基于数值仿真的土木工程实验教学改进与实践

李连崇，马天辉，梁正召，张永彬，唐世斌

（大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116024）

教学与科研是高等学校发展的永恒主题，推动教学与科研的共同发展、促进二者的协调统一，是实现高校可持续发展的内在要求，也是提高办学水平的有效途径。以科研促教学，把新的科研成果融于传统的教学活动中，不仅可为传统的课程注入活力，有利于提高教学质量和效果，而且能够扩展学生的视野，激发学生的学习热情，培养学生的实践动手能力和创新能力。本文结合大连理工大学开设的本科生必修课程“土木水利学科实验前沿”的实际教学，将工程计算中的数值仿真技术融于土木工程实验课程的教学活动中。

1 目前土木工程实验教学中存在的问题

土木工程实验是土木工程专业的基础课程，涵盖了岩土工程、结构工程、建筑材料、工程地质等多个学科方向。土木工程实验既是土木工程专业基础知识的直接来源，又是理论与实践相结合的重要一环，是学生受益面较广的技术基础课程之一，学校非常重视它的教学改革。目前，土木工程实验教学主要存在以下问题。

（1）高校本科学生基数较大，实验教学多为分组进行。通常，每个实验小组的人数较多，学生只能通过授课教师的讲解和演示实验来观察实验过程、了解实验的操作流程和方法，难以对实验过程中存在的问题和需要注意的关键点有深入的理解和掌握。这样的实验教学方式不利于培养学生发现问题和解决问题的能力，更不利于优秀学生的培养。

（2）实验内容基本上只限于教材中规定的特定实验，其中验证性实验所占的比例过大，而设计性和启发性实验相对较少。学生在做验证性实验时只需按教材操作，虽然保证了实验的成功率，但在实验过程中基本无需思考，最终提交许多雷同的实验报告。这种做法使学生完全处于被动状态，学习热情受挫，部分学生更是抱着敷衍了事的态度完成实验，因此达不到实验教学的目的。

（3）传统的物理模型实验不但实际操作成本较高，而且对实验“过程”的显示程度不够，即：实验中物理模型内的各种参量的变化往往不能直观地展现出来，这也是导致学生难以理解实验、缺少学习热情的原因之一。所以，设法通过仿真技术，让晦涩难懂的实验数据变得容易理解，而不再让学生觉得它是深不可测的，也是教改的努力方向。

随着现代计算技术的发展和计算机性能的提高，可尝试将数值仿真技术应用于土木工程实验的辅助教学中。

2 教学方法的改进与实践

2.1 教学方法改进的总体思路

数值仿真分析是指通过数值计算方法再现已知的现象，并强调运用数值模拟结果加深对实际实验中观测到的已知现象的理解［1］。结合我校近3年开设的本科生必修课程“土木水利学科实验前沿”，我们尝试将科研工作中常用的数值仿真技术应用于土木工程实验的辅助教学中，其作用虽类似于虚拟实验室［2－6］、多媒体［7］教学等辅助作用，但又不完全等同于虚拟实验室、多媒体教学。

在实际实验教学中，我们强调：

（1）实验过程及数据结果的可视化，即利用计算机数值仿真并显示实验中的基本现象，将一些不易观察的数据、实验过程用图像直观地演示出来，实现对实验的深度理解，将土木工程实验知识可视化，激发学生的学习兴趣和主动性；

（2）以学生活动为中心，实现自我学习，在学习中充分体现学生的主动性和创造性，并使学生能根据实际操作的反馈信息来形成对物理模型实验的认识和解决实际问题的方案；

（3）土木工程是一个实践性很强的学科，脱离了实际工程，即失去了“教与学”的真正目标，因此实验教学过程要理论联系实际，注重室内物理模型实验与实际工程的内在联系，并通过数值仿真技术提高对实际工程的认知程度。

笔者尝试的实验教学的整体思路及教学流程如图1所示。

图1 实验教学中的关键模块

2.2 新教学方法的实践探索

在基于数值仿真的土木工程实验教学新方法中，有几个关键的教学模块。授课教师只在“布置实验任务”、“基本实验引导和最终的实验总结”2个模块中起主导作用；而在其他教学模块中，都是以学生为主体，大大提高了学生理解问题、分析问题、解决问题的能力，学生也表现出了浓厚的学习兴趣。

