新冠疫情下高校數(shù)值計算云平臺創(chuàng)新教學(xué)方法探索

夏英杰 趙丹晨 唐春安 梁正召 張永彬

摘要：新冠肺炎疫情背景下，為保障師生生命健康安全，教育部下發(fā)了“停課不停教、停課不停學(xué)”的教學(xué)指導(dǎo)意見。針對疫情期間高校實驗課程線上教學(xué)難度大、學(xué)生參與率低、學(xué)習(xí)效果差等問題，提出了基于數(shù)值計算云平臺的高校實驗課創(chuàng)新教學(xué)方法。該方法有效地解決了工學(xué)實驗類課程枯燥乏味問題，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率;通過對云計算平臺數(shù)值計算軟件的學(xué)習(xí)與操作，有效地提高了學(xué)生認(rèn)識和解決工程問題的能力;通過對工程實際問題的總結(jié)，提高了學(xué)生的科研素質(zhì)，為其科研道路發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新冠肺炎疫情;工學(xué);數(shù)值計算;云平臺;教學(xué)模式

中圖分類號：TU45;G642.0?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）03-0188-10

2020年1月，新冠肺炎疫情暴發(fā)并向全國蔓延，疫情呈現(xiàn)傳播速度快、傳染性強以及波及范圍廣等特點。為解決疫情期間高等學(xué)校學(xué)生課程學(xué)習(xí)問題，教育部于2020年2月5日印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求在政府主導(dǎo)、高校主持、社會參與的努力下，共同實施并保障高等學(xué)校在疫情防控期間線上教學(xué)活動，進(jìn)而實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[1]。

在對教育部指導(dǎo)意見貫徹過程中，許多高校教師針對相關(guān)課程特點，開啟了廣泛的線上教學(xué)活動，并對線上教學(xué)方式、方法進(jìn)行改革，取得了較好的教學(xué)效果。例如，左秋娟等[2]通過分析目前網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)形式，對西藏地區(qū)的線上教學(xué)模式進(jìn)行了深入調(diào)研，提出了構(gòu)建教育云平臺的設(shè)想;張輝等[3]系統(tǒng)分析了目前成人高等學(xué)歷教育所存在的問題，提出了網(wǎng)絡(luò)教育、業(yè)余教育與函授教育相融合模式，在混合培養(yǎng)方式的基礎(chǔ)上搭建了在線教育云平臺，極大地促進(jìn)了成人高等學(xué)歷教育的進(jìn)步與發(fā)展;黃文敏[4]認(rèn)為在教育云平臺的建設(shè)過程中，教師資源整合十分重要，需要將傳統(tǒng)教師轉(zhuǎn)化為云系統(tǒng)線上教師;王輝等[5]針對二維碼容量小以及信息滯后等問題，構(gòu)建了基于數(shù)字活碼技術(shù)的高校教育云平臺，采用該平臺可方便獲取相關(guān)教育信息，對教育云平臺的相關(guān)服務(wù)實現(xiàn)了有效管理;覃健誠等[6]構(gòu)建了采用雙層虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的“慧眼云”技術(shù)，通過對該技術(shù)在廣東地區(qū)試點的應(yīng)用情況分析，證明了相關(guān)技術(shù)的有效性;馬良棟等[7]提出了BIM研究與實踐創(chuàng)新云服務(wù)平臺的建設(shè)思路，并總結(jié)了BIM研究與實踐創(chuàng)新云平臺的建設(shè)方案，為BIM技術(shù)納入建筑與土木工程專業(yè)的課程體系提供借鑒;劉國光等[8]開發(fā)了實驗教學(xué)云平臺，建立了機場道面損傷狀況動態(tài)采集分析系統(tǒng)，通過開放性實驗開發(fā)，方便本科生識別道面損傷類型、評判道面損傷程度等。

