談手工計(jì)算與計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法在土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉浪 王旭

【摘要】畢業(yè)設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對現(xiàn)代土木工程行業(yè)對新型技術(shù)人才的要求，圍繞畢業(yè)設(shè)計(jì)的改革問題，闡述了傳統(tǒng)授課方式與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段的優(yōu)缺點(diǎn)以及在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的作用，提出了傳統(tǒng)手工計(jì)算和計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算有效結(jié)合的方式，從而為提高本科畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了可能。

【關(guān)鍵詞】土木工程；畢業(yè)設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

1、引言

土木工程是建造各類工程設(shè)施的相關(guān)科學(xué)技術(shù)統(tǒng)稱。它是一門與人類生活息息相關(guān)的的應(yīng)用型學(xué)科，經(jīng)過上百年的發(fā)展歷程而成熟起來。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代土木工程學(xué)科又進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，如工程結(jié)構(gòu)越來越大型化、復(fù)雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復(fù)雜的地鐵系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，既需要滿足人們的生活需求，同時也演變?yōu)樯鐣?shí)力的象征。這就為土木工程專業(yè)學(xué)科的人才培養(yǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。近年來，我國各大高校都在積極探索土木工程專業(yè)的教育教學(xué)改革之路，從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系設(shè)置、師資隊(duì)伍建設(shè)和人才實(shí)踐等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行摸索，力圖實(shí)現(xiàn)本專業(yè)與現(xiàn)實(shí)需求的有機(jī)結(jié)合。

2、傳統(tǒng)教學(xué)方式與現(xiàn)代技術(shù)的特點(diǎn)分析

眾所周知，力學(xué)分析與求解是土木工程專業(yè)的理論基礎(chǔ)知識，在本科教學(xué)中一直占有十分重要的地位，其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生理解和掌握土木工程結(jié)構(gòu)力學(xué)體系，利用基礎(chǔ)理論知識分析結(jié)構(gòu)的組成、受力及變形等，從而對復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)問題展開力學(xué)特性分析。長期以來，這部分內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)方式主要為教師講授、推導(dǎo)理論再輔以力學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生則基于相關(guān)的課后習(xí)題進(jìn)行手工計(jì)算予以解答。這樣的傳統(tǒng)教學(xué)方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠講解基本原理和計(jì)算方法，使得學(xué)生對各種土木工程結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)有清楚的認(rèn)識，并進(jìn)行力學(xué)分析、受力圖繪制以及掌握結(jié)構(gòu)工程分析的基本方法和步驟，但它的缺點(diǎn)在于學(xué)生難以靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，尤其是針對較復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，依靠手工力學(xué)求解幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，造成理論與實(shí)踐應(yīng)用的脫節(jié)。隨著社會信息化程度越來越高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來解決復(fù)雜的工程問題顯得越發(fā)重要且普遍。數(shù)值模擬技術(shù)能夠節(jié)省手工計(jì)算時間，靈活度較高，總體上來說比手工計(jì)算更為簡潔和精確，尤其對大型工程結(jié)構(gòu)而言，優(yōu)勢更為突出。

3、畢業(yè)設(shè)計(jì)改革要點(diǎn)

綜上可知，在土木工程本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)手工力學(xué)分析和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算手段應(yīng)當(dāng)有效結(jié)合、并重。通過科學(xué)合理的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，使得學(xué)生能夠較好地實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，具備手工計(jì)算和數(shù)值計(jì)算軟件應(yīng)用的能力。

1）畢業(yè)設(shè)計(jì)選題原則

畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它的選題工作就需要綜合考慮多個方面的因素。宏觀上，要考慮到大多數(shù)學(xué)生畢業(yè)后將從事生產(chǎn)一線工作，故應(yīng)該盡量體現(xiàn)較強(qiáng)的實(shí)踐性，最好能夠結(jié)合實(shí)際工程來進(jìn)行命題，這樣既可以調(diào)動學(xué)生的積極性，主動思考主動創(chuàng)新，又可以理論聯(lián)系實(shí)際，甚至讓學(xué)生到工程現(xiàn)場進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，參考工程項(xiàng)目的實(shí)際功能需求來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。微觀上，為了能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)中將手工計(jì)算與計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算有機(jī)結(jié)合起來，既要充分考慮手工計(jì)算的特點(diǎn)和可能性，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和布局，能夠提取工程簡化模型，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)手段進(jìn)行手工分析，又要考慮計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的必要性，即不能選擇過于簡單的結(jié)構(gòu)形式和單一的受力條件，無法代表或滿足實(shí)際工程項(xiàng)目的功能要求及受力狀態(tài)。一般地，結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕挝换蛟O(shè)計(jì)院所在建或已建實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行選題，可以較好地保證結(jié)構(gòu)形式的合理性，避免虛擬課題可能存在的過度復(fù)雜化和不切實(shí)際。

