基于MidasCivil軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)實(shí)踐探索
——以《橋梁工程》課程為例

達(dá)娃扎西

（吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130000）

在互聯(lián)網(wǎng)涌起的浪潮之下，混合教學(xué)的形式逐漸豐富，尤其是在疫情等特殊情況下，面對面教學(xué)模式失去了原有的優(yōu)勢，而在各種優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源平臺和實(shí)驗(yàn)資源平臺的支持和帶動中，線上教學(xué)逐漸趨于普及。 軟件，網(wǎng)絡(luò)，教學(xué)，3 個(gè)看似無關(guān)的領(lǐng)域卻很好地結(jié)合起來了。

1 傳統(tǒng)教學(xué)與有限元軟件網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)

在土木工程傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，雖然師生能夠面對面教學(xué)，但在板書上常以正視圖、側(cè)視圖、俯視圖等二維視角來展現(xiàn)三維模型，存在著不夠直觀、形象、生動的缺點(diǎn)，減少學(xué)生們對模型的整體感和學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)難度。工程類課程，內(nèi)容繁多課時(shí)較少。在實(shí)際授課中，側(cè)重概念理解而缺少實(shí)際操作，學(xué)生掌握程度差的現(xiàn)象普遍存在，理論與實(shí)際難以結(jié)合。

1.2 有限元軟件網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特點(diǎn)

有限元軟件模型能夠靈活展現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的特征。 在教學(xué)中添加有限元軟件模型使得在電腦中理解一些抽象的結(jié)構(gòu)，明晰各類參數(shù)概念，所以能有直觀印象，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提升學(xué)習(xí)效果。 有限元軟件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)課程，既能提高時(shí)效性而且還能高效分類并整合信息資源。在工程領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)量大，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，提高準(zhǔn)確度的同時(shí)，節(jié)省人工手算的時(shí)間，精力并且能夠靈活控制，統(tǒng)一修改。例如，在進(jìn)行橋梁工程課程設(shè)計(jì)時(shí)，利用有限元軟件技術(shù)建模之后，計(jì)算行車道板有效寬度，能快速得出答案，通過三維模型對工程的實(shí)際構(gòu)造有所了解，教師可以對教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行突出講解，讓學(xué)生對整個(gè)知識體系有更好的了解[1]。與傳統(tǒng)課堂不同，在線教學(xué)時(shí)，學(xué)生們能對自己有所疑慮的問題大膽反饋，與教師積極交流，避免了上課只有教師講，學(xué)生埋頭聽的現(xiàn)象。 通過交流與探討，將各科的知識點(diǎn)串聯(lián)起來，構(gòu)成學(xué)生自己的知識庫，增強(qiáng)學(xué)生對知識綜合利用的能力。

1.3 MIDASCIVIL 簡介

MIDASCIVIL 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結(jié)合，廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。 該軟件單元類型包括梁單元、桁架單元、只受壓或只受拉單元、索單元、平面應(yīng)力單元、平面應(yīng)變單元、非線性連接單元等，幾乎涵蓋了結(jié)構(gòu)分析時(shí)所有的單元類型[2]。為了更好解決橋梁工程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)任務(wù)所出現(xiàn)的一些問題，引入MIDAS 作為設(shè)計(jì)工具，結(jié)合電算和對承載能力手算復(fù)核，從而讓學(xué)生真正認(rèn)識到實(shí)際工程的應(yīng)用和掌握解決問題的方法，同時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新改進(jìn)，與時(shí)俱進(jìn)，理論結(jié)合實(shí)際，達(dá)到學(xué)有所用的目的。

2 基于MidasCivil 應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)探索

關(guān)于橋梁在有限元軟件中建模的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 有限元軟件在橋梁建模中的流程