線上教育開展主要涉及教師、學(xué)生以及教學(xué)平臺三個主體[9]，其中教師和學(xué)生分別是線上教育的主體和客體，而線上教學(xué)平臺則是連接主體與客體的直接“橋梁”。高校工學(xué)巖石力學(xué)以及高等巖石力學(xué)課程作為土建類本科及研究生的重要基礎(chǔ)課程，具有理論性強、涉及相關(guān)概念多、實踐性強等特點[10]。實驗教學(xué)和理論課程作為巖石力學(xué)專業(yè)中理論與實踐相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和積累實踐經(jīng)驗有重要作用[11]。然而，目前巖石力學(xué)實驗教學(xué)仍存在以下不足，且在疫情背景下呈現(xiàn)出新的特點，主要表現(xiàn)為以下幾方面：（1）疫情背景下，巖石力學(xué)實驗課程由于無法在實驗室進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生無法動手操作實驗，一些高校雖然采用錄制課件方式進(jìn)行，但由于教與學(xué)過程缺少及時交流，

使學(xué)生不能及時理解

實驗過程的知識內(nèi)容，教學(xué)效果較差;（2）學(xué)生數(shù)量大，且由于巖石力學(xué)試驗為破壞性試驗，成本較高，無法滿足每個學(xué)生單獨操作試驗機的機會，在實驗教學(xué)過程中主要靠實驗教師講解與操作演示[12];（3）巖石力學(xué)實驗教學(xué)以驗證為主，且實驗內(nèi)容多為經(jīng)典曲線，缺少創(chuàng)新性的實驗設(shè)計，最終導(dǎo)致實驗報告基本雷同;（4）在實驗教學(xué)過程中，物理演示實驗雖然直觀，但巖石試件在破壞過程中的應(yīng)力、位移、能量等信息無法直觀顯示，導(dǎo)致學(xué)生對相關(guān)概念的理解不深。

數(shù)值仿真技術(shù)和云計算技術(shù)是近些年以電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)興起的相關(guān)技術(shù)。其中，數(shù)值仿真技術(shù)基于電子計算機技術(shù)，通過對有限元等數(shù)值計算方法、圖像處理技術(shù)與方法的結(jié)合，實現(xiàn)對工程、物理等問題的直觀研究。 云計算技術(shù)以并行處理技術(shù)、分布式處理技術(shù)以及網(wǎng)格計算技術(shù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用軟件和虛擬仿真相關(guān)技術(shù)組成新型基礎(chǔ)架構(gòu)[13]。云計算技術(shù)的本質(zhì)在于采用虛擬化的技術(shù)和面向用戶的架構(gòu)模式，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群資源及其處理能力進(jìn)行整合，進(jìn)而為用戶提供安全、有效、便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)[14]。云計算技術(shù)的最大優(yōu)點在于任何地方用戶，都可以利用網(wǎng)絡(luò)終端對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。通過數(shù)值仿真技術(shù)和云計算技術(shù)的有效結(jié)合，可實現(xiàn)在高校巖石力學(xué)相關(guān)課程中應(yīng)用。一方面，不僅可以解決傳統(tǒng)實驗室演示實驗中的直觀顯示問題，而且還可以避免實驗過程中的多次重復(fù)，進(jìn)而降低實驗成本，并極大提高學(xué)生對巖石力學(xué)實驗的認(rèn)識與參與度;另一方面，

在云平臺上進(jìn)行數(shù)值仿真的過程中，通過云計算技術(shù)的應(yīng)用，可以降低數(shù)值仿真軟件對硬件設(shè)備的要求，解決普通個人電腦無法實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)值仿真計算和疫情期間高等學(xué)校巖石力學(xué)實驗上課難的問題。因此，本文通過對數(shù)值仿真技術(shù)和云計算技術(shù)的綜合應(yīng)用實踐，探討基于高校工學(xué)數(shù)值計算云平臺的創(chuàng)新教學(xué)方法，旨在為相關(guān)學(xué)科的實驗課程教學(xué)提供參考。

