大語言模型背景下融合OpenSees的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革研究

摘"要：“結(jié)構(gòu)力學(xué)”作為土木工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其教學(xué)改革尤為重要。傳統(tǒng)教學(xué)中存在理論與實踐脫節(jié)、教學(xué)方法單一等問題，本文提出了一種融合開源有限元軟件OpenSees和人工智能技術(shù)的教學(xué)改革方案，通過引入現(xiàn)代教育技術(shù)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法，強化實踐教學(xué)，旨在提升“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)滿足社會需求的復(fù)合型、應(yīng)用型人才。實際教學(xué)案例驗證了改革措施的有效性，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革提供了新的實踐路徑。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；教學(xué)改革；OpenSees；有限元分析；大語言模型

中圖分類號：G642.0""文獻標(biāo)識碼：A

在當(dāng)前科技迅猛發(fā)展的時代背景下，工程教育改革已成為國家戰(zhàn)略的關(guān)鍵部分。政策性文件如《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《中共中央"國務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》強調(diào)了教育改革的重要性［1］，這些政策文件不僅描繪了教育改革的方向，而且為工程教育，尤其是土木工程領(lǐng)域中的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)提供了政策支持和指導(dǎo)。

“結(jié)構(gòu)力學(xué)”作為土木工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)改革顯得尤為關(guān)鍵［2］。它不僅是學(xué)生理解工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)，而且是連接理論知識和工程實踐的橋梁?！敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)”不僅傳承了古典力學(xué)的精髓，還融入了現(xiàn)代科技，是一門內(nèi)涵豐富的重要力學(xué)課程［3］。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往過于注重理論知識的傳授，忽視了與實際工程實踐的結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論與實踐的脫節(jié)，阻礙學(xué)生的高階能力培養(yǎng)［4］。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革勢在必行。改革的核心在于理論知識與實際工程應(yīng)用的有效結(jié)合，重視學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［5］，這意味著教學(xué)不僅僅是知識的傳遞，更是能力的培養(yǎng)和思維方式的引導(dǎo)。具體措施包括引入現(xiàn)代教育技術(shù)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法、強化實踐教學(xué)、優(yōu)先評價體系等，旨在提升“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)滿足社會需求的復(fù)合型、應(yīng)用型人才［6］。通過引入OpenSees等現(xiàn)代計算軟件，學(xué)生可以在模擬實際工程環(huán)境中學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的應(yīng)用，這不僅提高了學(xué)習(xí)的趣味性，也增強了學(xué)生的實際操作能力。同時，通過項目式學(xué)習(xí)、案例研究等教學(xué)方法，學(xué)生可以在解決實際問題的過程中深化對理論知識的理解，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新能力。

1"現(xiàn)狀分析

在當(dāng)前的教育環(huán)境中，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”作為土木工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀都存在著一些亟待解決的問題。首先，傳統(tǒng)的教學(xué)模式過于注重理論知識的傳授，忽視了與實際工程實踐的結(jié)合。這種重理論輕實踐的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論與實踐的脫節(jié)，難以將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實際工程中。其次，教學(xué)方法單一，缺乏多樣性和創(chuàng)新性。大多數(shù)課程仍然采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，缺乏互動和實踐環(huán)節(jié)，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。最后，評價考核體系也存在問題。傳統(tǒng)的考核方式往往側(cè)重于理論知識，忽視了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。這種考核方式導(dǎo)致學(xué)生只注重考試成績，而忽視了應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

在學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀方面，也存在著一些問題。首先，由于理論與實踐的脫節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感到困惑和迷茫，他們難以將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實際工程中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。其次，學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求無法得到滿足。每個學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣不同，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式無法根據(jù)學(xué)生的個性化需求進行教學(xué)，這導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣下降，影響了學(xué)習(xí)效果。

學(xué)生在學(xué)習(xí)、利用有限元軟件過程中也面臨著一些實際困難。例如，他們對復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的建立和非線性分析的參數(shù)設(shè)置等方面可能存在困難，這些問題可能涉及軟件的操作、模型的建立和參數(shù)的選擇等。由于缺乏有效的指導(dǎo)和幫助，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能會感到困惑和挫敗。