2）畢業(yè)設(shè)計(jì)與學(xué)科課程設(shè)置契合

如前所述，在土木工程專業(yè)本科教學(xué)中，學(xué)科課程的講授方式仍然以教師講授、推導(dǎo)理論，也即傳統(tǒng)的板書講解為主。這樣的授課方式能夠詳細(xì)地講解力學(xué)基本原理和計(jì)算方法，較好地幫助學(xué)生理解理論知識構(gòu)架，逐步掌握結(jié)構(gòu)分析的方法和步驟。但是傳統(tǒng)方法不能結(jié)合計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代土木工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，例如利用ANSYS、ADNIA、ABAQUS、FLAC以及SPA2000等常用數(shù)值模擬軟件，對實(shí)際問題建立抽象化模型，結(jié)合數(shù)值分析方法獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，并通過圖像來表達(dá)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。事實(shí)上，上述計(jì)算機(jī)仿真軟件已經(jīng)在土木工程的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、水利結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等，可以說，掌握計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、模擬技術(shù)是現(xiàn)代土木工程專業(yè)人員必須具備的基本技能之一，因此，在大學(xué)生本科教育中應(yīng)當(dāng)給予重視并進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練。在本科教學(xué)過程中適時地引入計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算介紹和使用方法講解，一方面豐富了教學(xué)手段與內(nèi)容，提高教學(xué)效果，開拓學(xué)生的眼界和思維，另一方面可以調(diào)動學(xué)生積極性，為畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至將來從事的實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)。為了避免在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)學(xué)生對計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)知之甚少，感到陌生或無從著手，在本科生有關(guān)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算的課程安排中應(yīng)當(dāng)穿插計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的介紹和應(yīng)用，在學(xué)生掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識、手工計(jì)算技能之后，結(jié)合簡單結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)問題，逐步掌握計(jì)算機(jī)數(shù)值方法，這樣不但有利于加深對傳統(tǒng)抽象力學(xué)知識的理解，還能夠?yàn)榻鉀Q后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多向受力分析等打下良好的基礎(chǔ)。例如，教學(xué)中可以工程為實(shí)例，采用手工分析和仿真計(jì)算相融合的教學(xué)方式，由簡至繁、由淺至深地講授力學(xué)計(jì)算方法。首先提高學(xué)生對力學(xué)理論知識的理解和手工計(jì)算的熟悉程度，其次，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值軟件進(jìn)行相關(guān)問題的求解。通過這樣的綜合教學(xué)模式，豐富了教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的授課方式，讓學(xué)生對整個力學(xué)求解過程和應(yīng)用均有了全面的認(rèn)識，進(jìn)而開發(fā)了學(xué)生科學(xué)的思維，使學(xué)生對課程和后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)具有整體的認(rèn)識和理解，逐步培養(yǎng)起學(xué)生學(xué)以致用、解決實(shí)際問題的能力。

4、結(jié)論

本文闡述了新時代背景下土木工程行業(yè)對專業(yè)技術(shù)人員的新要求，以本科生培養(yǎng)計(jì)劃中至關(guān)重要的畢業(yè)設(shè)計(jì)為改革對象，提出了通過傳統(tǒng)授課與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段并重的方式，將兩者有效結(jié)合起來，并貫穿于本科生教育教學(xué)過程中，從而激發(fā)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生積極自我思考，讓學(xué)生既能具備扎實(shí)的力學(xué)理論知識，又具備利用所學(xué)理論知識解決實(shí)際工程問題的能力。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，一方面通過傳統(tǒng)手工計(jì)算方式保證牢固的基礎(chǔ)，另一方面通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的方式豐富教學(xué)手段和學(xué)習(xí)內(nèi)容，既讓學(xué)生開拓視野，勇于創(chuàng)新，又能適應(yīng)新時代的發(fā)展需求，真正做到本科教育的"理論與實(shí)踐"相結(jié)合，體現(xiàn)"素質(zhì)教育、工程教育、創(chuàng)新教育"的教學(xué)理念。