一、基于數(shù)值仿真軟件的高校工學(xué)數(shù)值計算云平臺

（一）數(shù)值計算云平臺結(jié)構(gòu)組成

在結(jié)構(gòu)組成上，數(shù)值計算云平臺主要包括數(shù)值計算軟件和云計算平臺兩部分。其中，數(shù)值計算軟件根據(jù)所采用的計算方法，可以分為有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、流行元法、拉格朗日法、不連續(xù)變形法以及無網(wǎng)格法等。相比個人電腦端的數(shù)值計算軟件程序，安裝在數(shù)值計算云平臺的數(shù)值計算軟件需滿足相應(yīng)的平臺環(huán)境配置，具體則視不同數(shù)值計算軟件的運行環(huán)境而定。云計算平臺體系結(jié)構(gòu)，主要包括應(yīng)用層、平臺層、資源層、管理層與用戶訪問層五種，如圖1所示。其中，資源層是將大量相同或相近類型的資源，構(gòu)成相同結(jié)構(gòu)或者近似相同結(jié)構(gòu)的資源池，如數(shù)據(jù)資源池、物理資源池等;平臺層可以為用戶提供對資源層相關(guān)服務(wù)的封裝，并在此基礎(chǔ)上使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對各功能

的應(yīng)用;應(yīng)用層可以為用戶提供軟件使用服務(wù);管理層可實現(xiàn)對所有層次云計算平臺的管理功能，如安全管理、服務(wù)目錄管理、服務(wù)使用計量、服務(wù)使用管理、部署管理以及運行監(jiān)控等;用戶訪問層可以為用戶提供云計算所需的各種支撐體系，針對不同層次的云計算服務(wù)提供相應(yīng)需要的接口。

云計算平臺的本質(zhì)在于以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，對相應(yīng)用戶提供計算服務(wù)。通過數(shù)值計算軟件與云計算平臺的有機結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)值計算軟件在云計算平臺中的功能搭載，和對數(shù)值計算軟件的云應(yīng)用。

（二）RFPA數(shù)值計算軟件

真實巖石破裂過程數(shù)值計算分析系統(tǒng)（Realistic Failure Process Analysis，RFPA），是基于有限元計算方法與統(tǒng)計損傷理論，在充分考慮巖石材料的非均勻性和巖體結(jié)構(gòu)缺陷隨機性的基礎(chǔ)上，將巖體材料相關(guān)性質(zhì)的統(tǒng)計分布假設(shè)與有限元數(shù)值計算方法相結(jié)合[15，16]。在力學(xué)邊界條件的加載下，對滿足相應(yīng)強度準(zhǔn)則的有限元單元進(jìn)行破壞處理，使得具有非均勻性特征材料的破壞過程能夠以數(shù)值仿真的方法得以實現(xiàn)。由于RFPA數(shù)值計算方法考慮到巖體材料的非均勻特性，使其能夠解決巖土工程中多數(shù)模擬軟件無法進(jìn)行破壞模擬的問題，如巖體邊坡失穩(wěn)、隧洞開挖、水工高壩安全穩(wěn)定性分析等。

RFPA系列數(shù)值計算軟件，在解決以上巖體工程相關(guān)問題的基礎(chǔ)上，更為直觀地呈現(xiàn)巖體相關(guān)模型在加卸載等力學(xué)邊界條件下的破壞過程，加深了學(xué)生對巖石力學(xué)課程中理論知識的理解[17]。此外，基于RFPA數(shù)值計算軟件，不同研究問題方面已有大量相關(guān)“可視化”研究成果，這些成果可直接應(yīng)用于對巖石力學(xué)相關(guān)學(xué)科實驗成果的輔助教學(xué)。將RFPA數(shù)值計算軟件與云計算平臺相結(jié)合，實現(xiàn)RFPA數(shù)值計算軟件在云計算平臺上的搭載，可以使學(xué)生在疫情期間及正常教學(xué)期間完成對巖石力學(xué)實驗相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。通過登錄云計算平臺，解決普通個人電腦端對于數(shù)值計算模型單元數(shù)量受限的問題，使學(xué)生在疫情期間對巖石力學(xué)實驗相關(guān)課程學(xué)習(xí)能夠