有限元基本思想：是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵照適用、安全、美觀的基本原則[3]。利用Midas/Civil 創(chuàng)建信息模型。 首先要定義結(jié)構(gòu)剛度，邊界條件和施加荷載。模型建立出來之后即可進(jìn)行對變形，反力，內(nèi)力和應(yīng)力結(jié)果的分析。 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程在此過程中，優(yōu)勢在于各個(gè)階段的問題在網(wǎng)絡(luò)平臺中以不同的板塊陳列，及時(shí)給予學(xué)生參考和指導(dǎo)，并且網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的內(nèi)容不受時(shí)間，空間限制，更加方便的滿足學(xué)生對學(xué)習(xí)知識的需求。

定義材料時(shí)，要選擇規(guī)范定義：混凝土，D3362-2018、JTG04 等。 鋼 材：D3362-18、JTG04、GB、JTGD64-2015 等。 組合材料：包括上述混凝土和鋼材；也可以直接選擇測量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶定義，包括彈性模量，泊松比，線膨脹系數(shù)和容重。在截面的定義有程序自帶截面：設(shè)計(jì)截面和數(shù)據(jù)庫/用戶截面與CAD 導(dǎo)入建立截面，包括了CAD 文件為“.dxf”格式，截面計(jì)算器導(dǎo)出“.sec”格式和設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)用數(shù)值截面。其中，變截面的設(shè)置是單一截面采用什么樣的截面形式，變截面就采用什么樣的截面形式?！?sec”文件可以直接導(dǎo)入軟件，因此在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，可以將不同的文件進(jìn)行對比，將正確的示例分享給大家，解決學(xué)生的建立截面時(shí)的細(xì)節(jié)問題。

網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)能夠共享有瑕疵的電子表格，對節(jié)點(diǎn)定義就是坐標(biāo)輸入，EXCLE 表格輸入，復(fù)制節(jié)點(diǎn)和CAD 導(dǎo)入的方式，在課程結(jié)束后讓學(xué)生算出正確的電子表格，以動手修改的方式，增加學(xué)習(xí)興趣。其他的定義也是如此，例如，單元的定義：主菜單功能建立單元與CAD 導(dǎo)入的方式，其中前者還包括連接節(jié)點(diǎn)建立單元擴(kuò)展方式建立和復(fù)制方式建立；與此同時(shí)要建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組。邊界條件類型有支撐、連接、其他類型。在此之后，就得考慮到荷載作用，因?yàn)椤皹蛄汗こ獭弊鳛橐婚T專業(yè)課程，它與“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”和“基礎(chǔ)工程”等具有很大的連貫性，因此，在“橋梁工程”課程設(shè)計(jì)設(shè)置和選題時(shí)必須綜合考慮這些課程在整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的作用[4]。定義荷載包括自重，梁單元荷載，節(jié)點(diǎn)荷載和定義預(yù)應(yīng)力荷載，其中定義預(yù)應(yīng)力荷載包含設(shè)置鋼束特性值，設(shè)置鋼束形狀，設(shè)置鋼束預(yù)應(yīng)力。 溫度荷載的定義是：系統(tǒng)溫度和溫度梯度。 系統(tǒng)溫度：一年中最高最低有效溫度作用，溫度梯度：豎向日照溫度梯度，溫度梯度升溫和溫度梯度降溫，溫度梯度降溫是溫度梯度升溫的-0.5 倍，加載方式詳見《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）。 定義移動荷載流程是選擇規(guī)范：國內(nèi)均是選擇中國規(guī)范。定義交通車道線或面：車道線對應(yīng)的是梁單元，車道面對應(yīng)的是板單元。 定義車輛：根據(jù)計(jì)算要求，如整體計(jì)算則定義的是車道荷載； 車輛荷載適用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞等計(jì)算；定義移動荷載工況：其目的是將車道和車輛組合，并且考慮車道折減系數(shù)；設(shè)置移動荷載分析數(shù)據(jù)：主要是考慮沖擊系數(shù)，可根據(jù)簡支、連續(xù)、斜拉橋、懸索橋設(shè)置。 定義施工階段通過激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組來實(shí)現(xiàn)。通過定義必要的施工階段，可以考慮各施工工序及時(shí)間依存特性（收縮徐變）等對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

