基于OBE理念的结构试验教学研究探索

金玉 曹鹏程

摘要：基于OBE理念对结构试验教学过程中存在的问题进行分析，引入非线性有限元技术辅助实验教学，改变传统的单一教学方法，结果表明教学效果良好，说明采用数值模拟辅助结构试验教学改进教学效果和提高教学质量。

关键词：结构试验;有限元技术;教学方法

1 引用

土木工程专业培养的学生毕业后主要从事土木工程的设计和施工工作，其实践性很强，工作中有大量的试验内容。培养学生试验能力，是近年来教育改革的重要方向。特别是2013年6月，我国加入《华盛顿协议》、成为该协议签约成员，这标志着具有国际实质等效的工程教育专业认证的帷幕在我国已经正式拉开。OBE理念对引导和促进专业建设与教学改革、保障和提高工程教育人才培养质量至关重要。

2 结构试验教学改革的意义

随着土木工程专业教学改革的不断深入，相关专业教师已经认识到结构试验在培养学生实践动手能力的重要性，但是实际教学中，学生的求知欲望和学习热情并没有被激发出来，主要由于传统试验教学局限于试验时间、场地、试验材料和测试仪器等条件，实验类型偏向于认识性，学生只需按照试验指导书要求完成已经设计好的步骤，而对前期的设计过程、材料性能的选择及试验目的结果不甚了解，造成试验教学效果达不到预定效果。其次，传统结构试验可重复性差，由于试件加工制作过程中存在较大误差，使试验结果存在明显的离散性，甚至与结构理论存在显著偏差，这就要学生专业有足够的知识储备。在目前的结构研究中通常采用有限元分析在试验前对其工作性能进行预测以制定成功率较高的试验方案，數值模拟技术可以在一定程度上弥补现有试验教学中的缺陷。数值模拟技术具有成本低和重复性强的特点，因此在试验前采用有限元分析方法对结构模型各种工作性能进行预测，可以为制定试验方案提供定量依据。在结构试验教学内容中引入有限元分析方法，有利于学生通过利用有限元软件设计实验方案。通过对比各种实验方案的数值模拟结果优选出一种方案，再根据实验验证分析方案的正确性。当试验结束以后，将试验结果与有限元分析结果进行对比，如果两者结果较为接近，则证明数值模拟的参数设置是正确的，然后可以调整有限元模型中的各项结构参数，进一步补充实验报告。同时还可以对某些受到试验条件限制而无法开展的实验工作作补充模拟，弥补了试验中存在的缺陷。此外，对某些具有实践意义和可行性的学生实验，实验室可以开放，并在实验室工作人员的指导下进行。这样将有利于提高实验室的开发程度和实验资源的利用率。

3 数值仿真结构试验教学应用案例

笔者以结构试验中静定桁架试验为例，引入ABAQUS软件对其进行数值模拟分析，辅助实践教学。试件参数：各杆件均采用角钢2∠40×4，节点板厚5mm，E=2.06×105N/mm2，测点布置见图1所示;加载方式采用5级加载。第一级为720N/点，以后每级加360N/点。

通过数值模拟可以直观的提取出桁架在不同加载阶段的应力和位移，学生在进行试验前可以直观看到加载的全过程以及杆件内力和变形分布情况。引入有限元数值模拟技术，教师在教学过程中可以通过改变试验参数完成不同材料属性和工况的加载试验，基于多参数化的比试验结果，有利于学生加深对试验结果认识，理解也更加透彻。

4 结论

通过在试验室现场引入有限元模拟技术，充分利用数值模拟技术具有成本低和重复性强的特点，来提高学生利用现有的专业知识对实际问题分析的能力，激起学生对计算分析技术与试验技术相结合来研究实际问题的兴趣，扩展专业知识面，为以后学习和工作垫底基础。

参考文献：

[1] 郑愚，于国友，秦怀泉.非线性有限元分析在结构试验教学中的应用[J].东莞理工学院学报，2010（01）.

[2] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育.2014（17）.

[3] 黄丽婷，熊世树，李黎.土木工程结构实验室实验教学改革探讨[J].北京：实验科学与技术.2006（06）.

基金项目：本文系嘉兴学院2017年度教改项目（编号：B3）。

（作者单位：嘉兴学院建筑工程学院）