案例庫(kù)建設(shè)下的彈塑性力學(xué)及有限元教學(xué)實(shí)踐★

王錦燕 杜亞志 許君風(fēng)

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

彈塑性力學(xué)及有限元法被普遍地列為工科研究生的核心課程，由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視，為工科學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究和設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的計(jì)算和分析工具，為培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用和研究新型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)?！稄椝苄粤W(xué)及有限元》課程是我校土木水利專業(yè)碩士生的一門(mén)專業(yè)核心課，課程具有理論性和實(shí)踐性相結(jié)合的特點(diǎn)，是土木水利專業(yè)研究生后續(xù)開(kāi)展相關(guān)科研和工程實(shí)踐的必備知識(shí)基礎(chǔ)。

專業(yè)學(xué)位，一般指有專門(mén)職業(yè)要求的研究生教育學(xué)位，區(qū)別于側(cè)重理論和研究的學(xué)術(shù)型學(xué)位，主要培養(yǎng)有特定職業(yè)背景的高級(jí)專門(mén)人才。專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)模式更注重職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升，目前培養(yǎng)研究生多注重理論學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)以課本及老師講授為主，缺少專業(yè)實(shí)踐能力，理論與工程問(wèn)題脫節(jié)，不能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性?；谝陨峡紤]，建設(shè)《彈塑性力學(xué)及有限元》案例，通過(guò)案例庫(kù)建設(shè)和案例教學(xué)改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，使學(xué)生掌握彈塑性力學(xué)的基本理論，掌握有限元分析、研究和解決工程實(shí)際問(wèn)題的方法，達(dá)到提高學(xué)習(xí)興趣、學(xué)以致用、理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)以及解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的要求。本文基于我校的實(shí)際教學(xué)情況，建設(shè)了課程案例庫(kù)，并應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，以此提高教學(xué)效果達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)要求。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

我校招收的專業(yè)碩士研究生中，一些學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)不好，特別是和課程關(guān)聯(lián)度較高的材料力學(xué)，有些同學(xué)表示都忘完了。因此彈塑性力學(xué)及有限元這門(mén)課程學(xué)生學(xué)起來(lái)比較難，學(xué)習(xí)興趣不高，上課參與度較差。特別是面對(duì)復(fù)雜的公式推導(dǎo)計(jì)算，學(xué)生感到枯燥。因此教學(xué)中教師導(dǎo)入案例，特別是和專業(yè)研究方向相關(guān)的工程問(wèn)題，往屆碩士研究生的研究課題，通過(guò)引入案例、學(xué)生分析討論、理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生了解基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域，從而提高學(xué)習(xí)興趣。

1.2 理論與工程實(shí)際聯(lián)系不緊密

目前課程主要為知識(shí)講解，與工程實(shí)際聯(lián)系較差，不能很好的實(shí)現(xiàn)專業(yè)碩士的培養(yǎng)目標(biāo)。課程案例是理論知識(shí)和實(shí)際工程問(wèn)題的橋梁，能提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。通過(guò)實(shí)際案例教學(xué)，學(xué)生成為主體，老師通過(guò)以上知識(shí)點(diǎn)案例情景引出問(wèn)題，結(jié)合工程案例的理論性和實(shí)踐性，學(xué)生在老師的引導(dǎo)下自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題并最終解決問(wèn)題。學(xué)生能夠主動(dòng)參與教學(xué)環(huán)節(jié)，提升專業(yè)實(shí)踐技能，達(dá)到專業(yè)碩士的培養(yǎng)要求。

1.3 教師教學(xué)素質(zhì)有待提高

高校從事教學(xué)的教師主要都是高校畢業(yè)的博士生，擁有高學(xué)歷、高職稱，但幾乎沒(méi)有企業(yè)背景或企業(yè)調(diào)查實(shí)踐的經(jīng)歷。授課中的案例介紹多是在網(wǎng)上搜索的結(jié)果，對(duì)于課程知識(shí)內(nèi)容與工程實(shí)際案例的相關(guān)性理解的不夠，在培養(yǎng)有實(shí)踐能力的學(xué)生教學(xué)中力不從心，因此有必要加強(qiáng)校企合作，挖掘一線工程案例。

2 案例庫(kù)建設(shè)

課程要求學(xué)生掌握平面彈性問(wèn)題、軸對(duì)稱彈性問(wèn)題、空間彈性問(wèn)題、塑性屈服條件、梁的塑性極限載荷等問(wèn)題。針對(duì)彈塑性力學(xué)及有限元的教學(xué)內(nèi)容和當(dāng)前數(shù)值計(jì)算的實(shí)際工程應(yīng)用情況，在巖土邊坡、隧道工程、橋梁工程和混凝土結(jié)構(gòu)幾個(gè)工程領(lǐng)域進(jìn)行了案例建設(shè)。

2.1 壩體及邊坡

邊坡穩(wěn)定性分析：土木施工建設(shè)過(guò)程中，外力作用或影響會(huì)對(duì)原來(lái)穩(wěn)定的邊坡產(chǎn)生擾動(dòng)，使其處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，有些邊坡會(huì)在時(shí)間、外界以及內(nèi)部因素的作用下，發(fā)生滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民的生命帶來(lái)巨大損失。因此有效預(yù)報(bào)邊坡的失穩(wěn)情況非常重要，有效的巖土邊坡失穩(wěn)預(yù)報(bào)要基于工程穩(wěn)定性分析和現(xiàn)場(chǎng)坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用巖土流變本構(gòu)模型，基于有限元理論知識(shí)，模擬滑坡的變形趨勢(shì)，結(jié)合失穩(wěn)判別條件預(yù)報(bào)邊坡失穩(wěn)破壞的規(guī)律。

