數(shù)值模擬仿真試驗在建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)改革中的應(yīng)用

【摘要】針對高職建筑結(jié)構(gòu)課程實驗教學(xué)的需要，研究數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)手段在課程教學(xué)改革過程中應(yīng)用的優(yōu)勢和實現(xiàn)途徑，并通過仿真技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)課程和大學(xué)生結(jié)構(gòu)競賽中的應(yīng)用實例，驗證數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)手段的先進行和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)改革仿真試驗

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）05C-0141-02

建筑結(jié)構(gòu)是高職土木工程專業(yè)一門十分重要的理論性較強的主干專業(yè)課，本課程既是對前續(xù)的力學(xué)、建筑材料等課程的繼承和發(fā)展；又對土建類后續(xù)課程學(xué)習(xí)起重要的支撐作用，學(xué)好本課程可以實現(xiàn)課程體系的連貫性和完整性。課程學(xué)習(xí)過程中結(jié)構(gòu)的基本原理和公式的分析主要以試驗結(jié)論為依據(jù)，試驗貫穿整個教學(xué)過程。在缺乏試驗條件，教學(xué)課時精簡，實踐環(huán)節(jié)被空前重視的條件下，借助先進科研手段帶動教學(xué)水平的提高，將數(shù)值模擬仿真技術(shù)引入理論教學(xué)中，構(gòu)建了理論與試驗情景教學(xué)相結(jié)合的平臺，使構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力特點和破壞形態(tài)在課堂上生動地展現(xiàn)出來，可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力，符合課程改革長遠發(fā)展的需要，對土建類專業(yè)建設(shè)具有典型的示范作用。

一、數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)的優(yōu)勢

（一）仿真教學(xué)有利于提高課堂教學(xué)質(zhì)量

由于現(xiàn)階段高職院校招生規(guī)模急劇膨脹，大多數(shù)高職院校面臨試驗教學(xué)資源嚴重不足的困境，現(xiàn)有的試驗條件不能滿足教學(xué)任務(wù)的需要，嚴重影響了教學(xué)質(zhì)量。建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)公式推導(dǎo)和理論的建立是以試驗為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式試驗現(xiàn)象的描述枯燥、繁瑣和難于理解，數(shù)值模擬仿真教學(xué)實現(xiàn)把“虛擬的試驗室”搬到課堂上，在理論教學(xué)的同時穿插試驗教學(xué)。仿真教學(xué)試驗可以輸出結(jié)構(gòu)真實的三維模型、仿真動畫和結(jié)果數(shù)據(jù)，通過對試驗結(jié)果進行分析來闡述基本概念、基本原理。數(shù)值模擬可以把構(gòu)件受力與變形以及破壞的全過程直觀展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)主動思考和學(xué)習(xí)的積極性與參與性，使學(xué)生能在短時間內(nèi)掌握大量的結(jié)構(gòu)知識，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)獲得的知識去分析結(jié)構(gòu)原理、施工意圖和構(gòu)造規(guī)定，實現(xiàn)“循環(huán)式”教、學(xué)、做一體化教學(xué)。

（二）仿真教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)受實驗設(shè)備、實驗環(huán)境的限制，只能做一些簡單的不可重復(fù)的演示試驗，學(xué)生不理解實驗原理。數(shù)值模擬仿真實驗具有強大的建模和數(shù)據(jù)處理功能，學(xué)生可以根據(jù)課程學(xué)習(xí)需要和個人興趣，進行各種實驗數(shù)值模擬仿真，并且可以不斷加載條件、設(shè)計參數(shù)和模型方案等進行多次反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，并通過數(shù)據(jù)結(jié)果分析，讓學(xué)生能夠掌握和熟練應(yīng)用仿真教學(xué)軟件，為學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)和進一步開展創(chuàng)新活動奠定良好的基礎(chǔ)。仿真實踐切實增強了學(xué)生運用結(jié)構(gòu)知識獨立分析、解決實際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）仿真教學(xué)有利于提高教師素質(zhì)

基于多媒體的仿真教學(xué)，對教師的理論基礎(chǔ)、實踐能力和科研能力等綜合素質(zhì)提出了更高的要求。仿真教學(xué)內(nèi)容充分體現(xiàn)學(xué)科的交叉和前沿，在教學(xué)過程中及時融入了本學(xué)科國內(nèi)外最新研究成果。要求教師不斷學(xué)習(xí)和鉆研，熟練掌握仿真軟件使用和開發(fā)，在相關(guān)課程建設(shè)及承擔(dān)工程項目實踐工作中不斷錘煉，形成一支學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)與科研、教學(xué)與實踐結(jié)合的師資隊伍，為學(xué)科發(fā)展注入新生力量，為以后專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課的仿真教學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)。

二、數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)實現(xiàn)途徑

（一）成立校內(nèi)仿真教學(xué)團隊，以先進技術(shù)為科研載體帶動教學(xué)

