實(shí)驗(yàn)與可視化教學(xué)在高校土木工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張搏 張吉 王林均 洪京京

關(guān)鍵詞 土木工程 力學(xué)教學(xué) 實(shí)驗(yàn) 可視化

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.052

Keywords civil engineering; mechanics teaching; experiment; visualization

1 目前土木工程力學(xué)教學(xué)中的問題

傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)，主要是依據(jù)教材內(nèi)容采用PPT或黑板版書方式，在課堂上由教師進(jìn)行講授。使用這種方式，在幫助學(xué)生認(rèn)知、理解力學(xué)體系和各門力學(xué)課程的交叉依存關(guān)系等有重要作用和意義，但是在知識應(yīng)用和自學(xué)能力培養(yǎng)時，相比采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和可視化技術(shù)則存在明顯的劣勢。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室通過操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以生動直觀的感受到構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng);而通過可視化技術(shù)，如動畫視頻或數(shù)值模擬，學(xué)生們可以透過構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的表面變形，看到其內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變的分布，更加深刻的理解土木工程專業(yè)中的各種力學(xué)概念。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

土木工程力學(xué)教學(xué)的每個環(huán)節(jié)都離不開實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，只有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的驗(yàn)證，才能明確關(guān)系、明確邊界，正確指導(dǎo)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)是模型化的實(shí)踐，是實(shí)踐的特例，學(xué)習(xí)理論的過程若能附以實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也就搭起了理論聯(lián)系實(shí)踐的橋梁。實(shí)驗(yàn)的過程，不僅僅是簡單驗(yàn)證的過程，實(shí)驗(yàn)的過程也是一個檢驗(yàn)自身理論水平的過程，對同一實(shí)驗(yàn)的同認(rèn)識水平、能做多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，真實(shí)地反映理論層次，而理論水平的層次決定了解決工程問題的性質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠檢驗(yàn)自己的理論水平，對比工作要求，就有了定位和方向。因此，如果學(xué)生能夠清楚知道所要從事的工作需要具備的理論層次，就會知道自己應(yīng)該學(xué)習(xí)那些理論、學(xué)到何種層次，并知道如何去學(xué)習(xí)，這時學(xué)生就有自主學(xué)習(xí)能力了。這個把知識轉(zhuǎn)化成能力的能力，這是解決工程問題的基礎(chǔ)，也是工科大學(xué)時重要的基本能力。

如前所述，為了能使多層次的學(xué)生都能的得到正反饋，我們就需要設(shè)置不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而這個不同層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的支撐就是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且粋€廣義的概念，我們把所有實(shí)驗(yàn)對象都?xì)w結(jié)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括一個簡單的試件，為方便模型層次展示，我們把模型分為三種，理想模型（也稱簡化模型，驗(yàn)證假定、算法，建立基本專業(yè)概念），也可以是變參量的理論模型（多參量系列變化模型，展示變量對結(jié)果的影響，強(qiáng)化基本概念，明確趨勢），也可以是工程模型（相似模型-分析設(shè)計(jì)特點(diǎn)，尋找優(yōu)化方向、判斷損傷、破壞原因）。這種多層次的試驗(yàn)教學(xué)對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力如何平衡外力、變形來源、破壞形式進(jìn)行分析的思維模式對以后的學(xué)習(xí)非常有利，每門專業(yè)課程的核心基本概念都可簡化成特定的模型進(jìn)行特定的加載方案。有了這個設(shè)計(jì)理念，不僅可方便學(xué)生多層次理解理論，而且學(xué)生也可根據(jù)自己理解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)教具，這對基本概念的理解、對邊界分析有極大幫助，也為學(xué)生參加周培源力學(xué)大賽、大學(xué)生結(jié)構(gòu)大賽等打下深厚的基礎(chǔ)，注意積累就容易形成了一個開放式創(chuàng)新平臺。為了達(dá)到這個目的，還要設(shè)計(jì)具有針對性的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教材。

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告和實(shí)驗(yàn)報告是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)的過程是一個驗(yàn)證的過程，若實(shí)驗(yàn)前沒有一個需要驗(yàn)證的關(guān)系，沒有自己想法，那實(shí)驗(yàn)就成了說教，因此在試驗(yàn)教學(xué)中需要學(xué)生帶著假定和疑問，這就需要精心設(shè)置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告須獨(dú)立完成，報告每道題目的完成時間約為一個小時，這樣每個實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)時間大約需要3-5天的時間。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告和實(shí)驗(yàn)報告都是具有多層次的，分為A-E級，A-感性認(rèn)識及前置基本概念、B-基本概念及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)解釋、C-概念量化、D-邊界分析及設(shè)備操作關(guān)鍵點(diǎn)、E-研究類實(shí)驗(yàn)。通過這樣設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報告和實(shí)驗(yàn)報告，有利于針對不同層次的學(xué)生進(jìn)行不同層次的學(xué)習(xí)。