2"改革措施

從現(xiàn)狀分析可知，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革迫在眉睫，需要從教學(xué)內(nèi)容、方法和考核體系等方面進行全面的改革，以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和提升教學(xué)效果。“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革的核心在于將理論知識與實際工程應(yīng)用有效結(jié)合，重視學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，我們提出了一系列具體措施，包括引入現(xiàn)代教育技術(shù)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法和強化實踐教學(xué)，旨在提升“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)符合社會需求的復(fù)合型、應(yīng)用型人才。

首先，在教學(xué)內(nèi)容方面，我們將開源有限元軟件OpenSees與“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程內(nèi)容深度融合。通過引入OpenSees，學(xué)生可以更直觀地理解“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的基本理論，并提升解決復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)問題的能力。通過優(yōu)化教學(xué)大綱，針對不同章節(jié)主題，將實踐環(huán)節(jié)有機融入相應(yīng)章節(jié)，學(xué)生能夠通過實際操作加深對理論知識的理解。

其次，在教學(xué)方法方面，我們計劃采用多元化的教學(xué)手段，包括互動式教學(xué)、虛擬實踐教學(xué)等。我們將利用投影儀演示實際案例，鼓勵學(xué)生提問和參與討論，并通過小組任務(wù)等方式培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作和交流溝通能力。同時，我們將定期組織實踐項目，讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決真實結(jié)構(gòu)問題，從而提升他們的實踐能力。

最后，在考核體系方面，我們建立了多維立體評價體系，從學(xué)生參與度、學(xué)習(xí)成效、學(xué)習(xí)體驗和實踐環(huán)節(jié)效果四個維度進行教學(xué)結(jié)果評價。我們將記錄學(xué)生在互動環(huán)節(jié)的參與情況，評估課堂的流暢性、邏輯性和教學(xué)方式的實用性，并評估實踐活動的進行過程和結(jié)果。通過這些評價指標(biāo)，我們可以全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并據(jù)此不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

有限元分析（Finite"Element"Analysis，F(xiàn)EA）是通過數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬的一種分析方法［7］。開源有限元軟件OpenSees作為結(jié)構(gòu)工程和巖土工程中廣泛應(yīng)用的功能強大的有限元分析工具，主要用于地震等災(zāi)害過程中的結(jié)構(gòu)損傷分析。

值得注意的是，學(xué)生在學(xué)習(xí)OpenSees的過程中可能會遇到一系列難題，這些難題可能涉及軟件的操作、復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的建立、非線性分析的參數(shù)設(shè)置等方面。為了解決這些問題，本文利用大語言模型構(gòu)建“結(jié)構(gòu)力學(xué)”學(xué)習(xí)助手，實時解決學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。大語言模型具有強大的自然語言處理能力，能夠理解和生成人類語言。通過將學(xué)生的問題輸入模型，模型可以快速提供解決方案或指導(dǎo)建議。此外，大語言模型還可以用于生成教學(xué)資源，如操作指南、示例項目和常見問題解答。這些資源可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和需求進行定制，從而提供更貼合實際的學(xué)習(xí)支持。通過這種方式，我們不僅能夠幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的具體問題，還能夠提升他們的自主學(xué)習(xí)能力，提升邏輯思維能力，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜工程問題的能力。

例如，在介紹《靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析》章節(jié)時，基于大語言模型為學(xué)生提供個性化的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”學(xué)習(xí)助手，該學(xué)習(xí)助手可以以文本形式及時回答學(xué)生對于靜定結(jié)構(gòu)受力分析的概念性疑問。學(xué)生利用手機掃描教師提供的二維碼便可以得到一個“結(jié)構(gòu)力學(xué)”個人學(xué)習(xí)助手，該助手具有“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和OpenSees方面的專業(yè)知識，能夠滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和使用OpenSees過程中的個性化需求，能夠生成基于Python的結(jié)構(gòu)求解代碼，避免了學(xué)生從零編寫有限元分析腳本的困難。通過引入開源有限元軟件OpenSees和相應(yīng)的后處理模塊Opsvis，使學(xué)生能夠更直觀地理解“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的基本理論，方便地觀察結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力分布情況，進而提升解決復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)問題的能力。