擺脫時間、空間、設(shè)備、硬件等條件限制。學(xué)生個體依托云平臺進(jìn)行RFPA數(shù)值計算模擬，使巖石力學(xué)實驗教學(xué)具有參與化、去地域化、直觀化等特點，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對巖石力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。

二、基于數(shù)值計算云平臺的教學(xué)方法改進(jìn)——以云平臺RFPA 3D為例

（一）教學(xué)方法創(chuàng)新思路

新冠疫情背景下，基于數(shù)值計算云平臺的教學(xué)改革總體思路，如圖2所示。首先，通過線上課堂教學(xué)，分別對高校工學(xué)巖石力學(xué)相關(guān)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況、巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與試驗方法、云平臺數(shù)值試驗方法以及相關(guān)學(xué)科的交叉融合知識點進(jìn)行介紹，目的是讓學(xué)生了解巖石力學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容，并對巖石力學(xué)課程有一定的總體認(rèn)識。其次，開展實驗室?guī)r石力學(xué)基本試驗，對巖石力學(xué)課程中巖石單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗等進(jìn)行演示。疫情期間直接開展巖石力學(xué)室內(nèi)試驗的教學(xué)難度較大，可以采用錄制+講解的方法，提前給出相關(guān)試驗的要點。再次，

采用視頻教學(xué)加云平臺上機操作相結(jié)合的方式，開展基于巖石力學(xué)理論模型讓學(xué)生開展云平臺巖石力學(xué)數(shù)值試驗。通過不斷改變數(shù)值試驗中模型的邊界條件、幾何條件以及力學(xué)參數(shù)等，在對比室內(nèi)試驗參數(shù)的基礎(chǔ)上得到云平臺數(shù)值計算所需計算參數(shù)。最后，根據(jù)巖土、采礦工程學(xué)科工程實際，基于云平臺數(shù)值試驗方法所獲取的巖石力學(xué)參數(shù)，對具體工程問題進(jìn)行模型建立，根據(jù)數(shù)值試驗結(jié)果對工程相關(guān)的實際問題進(jìn)行分析，并給出具體工程指導(dǎo)。

在以上教學(xué)方法創(chuàng)新思路中，云平臺巖石力學(xué)數(shù)值試驗與具體工程問題分析是教學(xué)方法的要點。通過對數(shù)值計算云平臺與線上教學(xué)方法的結(jié)合，使學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)值計算云平臺的結(jié)果，對巖土工程相關(guān)問題進(jìn)行分析，加深學(xué)生對巖土工程實際問題的認(rèn)識，達(dá)到對巖石力學(xué)知識理解與掌握的目的。

（二）數(shù)值計算云平臺使用方法——以云平臺RFPA 3D為例

數(shù)值計算云平臺使用主要包括云平臺登錄和RFPA 3D數(shù)值計算軟件應(yīng)用兩個方面。對于數(shù)值計算云平臺的使用，首先需登陸云數(shù)值計算平臺，并安裝圖形插件。在平臺下載中心，根據(jù)自己的操作系統(tǒng)選擇相關(guān)的圖形插件進(jìn)行下載與安裝。圖形插件下載安裝后，點擊連接即可登錄至數(shù)值計算云平臺，然后開始數(shù)值建模、計算、數(shù)據(jù)處理以及分析等工作，所建立的數(shù)值計算模型如圖3所示。

對于RFPA 3D數(shù)值計算軟件的基本原理與具體使用，可以參考RFPA 3D云平臺用戶手冊（中文版），在這里不再進(jìn)行贅述[18]。

（三）數(shù)值計算云平臺使用指導(dǎo)