在混凝土简支梁的FRP（fiber reinforced polymer）加固实验中结合了教师相关的科研成果［8－10］。图2是该实验室内物理模型的实验结果，其实验过程中捕捉不到裂纹的起裂、扩展及FRP加固梁的失效过程，仅仅得到了一个最终的破坏模式［11］。辅助以数值仿真技术后，我们指导学生学习并模拟了相应的实验，对应的数值仿真结果如图3所示。在该教学过程中，学生清晰地观测到了FRP加固梁的失效过程和失效过程中的应力场演化（图形灰度表示：越亮的区域应力越集中），这些都是在物理模型实验过程中难以观测得到的。更重要的是，学生可利用数值仿真技术，自己动手设计更复杂的实验模型（例如具有不同FRP加固板宽度的简支梁实验仿真），进行更为广泛、深入的相关实验知识的学习与认知。

图2 混凝土简支梁的FRP加固实验的物理模型实验结果

图3 与图2对应的FRP加固实验数值仿真结果

又如，砌体亦是一种典型建筑工程结构［12］，而对于其在实际工程中的作用及失效特性，学生缺乏实际认识（如图4所示），常规的物理模型实验很难让学生认清其力学本质。

在实践教学中，我们给出这些典型的实际砌体结构破坏形式，让学生自己动手动脑，根据实际模型，抽象出数学模型，进而开展小尺度实验及工程尺度的数值仿真分析（如图5所示），真正地提高了学生对实际工程问题的认知程度。

图4 砌体墙的实际破坏模式（笔者于2008年汶川地震后摄于映秀中学）

图5 砌体墙失效过程的数值仿真

3 体会与认识

随着现代计算技术的发展和高性能计算机的日益普及，数值仿真对高校的实验课程——尤其是土木工程实验的教学，具有显著、有效的补充和促进作用。实践表明，数值仿真在土木工程实验教学中的应用，大大激发了学生做实验的兴趣，提高了实验教学的质量，充分启发了学生的创造性思维，大大缓解了实验学时和实验室资源有限等矛盾，也使无法使用各种大型实验仪器设备的学生对现代化的分析技术有了较为形象的感官认识和了解，对实际土木工程问题有了更深入的认知。

值得强调的是，数值仿真只是实验教学中必要和有益的辅助手段，它无法代替真实的实验环境和实验操作，因此二者需相互补充、相互促进。随着仿真技术、虚拟现实技术及相关技术的不断进步，采用数值仿真辅助实验教学的效果必将不断提高。

（References）

［1］唐春安，王述红.岩石破裂过程数值试验［M］.北京：科学出版社，2003.

［2］Aktan B，Bohus C A，Crowl L A，et al.Distance learning applied to control engineering laboratories［J］.IEEE Transactions on Education，1996，39（3）：320－326.

［3］白雁，张娟，潘瑾.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（12）：169－174.

［4］宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景［J］.实验技术与管理，2005，22（1）：35－37.

［5］汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用［J］.计算机工程与科学，2000，22（2）：33－36.

［6］丛文静，朱玺宝，赵敏.工程制图虚拟实验室的建设及应用［J］.实验技术与管理，2011，28（11）：176－179.

［7］付彦坤，高明，陈俊国.多媒体技术在基础力学实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2007，24（10）：302－304.

［8］李连崇，傅宇方，唐世斌.快速升温诱致混凝土热开裂过程的数值模拟［J］.混凝土，2008（10）：38－44.

［9］Fu Yufang，Li Lianchong.Study on mechanism of thermal spalling in concrete exposed to elevated temperature［J］.Materials and Structures，2011，44（1）：361－376.

［10］张娟霞，唐春安.钢筋混凝土结构破裂过程的数值模拟［J］.东北大学学报，2005，26（4）：283－286.

［11］Wu Zhishen，Yin Jun.Fracturing behaviors of FRP－strengthened concrete structures［J］.Engineering Fracture Mechanics，2003，70（10）：1339－1355.

［12］王述红，唐春安.砌体开裂过程数值试验［M］.沈阳：东北大学出版社，2003.