施工階段的定義是通過激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組來實(shí)現(xiàn)。 每個(gè)施工階段設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組，組成幾何不變的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其定義方式通過 “荷載＞施工階段＞定義施工階段”來實(shí)現(xiàn)。 這個(gè)過程比較復(fù)雜，理論內(nèi)容比較多，加上學(xué)生設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，無法將理論知識和實(shí)踐內(nèi)容充分結(jié)合起來，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)枯燥的現(xiàn)象。 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容變換使用不同教學(xué)形式，從而可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如，在課堂上設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)師生之間以合作形式完成任務(wù)，靈活使用教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，使得學(xué)生可以積極主動參與到教學(xué)中，靈活使用教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化知識使用能力，從根本上提升利用Midas 進(jìn)行橋梁工程課程設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)效性[5]。

結(jié)果查看中的承載能力極限狀態(tài)概念是整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。 結(jié)果查看中正常使用極限狀態(tài)概念是對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的狀態(tài)。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，即按照現(xiàn)行的規(guī)范，對各種荷載進(jìn)行組合并進(jìn)行分析，結(jié)果（后處理），即導(dǎo)出設(shè)計(jì)成果、出圖等操作。 在此過程中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更有利于促進(jìn)學(xué)生之間的檢驗(yàn)和互動，完善過程，完成最佳設(shè)計(jì)方案，其教學(xué)內(nèi)容是指MIDAS/Civil 在進(jìn)行配筋計(jì)算與驗(yàn)算后，可以得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、 位移圖形與表格并且根據(jù)各種驗(yàn)算結(jié)果判斷是否通過設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，其教學(xué)目的是使學(xué)生的實(shí)踐能力由基本操作技能向?qū)嶋H應(yīng)用能力提高。

3 對Midas Civil 網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的進(jìn)一步思考

對教學(xué)方式而言，Midascivil 有限元軟件對橋梁工程中的一些構(gòu)件的分析運(yùn)算涉及了大量的知識面，如三大力學(xué)(理論力學(xué)，材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué))和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程，數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識，并且將他們?nèi)诤线\(yùn)用于規(guī)范。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，加以多媒體輔助的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式能夠最有效地發(fā)揮出對這種典型的多交叉學(xué)科課程的教學(xué)目的。原因在于此類課程和大多專業(yè)課程和通識課程一樣，有著在教學(xué)課時(shí)的限制，利用網(wǎng)絡(luò)課程方式，采用音頻、視頻、3D 動畫進(jìn)行真實(shí)模擬有關(guān)的課程內(nèi)容，能夠在較短時(shí)間內(nèi)集中體現(xiàn)大量信息。而對學(xué)生來說，在提高學(xué)習(xí)的興趣的同時(shí)能夠?qū)菰锏墓酵茖?dǎo)及規(guī)范條文的理解有一個(gè)更為直觀，更為生動認(rèn)識，不僅知其然而且能夠知其所以然，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的各個(gè)突破，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