在新冠肺炎疫情期間，為加強對學(xué)生數(shù)值計算云平臺指導(dǎo)，建立了相關(guān)線上交流群，對學(xué)生在云平臺數(shù)值計算學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題進(jìn)行及時答疑。在問題的解決過程中加深學(xué)生對巖石力學(xué)課程基本概念、數(shù)值計算方法的認(rèn)識，進(jìn)而加強學(xué)習(xí)效果，真正實現(xiàn)“停課不停學(xué)”的教學(xué)目的。

三、高校工學(xué)數(shù)值計算云平臺教學(xué)效果評析

（一）以數(shù)值試驗方法加強探索式學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)巖石力學(xué)課程教學(xué)中，主要通過單/三軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗、剪切試驗以及彎曲試驗等方法的試驗結(jié)果來建立相關(guān)理論模型與破壞準(zhǔn)則。然而，這些經(jīng)典理論和判斷準(zhǔn)則，大多數(shù)以數(shù)學(xué)公式的形式進(jìn)行展現(xiàn)，其學(xué)習(xí)過程極為枯燥，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在巖石力學(xué)理論課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計算云平臺的使用，開展RFPA 3D數(shù)值試驗;通過數(shù)值計算模型的建立，將巖石試樣從微破裂至宏觀破壞的過程顯現(xiàn)出來，并具體給出巖石試樣在破壞過程中的位移場、應(yīng)力場以及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。

在對云平臺基本數(shù)值計算方法掌握的基礎(chǔ)上，通過改變不同的巖石試樣幾何模型、力學(xué)邊界條件、巖石基本力學(xué)參數(shù)以及非均勻性程度，開展無標(biāo)準(zhǔn)答案的巖石力學(xué)數(shù)值試驗，

避免了學(xué)生課后作業(yè)完成過程中互相抄襲的問題，改善了學(xué)生課后學(xué)習(xí)效果。另外，通過多次數(shù)值試驗，有效地促進(jìn)了學(xué)生對巖石在破壞過程中的相關(guān)機理理解。

（二）數(shù)值試驗方法與巖體工程實際相結(jié)合

巖石力學(xué)相關(guān)理論方法以及解決問題的目的都來源于具體工程實踐，在不斷改進(jìn)和完善的基礎(chǔ)上，對其他工程建設(shè)起到指導(dǎo)作用。因此，在巖石力學(xué)課程的教學(xué)過程中，要注意將巖石力學(xué)理論與工程實際相結(jié)合，幫助學(xué)生增強對工程中“巖體”相關(guān)概念的認(rèn)知，使巖石力學(xué)教學(xué)與工程實際緊密結(jié)合。針對巖石力學(xué)課程與油氣開發(fā)、工程地質(zhì)、巖土工程、采礦工程等相關(guān)學(xué)科及工程實際的結(jié)合點，通過云平臺數(shù)值試驗可以獲得水力壓裂、采場、邊坡等工程在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞過程，如圖5所示。學(xué)生在此過程中，可以清晰地觀察石油開采過程中水力壓裂裂縫的萌生、貫通、擴(kuò)展以及延伸過程，并且能夠模擬出巖體能量場演化過程，這些都是在傳統(tǒng)巖石力學(xué)實驗課程上難以進(jìn)行并觀測的。同時，學(xué)生可以根據(jù)自己對于工程實際模型及力學(xué)邊界條件的掌握情況，對更加復(fù)雜的工程問題進(jìn)行模型建立和力學(xué)邊界條件加載，從而進(jìn)行更為深入的數(shù)值試驗，最終達(dá)到指導(dǎo)工程的目的。