3 可視化教學(xué)在土木工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中的應(yīng)力集中、剪切/扭轉(zhuǎn)破壞、和強(qiáng)度理論等傳統(tǒng)教學(xué)中存在的疑難抽象問題，借助現(xiàn)代化信息技術(shù)均可迎刃而解。目前國內(nèi)外高校力學(xué)教材上的例題基本都采用高度抽象模型，構(gòu)件與結(jié)構(gòu)用細(xì)直線表述。而利用可視化手段后可通過社會實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行講解，學(xué)生更加明確所學(xué)知識的應(yīng)用場景，掌握解決實(shí)際問題的規(guī)律后，可歸納外推到其它問題領(lǐng)域，如圖1所示。相比傳統(tǒng)教學(xué)手段，動畫傳遞的信息量和速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文字和PPT，采用3D可視化圖形能更清晰的表達(dá)出復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振型，以及形狀優(yōu)化等難度大、含金量高的知識點(diǎn)。

可提供具備搜索功能的平臺，隨著輸入檢索詞的變化給出實(shí)時的提示。由于可視化短視頻/圖片均已數(shù)據(jù)化（數(shù)據(jù)化為數(shù)據(jù)庫字段），本搜索功能與百度公司的搜索技術(shù)類同，但是比百度更專業(yè)，因百度為通用型搜索引擎，其搜索核心算法雖比較強(qiáng)大，但搜索到的內(nèi)容比較龐雜，輸入一個檢索問題，通常會有多個檢索結(jié)果，給出結(jié)論的依據(jù)不足（未嚴(yán)格列舉其引用依據(jù)），而知識庫中搜索結(jié)果可經(jīng)過本學(xué)院多名具有豐富力學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老師反復(fù)研討和論證，可靠性高。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與可視化教學(xué)在土木工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

把實(shí)驗(yàn)和可視化兩種手段相結(jié)合，既可以提升科研水平，又可以促進(jìn)教學(xué)能力。高校教師通過相應(yīng)的科研領(lǐng)域，關(guān)注學(xué)科前沿動態(tài)，并付諸實(shí)踐。在教學(xué)中，又可以將其引入教學(xué)內(nèi)容中，使學(xué)生直觀了解所學(xué)課程的應(yīng)用領(lǐng)域，加深對課程的理解和掌握，引起對科學(xué)研究的興趣。在土木工程專業(yè)的教學(xué)與科研中，同樣可以進(jìn)行相應(yīng)的嘗試。如Hajialilue-Bonab等人研制了一個小型物理模型實(shí)驗(yàn)裝置（圖2），在松散的砂土中進(jìn)行水平荷載下的樁-土相互作用實(shí)驗(yàn)。在水平向加載樁的過程中，同時從側(cè)面和模型頂部拍攝了數(shù)字圖像。而后應(yīng)用粒子圖像測速（PIV）這種可視化方法，從數(shù)字圖像中獲取樁周砂土的變形和應(yīng)變?；赑IV分析，繪制了具有圓錐形狀的三維應(yīng)變楔（圖3），推導(dǎo)了應(yīng)變楔的方程，并通過應(yīng)力-應(yīng)變極限平衡分析得到了樁的側(cè)向荷載響應(yīng)。根據(jù)不同的樁土特性估算了個樁的側(cè)向承載能力。通過這樣的實(shí)驗(yàn)與可視化相結(jié)合的辦法，可以做到科研帶動教學(xué)，并帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，傳統(tǒng)的土木工程力學(xué)教學(xué)方式，并不能完全滿足新時期土木工程專業(yè)的教學(xué)要求，應(yīng)該深入挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)和可視化教學(xué)的優(yōu)勢，充分激發(fā)學(xué)生對力學(xué)課程的興趣，使其加深對力學(xué)的理解和領(lǐng)悟。尤其對于地方應(yīng)用型高校，應(yīng)該加強(qiáng)對應(yīng)用型與實(shí)踐型人才能力的培養(yǎng)，推動高校土木工程專業(yè)力學(xué)課程教育的現(xiàn)代化。

課題名稱及編號：基于材料力學(xué)與土力學(xué)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)，201802346015

參考文獻(xiàn)

[1] 辜幕丹，童紅梅.大土木工程類土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].西部素質(zhì)教育，2018（6）：162.

[2] 趙穎，丁衛(wèi)，劉瑤，等.基于CDIO教育理念的土木工程專業(yè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].山西建筑，2018.44（8）：241-242.

[3] 任振華，曾憲桃.“新工科”背景下應(yīng)用型大學(xué)土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的改革與探索[J].