問題的能力，可以增強學(xué)生的興趣和信心。

通過上述兩個工程地質(zhì)課程知識點的計算可視化教學(xué)案例可知，基于有限元分析軟件FLAC3D實現(xiàn)工程地質(zhì)課程計算可視化教學(xué)的關(guān)鍵在于教師借助FLAC3D軟件，將各類工程地質(zhì)實驗及案例分析通過軟件實現(xiàn)數(shù)值模擬，將操作命令編寫成可讀性較好的命令流，降低數(shù)值模擬的操作門檻，使學(xué)生都能夠進行數(shù)值模擬計算，幫助學(xué)生理解概念理論?；谶@一教學(xué)方法，將工程地質(zhì)課程知識點中的重點、難點都開發(fā)出相應(yīng)的計算可視化教學(xué)方法，從而打造基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)體系。在工程地質(zhì)課程計算可視化教學(xué)實踐中，學(xué)生對于這一教學(xué)方法給予了一致好評，工程地質(zhì)課程的總體成績也有顯著提升，基于計算可視化的工程地質(zhì)教學(xué)取得較好的教學(xué)效果。

4小結(jié)

工程地質(zhì)課程中包括大量概念抽象、涉及力學(xué)知識較多的知識點，本文基于FLAC3D有限元計算軟件，提出了基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法，并基于教學(xué)案例展示，介紹了工程地質(zhì)課程計算可視化教學(xué)的核心思想和實現(xiàn)流程。基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法，將數(shù)值仿真計算與傳統(tǒng)工程地質(zhì)課程教學(xué)相融合，將工程地質(zhì)實驗、地質(zhì)作用現(xiàn)象背后隱藏的力學(xué)原理直觀展示出來，使得各類概念理論不再抽象，降低工程地質(zhì)課程的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程反饋表明，基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學(xué)方法是提高工程地質(zhì)課程教學(xué)效果的有效手段。

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