巖石力學(xué)課程與水電工程建設(shè)密切相關(guān)。例如，在白鶴灘水電站的壩基、給水洞、排水洞等關(guān)鍵工程部位都廣泛分布有柱狀節(jié)理巖體，如圖6所示[19，20]。由于柱狀節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)特殊性，使其具有明顯的各向異性特征，了解和掌握柱狀節(jié)理巖體的相關(guān)力學(xué)特性對于水電站的設(shè)計、施工及安全穩(wěn)定性評價都具有十分重要的意義。另外，如此大規(guī)模的工程建設(shè)，所遇到的巖石力學(xué)問題眾多，則是進(jìn)行巖石力學(xué)課程教學(xué)的優(yōu)秀案例。

然而，由于白鶴灘水電站遠(yuǎn)在四川省與云南省的交界處，且路程艱險，無法要求學(xué)生到達(dá)工程現(xiàn)場，讓學(xué)生切身感受工程建設(shè)的壯觀及其在建設(shè)過程中所遇到的問題。

通過數(shù)值計算云平臺的使用，可以使學(xué)生真正了解相關(guān)工程建設(shè)，如白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖除具有玄武巖柱體以及柱間節(jié)理面等結(jié)構(gòu)外，還具有廣泛分布的緩傾角結(jié)構(gòu)面以及隱微裂隙等知識內(nèi)容[21]。一般對于天然柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究，無論是實驗室物理試驗還是數(shù)值計算方法，都是將柱狀節(jié)理巖體簡化為規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此所得到的力學(xué)特性及其變化規(guī)律與巖體實際會有所不同[22，23]。

另外，通過數(shù)值計算云平臺的使用，還可以建立基于不同結(jié)構(gòu)的柱狀節(jié)理巖體模型。如圖7所示，分別基于數(shù)值計算云平臺建立含隱微裂隙結(jié)構(gòu)的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體模型、不含隱微裂隙結(jié)構(gòu)的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體模型以及柱狀節(jié)理巖體概化模型，通過對比三種數(shù)值模型在相同力學(xué)邊界條件下的破壞模式及聲發(fā)射特征，可實現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理巖體的破壞模式及聲發(fā)射特征的探討，分析影響巖體破壞模式的主要原因，進(jìn)而為工程建設(shè)提供針對性建議。

通過數(shù)值計算云平臺的使用，將高校工科巖石力學(xué)的教學(xué)與具體工程實踐相結(jié)合，大大激發(fā)了學(xué)生對巖石力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，切實提高了學(xué)生對于巖體力學(xué)相關(guān)工程問題的認(rèn)識與理解，從而改善了巖石力學(xué)課程教學(xué)效果。

（三）通過課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力

教學(xué)與科研共同提高、相互促進(jìn)是高?？蒲信c教育發(fā)展的永恒主題。以科研促進(jìn)教學(xué)、以教學(xué)培養(yǎng)人才是“雙一流”建設(shè)的重要指標(biāo)。在教學(xué)過程中，充分利用數(shù)值計算云平臺及其他相關(guān)設(shè)備，將最新的科學(xué)研究成果或者工程現(xiàn)場實際、物理試驗及數(shù)值計算科研成果融合于課堂教學(xué)，特別是在疫情背景下通過線上課堂的方式對學(xué)生進(jìn)行講授與演示，則為高校工科巖石力學(xué)相關(guān)課程提供新的教學(xué)方法、注入新的活力，提高學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)的熱情，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，進(jìn)而增強了學(xué)生在工程實踐方面的創(chuàng)造性思維和以科學(xué)研究角度進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的能力。