對教學(xué)內(nèi)容而言，有關(guān)Midascivil 有限元軟件的課本多種多樣，但課程內(nèi)容，原理大同小異，所以可以給予學(xué)生根據(jù)自身情況相適應(yīng)的選擇方案，靈活選擇教材。與開放式和互動式的教學(xué)方式相結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生為中心而展開，教師統(tǒng)一集體上課，但課下開設(shè)網(wǎng)絡(luò)上的不同內(nèi)容相適應(yīng)的不同教學(xué)專區(qū)和答疑專區(qū)，加之學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容和問題難度評級制度。教師在留言反映和投票反映較為典型，難以理解的知識區(qū)域進(jìn)行集中答疑和講解，眾所周知，提出一個(gè)好問題比解答一個(gè)問題更有價(jià)值，在有學(xué)生提出了相關(guān)的專業(yè)問題經(jīng)過審核后施行學(xué)習(xí)獎(jiǎng)勵(lì)制度，進(jìn)行發(fā)放電子版獎(jiǎng)狀和學(xué)習(xí)積分，設(shè)置提問達(dá)人專區(qū)，放置提問學(xué)生照片和獎(jiǎng)勵(lì)內(nèi)容，公開表揚(yáng)，積分達(dá)到一定程度可以贏得專業(yè)書本獎(jiǎng)勵(lì)或者其他獎(jiǎng)勵(lì)等。 在有學(xué)生經(jīng)過搜集資料和學(xué)習(xí)后解答了提問達(dá)人稱號的學(xué)生的問題后，也應(yīng)該設(shè)置回答達(dá)人專區(qū)，進(jìn)行公開表揚(yáng)和類似的獎(jiǎng)勵(lì)，實(shí)行分塊交流但能夠統(tǒng)一管理。這樣一來，既能使得教師工作在沒有更加繁雜的情況下，兼顧每一位學(xué)生學(xué)習(xí)情況，一些問題可以在學(xué)生內(nèi)部得到解決從而減輕教師工作量。這樣的過程非常有利于提高學(xué)生的參與度和組織感，增強(qiáng)綜合能力，學(xué)習(xí)由被動變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用“有限元分析”課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)與工程實(shí)踐問題結(jié)合起來。 針對有限元算法求解的復(fù)雜性，教學(xué)過程結(jié)合大量的設(shè)計(jì)案例來進(jìn)行。 比如，超靜定桁架結(jié)構(gòu)的有限元求解、軸承座應(yīng)力分析、盤式制動器溫度場分析、 工程車受載荷應(yīng)力分析等。 理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生加強(qiáng)感 性認(rèn)識，掌握有限元分析的理論和基本方法。利用開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)相關(guān)的有限元程序，并與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn) 行比較，檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。 鼓勵(lì)學(xué)生參加“有限元分析” 相關(guān)的設(shè)計(jì)大賽，并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，比如運(yùn)用有限元方法 對“大學(xué)生方程式賽車”的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)[7]。 課程設(shè)計(jì)及作業(yè)可以分為課本習(xí)題作業(yè)和實(shí)際建模作業(yè)，考查學(xué)生對知識的理解和吸收方面雙管齊下。 紙質(zhì)版的作業(yè)由教師統(tǒng)一布置，根據(jù)細(xì)則給予學(xué)生評分。有關(guān)模型建立方面學(xué)生可以上傳模型至交流區(qū)進(jìn)行相互比較，相互批改，取長補(bǔ)短，最后由教師提出建議，指導(dǎo)和要求。

學(xué)?？梢园l(fā)揮校園網(wǎng)優(yōu)勢構(gòu)建教學(xué)平臺，充實(shí)并且共享教學(xué)資源。 網(wǎng)絡(luò)課程可以將教師們的想法和課件上傳到學(xué)校的資料庫中，實(shí)行取長補(bǔ)短，對教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的累積有很大作用。例如，在Midas 軟件中的鋼束布置設(shè)計(jì)中，如何理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，得出既安全又經(jīng)濟(jì)的方案。學(xué)校也可以通過校企合作的方式，在網(wǎng)絡(luò)平臺組件試題庫，針對不學(xué)生生的不同疑惑，進(jìn)行相對專業(yè)的，給學(xué)生提供在線答題和測試機(jī)會，使得學(xué)生可以更牢固地掌握專業(yè)知識，設(shè)計(jì)出更好的作品并給企業(yè)提出軟件使用方面的反饋和建議。

4 結(jié)語

綜上所述，MIDAS 軟件在橋梁工程課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，將有限元軟件與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用到建模計(jì)算中去，與傳統(tǒng)的手算方式相結(jié)合提高授課過程中學(xué)生對知識的吸收程度。 能夠?qū)蛄汗こ痰慕Y(jié)構(gòu)的力學(xué)行為機(jī)理直觀地描述出來、 幫助學(xué)生更好的理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)荷載作用，并能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。