重力壩應(yīng)力分析：重力壩是工程中的一種大體積擋水結(jié)構(gòu)，其基本剖面主要是直角三角形。壩體受到水壓力及外荷載作用，結(jié)構(gòu)主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來(lái)滿足結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，同時(shí)壩體自重產(chǎn)生的壓力用來(lái)抵消由于水壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力從而達(dá)到強(qiáng)度要求。實(shí)際工程分析中，一般不考慮下游水位和土壓力，由重力壩實(shí)體的上游坡率和下游壩坡，根據(jù)應(yīng)力函數(shù)、雙調(diào)和方程、工程邊界條件得到壩體應(yīng)力分布情況。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)支梁分析：梁橋是一種歷史悠久的橋型，通常梁平置于墩臺(tái)上，主要承受彎曲變形。工程中的這種簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)成本低、可預(yù)制、施工簡(jiǎn)單、廣泛使用。根據(jù)實(shí)際受力情況，橋梁上的簡(jiǎn)支梁通常可簡(jiǎn)化為受均布荷載作用的兩端鉸支簡(jiǎn)支梁，對(duì)于此類平面彈性力學(xué)問(wèn)題，可通過(guò)應(yīng)力函數(shù)得到帶參數(shù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分量，根據(jù)邊界條件確定應(yīng)力分量參數(shù)，得到應(yīng)力表達(dá)式。根據(jù)實(shí)際工程中橋梁的長(zhǎng)度、截面尺寸、受載荷大小，利用有限元建模分析梁的應(yīng)力和變形。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)

抗震分析：地震發(fā)生時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，包括位移、速度等，這種外力作用會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生很大的應(yīng)力和變形，當(dāng)超過(guò)材料和結(jié)構(gòu)相應(yīng)的極限值后，結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出各種不同程度的破壞現(xiàn)象，如鋼筋屈服、混凝土裂縫、局部破損、顯著的殘余變形、整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜甚至倒塌。以實(shí)際工程建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)為例，施加周期載荷，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)、強(qiáng)度退化、剛度退化及耗能進(jìn)行計(jì)算。

梁板分析：房屋建筑中的樓板、屋蓋,以及陽(yáng)臺(tái)、雨篷、樓梯、基礎(chǔ)、水池頂板等部位通常屬于混凝土梁板結(jié)構(gòu)，主要承受各種外力作用下產(chǎn)生的彎曲變形，內(nèi)力主要為剪力和彎矩。比如工程建筑結(jié)構(gòu)中的板可簡(jiǎn)化成四邊鉸支受均布載荷作用的薄板，垂直于板中面的任一直線變形前、后仍為垂直于板的彈性曲面的直線，且長(zhǎng)度不變，屬于典型的平面應(yīng)變問(wèn)題。由幾何方程、本構(gòu)方程、平衡方程、邊界條件，用位移法分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

3 教學(xué)實(shí)踐效果

3.1 促進(jìn)了校企合作

校企深度合作，攜手將企業(yè)生產(chǎn)案例開(kāi)發(fā)成符合教學(xué)要求的教學(xué)案例。由于缺乏校企深度融合，來(lái)自企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的優(yōu)秀教學(xué)案例嚴(yán)重匱乏，教師開(kāi)發(fā)實(shí)際教學(xué)案例的能力薄弱，無(wú)法開(kāi)展有效的案例教學(xué)。教師深入企業(yè)生產(chǎn)一線開(kāi)展調(diào)研，與企業(yè)專家深入剖析企業(yè)典型工作，歸納典型工程項(xiàng)目任務(wù)、工作內(nèi)容、工作過(guò)程，以及研究能力與工程素養(yǎng)要求。教師按照案例建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)企業(yè)案例素材進(jìn)行分類提煉，形成典型性、針對(duì)性及充分結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)的案例，將企業(yè)生產(chǎn)案例轉(zhuǎn)化成符合教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)案例，并隨著企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展不斷完善。建設(shè)的案例庫(kù)貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，符合專業(yè)碩士培養(yǎng)要求。

3.2 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果

采用問(wèn)題導(dǎo)向，通過(guò)工程案例提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。根據(jù)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)課前引入工程案例，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。課堂將圍繞案例問(wèn)題進(jìn)行分析，提出案例問(wèn)題的解決方法，強(qiáng)化課程知識(shí)點(diǎn)的理論意義，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)真思考，達(dá)到學(xué)以致用的目的。學(xué)生的理論知識(shí)得到鞏固和加強(qiáng)，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力、工程素養(yǎng)和職業(yè)綜合能力得到提高。

3.3 案例應(yīng)用共享

開(kāi)放共享案例，創(chuàng)新教學(xué)模式，助力相關(guān)研究生課程的建設(shè)和發(fā)展。大多數(shù)專業(yè)教師缺乏企業(yè)經(jīng)歷與背景，實(shí)踐能力不強(qiáng)，駕馭教學(xué)案例的能力較差，無(wú)法滿足專業(yè)碩士學(xué)術(shù)性和職業(yè)性緊密結(jié)合的培養(yǎng)要求。項(xiàng)目案例庫(kù)將面向工程彈塑性力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法、高等土力學(xué)、高等鋼結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程的教師和研究生開(kāi)放共享，教師還可根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行教學(xué)再設(shè)計(jì)，對(duì)工程案例進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化，從而提升案例庫(kù)的使用價(jià)值，促進(jìn)相關(guān)研究生課程的建設(shè)與發(fā)展，促進(jìn)教師教學(xué)能力和專業(yè)素養(yǎng)的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)案例庫(kù)建設(shè)，加強(qiáng)了校企合作，提高了教師的教學(xué)水平。通過(guò)課堂教學(xué)引入案例庫(kù)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)，改善了專業(yè)學(xué)位碩士研究生的培養(yǎng)水平。