對于石油開采中砂巖層和泥巖層水力壓裂的問題，在前期現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，開展了不同殘余強度系數(shù)條件下砂巖和泥巖巖芯在單軸壓縮條件下的數(shù)值試驗，利用云數(shù)值計算平臺獲取砂巖和泥巖巖芯的破壞過程及應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以研究不同種類巖石材料的特征強度及破壞過程，為不同巖層油氣開采的水力壓裂施工提供指導(dǎo)，部分?jǐn)?shù)值試驗結(jié)果如圖8所示。在云平臺數(shù)值試驗結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生對目前水力壓裂過程的前沿問題進(jìn)行研究，通過查找資料、閱讀文獻(xiàn)，將數(shù)值試驗過程中無法在實驗室室內(nèi)試驗觀測到的裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通與破壞整個演化過程進(jìn)行詳細(xì)描述，進(jìn)而對巖芯在破壞過程中的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。另外，鼓勵學(xué)生將所研究發(fā)現(xiàn)的成果以科研論文的形式進(jìn)行發(fā)表，可極大地提高學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)與水平。

由于基于RFPA系列數(shù)值計算軟件的云計算平臺具有操作簡單、實用性高等特點，對于巖石力學(xué)和高等巖石力學(xué)等課程中的多數(shù)試驗，都可以在該平臺進(jìn)行模擬試驗教學(xué)。在新冠疫情期間，該數(shù)值計算平臺已經(jīng)在大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、成都理工大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等高校使用，教學(xué)效果顯著。

四、結(jié)語

新冠肺炎疫情期間，針對高校工科實驗課程線上教學(xué)所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效率低、理解難度大以及教學(xué)效果差等難題，利用云數(shù)值計算平臺，對疫情背景下巖石力學(xué)實驗課的教學(xué)方法進(jìn)行了思考和創(chuàng)新，并付諸實踐，取得了較好教學(xué)效果。

（1）基于數(shù)值計算云平臺的高校工學(xué)巖石力學(xué)教學(xué)新方法，通過疫情期間實踐驗證，證明該方法可以有效解決巖石力學(xué)線上理論課枯燥乏味的問題，極大地提高了學(xué)生的參與度，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率有效提高，保證了疫情期間“停課不停學(xué)”的教學(xué)目標(biāo)。同時，云平臺的簡易操作特性也使其在相關(guān)高校進(jìn)行線上教學(xué)實踐成為可能。

（2）通過數(shù)值計算云平臺的使用，使工學(xué)巖石力學(xué)實驗課程與工程建設(shè)、物理試驗相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)巖石力學(xué)實驗課程以演示為主，無法滿足所有學(xué)生開展實驗的問題，同時通過對云計算平臺數(shù)值計算軟件的實際操作，極大地提高了學(xué)生認(rèn)識、解決工程實際問題的能力。

（3）在云計算平臺數(shù)值試驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生對相關(guān)工程中存在的具體問題進(jìn)行探索，并將探索結(jié)果以科研論文的形式進(jìn)行發(fā)表，極大地提高了學(xué)生的科研素質(zhì)與科研水平，為其科研道路發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：

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The innovation of teaching method based on cloud computing

platform under the background of COVID-19 epidemic

XIA Yingjie1， ZHAO Danchen1， TANG Chun’an1， LIANG Zhengzhao1， ZHANG Yongbin2

（1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology，

Dalian 116024， P. R. China; 2. Dalian Mechsoft Co.， Ltd.， Dalian 116000， P. R. China）

Abstract：

Under the background of COVID-19 epidemic， to protect the health and safety of teachers and students， the Ministry of Education issued the guidance on “classes suspended but learning continues”. In view of the problems such as the difficulty of online teaching， the low participation of students and the poor learning effect of experimental courses in colleges and universities， the innovative teaching method of experimental courses in colleges and universities based on the cloud platform of numerical calculation is proposed. The method solves the boring problems of engineering experimental courses during the epidemic period effectively， and improves students’ interest and learning efficiency. Through the actual operation of the cloud computing platform and numerical calculation software， it improves students’ ability to understand and solve engineering practical problems. In addition， based on the summary of engineering practical problems， it improves students’ scientific research quality and lays a good foundation for the development of their scientific research path.

Key words：

COVID-19 epidemic; engineering; numerical simulation; cloud computing platform; teaching mode

（責(zé)任編輯 崔守奎）