數(shù)值模擬仿真是涉及多學(xué)科、多專業(yè)的綜合性高新技術(shù)，軟件現(xiàn)有的功能模塊不能滿足實際試驗分析的全部需要，軟件的應(yīng)用和開發(fā)較為困難，現(xiàn)階段無法在各高校推廣應(yīng)用。因此，教學(xué)經(jīng)驗豐富和科研實力雄厚的高素質(zhì)師資隊伍建設(shè)是實現(xiàn)試驗教學(xué)的重要保障。青年教師隊伍培訓(xùn)和仿真軟件開發(fā)需要科研項目帶動及經(jīng)費支持，教師以承擔(dān)科研項目積累的知識和經(jīng)驗為仿真軟件平臺的開發(fā)成功奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，科研教學(xué)緊密結(jié)合，及時將團隊的科研成果融入實驗教學(xué)，經(jīng)過長期不斷的探索和實踐，形成自主研發(fā)的應(yīng)用于教學(xué)實際的仿真實踐教學(xué)平臺，形成在土木專業(yè)建模仿真研究領(lǐng)域具有明顯的教學(xué)、科研優(yōu)勢的專業(yè)化的試驗教師資源，確保仿真試驗教學(xué)水平。

（二）通過校內(nèi)仿真實訓(xùn)項目和課程設(shè)計進行多層次實驗教學(xué)

在高職實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，開設(shè)選修的課程設(shè)計（鋼筋混凝土單向板肋梁樓蓋設(shè)計）仿真試驗教學(xué)，在教師的指導(dǎo)下，要求學(xué)生按課程設(shè)計任務(wù)書的要求，利用仿真軟件完成樓蓋結(jié)構(gòu)布置、建模仿真、計算結(jié)果分析并完成設(shè)計計算書，通過模擬實際工程的仿真教學(xué)，使學(xué)生在實際工程應(yīng)用中深入理解所學(xué)理論知識，并通過軟件操作，把理論靈活應(yīng)用到工程實踐，培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和解決實際問題的能力，教學(xué)效果顯著。

（三）建立建筑結(jié)構(gòu)課程建模仿真實驗室，開發(fā)實驗仿真教學(xué)平臺

根據(jù)學(xué)校自身的教學(xué)設(shè)施與教師素質(zhì)，根據(jù)專業(yè)特點，選擇合適的仿真軟件，引進或合作開發(fā)一些仿真平臺并建立相應(yīng)的仿真實驗室。借助仿真試驗平臺能夠進行建筑結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件、課程設(shè)計和課程實訓(xùn)的建模仿真實驗，能夠進行從構(gòu)件到結(jié)構(gòu)多層次的實驗教學(xué)。如鋼筋混凝土材料力學(xué)性能數(shù)值模擬試驗、單筋矩形截面梁正截面和斜截面破壞等試驗仿真平臺，可供學(xué)生和教師根據(jù)需要進行數(shù)值模擬試驗。成立專業(yè)大學(xué)生協(xié)會（仿真實驗設(shè)計），鼓勵引導(dǎo)部分優(yōu)秀學(xué)生進入仿真科研實驗室進行自主科研，協(xié)助并參與課程教學(xué)團隊教師的課題研究。

三、數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)應(yīng)用實例

實例一：

在講解鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系時，教材應(yīng)力與應(yīng)變的曲線通過文字描述進行講解，理論學(xué)習(xí)空洞、乏味，難以理解，如果把鋼材單軸拉伸試驗再現(xiàn)到課堂上，可以動畫顯示整個受力和變形過程，并可以同時輸出應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系，學(xué)生可以理解鋼材的基本力學(xué)性能，開闊視野，激發(fā)對本課程的學(xué)習(xí)熱情。本文單軸拉伸試樣數(shù)值仿真模型（見圖1），其應(yīng)力—應(yīng)變曲線的數(shù)值結(jié)果（如圖2）。

圖1鋼材單軸拉伸三維模型

圖2鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

實例二：

我院學(xué)生參加廣西第四屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，本次競賽要求制作鋼筋混凝土肋梁樓蓋模板支撐體系的模型，由于空間結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜，很難準確估計每個桿件的真實受力狀態(tài)，使得學(xué)生在進行模型方案設(shè)計時只能根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，然后通過多次模型制作反復(fù)試驗，驗證方案的可靠性，但由于模型制作時間有限，要完成多種方案的比選是不可能的。借助數(shù)值模擬仿真技術(shù)，可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)方案的優(yōu)化設(shè)計。本次比賽我院指導(dǎo)教師鼓勵學(xué)生使用仿真軟件進行數(shù)值模擬，學(xué)生通過仿真軟件近似模擬了模板支撐體系靜力荷載作用下的受力和變形，分析出模型主要構(gòu)件受力和變形特點（如圖3），在此基礎(chǔ)上進行截面尺寸合理設(shè)計和結(jié)構(gòu)體系桿件簡化，最終設(shè)計出了具有較高載重比的優(yōu)化模型。仿真實踐切實增強了學(xué)生運用結(jié)構(gòu)知識獨立分析、解決實際問題的能力。

圖3模板支撐體系內(nèi)力分析模型（單位：Mpa）

結(jié)合我院建筑結(jié)構(gòu)的教學(xué)實際，將實驗仿真技術(shù)引入課程教學(xué)的全過程，將傳統(tǒng)理論教學(xué)環(huán)節(jié)與數(shù)值模擬仿真試驗教學(xué)情境相結(jié)合，教學(xué)方法新穎獨特，培養(yǎng)了學(xué)生獨立解決問題的能力和創(chuàng)新精神。

【參考文獻】

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【基金項目】廣西高等教育教學(xué)改革工程立項項目（2012JGA348）

【作者簡介】胡桂娟（1973-），女，博士，廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：結(jié)構(gòu)破壞分析與計算機模擬。

（責(zé)編丁夢）