在講授《靜定結(jié)構(gòu)受力分析》章節(jié)時，課堂學(xué)生被劃分為5～6人的學(xué)習(xí)小組，在理論講授桁架和剛架手算內(nèi)容之后增加了基于OpenSees的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”模型建立、求解、后處理內(nèi)容。小組在執(zhí)行任務(wù)過程中，可以利用配置好的“結(jié)構(gòu)力學(xué)”學(xué)習(xí)助手解決個性化的問題，包括力學(xué)概念和OpenSees命令使用等。成功建立數(shù)值模型后，學(xué)生可以通過Python腳本靈活地修改結(jié)構(gòu)尺寸（跨度、高度）、荷載位置及大小、邊界條件（鉸支座、定向支座、剛性支座）等，以觀察、對比不同參數(shù)組合下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，幫助學(xué)生加深理解結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為及其背后涉及的基本概念。每組學(xué)生完成任務(wù)后，讓每組在臺上介紹本組的分析過程和結(jié)論，通過小組之間評分和組內(nèi)成員之間評分的方式為本章節(jié)的平時成績提供依據(jù)。

下圖所示為針對教材中的某靜定門式剛架例題開展的數(shù)值模型分析求解結(jié)果。通過這些改革措施，學(xué)生能夠更好地理解和掌握“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的基本概念和計算方法，同時提升了學(xué)生解決實際復(fù)雜工程受力分析問題的思維邏輯能力和動力實踐水平。實踐表明，這些改革措施可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效和興趣，增強他們的實踐能力。

教學(xué)改革是一個持續(xù)的過程，我們通過收集教師和學(xué)生的反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，確保教學(xué)效果的持續(xù)提升。相應(yīng)地，我們建立多維立體評價體系，從個人成長、團隊協(xié)作等多個維度科學(xué)評價教學(xué)效果，為教學(xué)改革提供持續(xù)改進的方向。

上述實施措施探索了“結(jié)構(gòu)力學(xué)”與OpenSees、人工智能技術(shù)的深度融合，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)改革提供新的實踐路徑。通過這種融合，學(xué)生可以更直觀地理解“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的基本理論，提高解決復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)問題的能力。這不僅有力支撐了本課程相關(guān)的畢業(yè)要求，而且為學(xué)生未來的工作和研究打下了堅實的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了學(xué)生終身學(xué)習(xí)的理念。

3"結(jié)論

本文從“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的重要性和改革的背景出發(fā)，分析了當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，并提出了具體的改革思路和措施。通過引入基于人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)助手和開源有限元軟件OpenSees，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法，強化實踐教學(xué)，對提升“結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)符合社會需求的復(fù)合型、應(yīng)用型人才具有參考價值。

展望未來，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)的發(fā)展方向?qū)⒏幼⒅乩碚撆c實踐的結(jié)合，利用現(xiàn)代教育技術(shù)和先進工具，如OpenSees和人工智能技術(shù)，提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。我們相信，通過不斷的改革和創(chuàng)新，“結(jié)構(gòu)力學(xué)”教學(xué)將更好地服務(wù)于工程教育的發(fā)展，為培養(yǎng)適應(yīng)未來工程挑戰(zhàn)的高素質(zhì)人才做出更大的貢獻。

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基金項目：大連大學(xué)教學(xué)改革研究一般項目（項目編號：202493）；大連大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目——創(chuàng)新訓(xùn)練項目（校級）（項目編號：D202404042151518492）；遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目“基于新工科地方高校智能建造人才培養(yǎng)模式研究與實踐（項目編號：2022791）”；大連大學(xué)教學(xué)改革項目“新工科背景下土木工程專業(yè)智能建造人才培養(yǎng)模式探索與實踐（項目編號202113）

作者簡介：陳垚（2001—"），男，布依族，貴州人，本科在讀，研究方向：土木工程專業(yè)。

*通訊作者：夏春旭（1988—"），男，漢族，遼寧人，博士，講師，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震性能。