新工科背景下土木工程數(shù)值計算課程改革探索

徐薇　王斌

摘? 要? 新工科教育背景下，提出以進(jìn)階式能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的數(shù)值計算教學(xué)培養(yǎng)模式。以數(shù)值計算中FLAC3D課程改革探索為例，提出解決問題能力培養(yǎng)初、中、高級三個階段，并給出相應(yīng)的教學(xué)培養(yǎng)模式，即首先采用線上線下混合教學(xué)；再通過基于實際工程問題的融合式案例庫進(jìn)行融合式教學(xué)，包括教師批改和學(xué)生互評、以賽促教等方式；最后以“教—研—學(xué)”“多學(xué)科交叉”“校企融合”的多種類互動培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生編程能力、理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新能力。該三級進(jìn)階式培養(yǎng)方式已在近年來的教學(xué)及成果產(chǎn)出中取得突出成績。

關(guān)鍵詞? 新工科；FLAC3D；培養(yǎng)模式；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0100-04

0? 引言

近年來，隨著全球科技和經(jīng)濟的發(fā)展和變化，世界各國都在努力搶占人才高地。習(xí)近平總書記在《求是》雜志撰文指出：“我們迎來了世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革同我國轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的歷史性交匯期，既面臨著千載難逢的歷史機遇，又面臨著差距拉大的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?！?/p>

工程科技在這一輪的產(chǎn)業(yè)革命、經(jīng)濟發(fā)展和社會進(jìn)步中都扮演著重要的杠桿作用。在工程教育改革中，是否能牢牢抓住這次重大機遇，不與其擦肩而過，是我們廣大教育工作者面臨的新挑戰(zhàn)。在這一背景下，教育部從2016年提出新工科（Emerging Engineering Education）的概念，“復(fù)旦共識”“天大行動”到“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，各個高校都進(jìn)行了深入的研究和探討。

新工科以工科為背景，以“新”為指引方向，對學(xué)生的培養(yǎng)強調(diào)這幾個方面[1-4]。1）學(xué)生的分析和實踐能力。要求學(xué)生在掌握基本知識的同時，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的分析和實踐能力以及道德水準(zhǔn)和終身學(xué)習(xí)能力。在不同的培養(yǎng)階段，依據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)整要求進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整。2）創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新基于對原有的傳承，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，以迎接我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展變化帶來的挑戰(zhàn)。在高校培訓(xùn)體系中，也需要對學(xué)生自主選課、個性化課程體系設(shè)置、小班化教學(xué)和本科生“導(dǎo)師制”進(jìn)行探索和調(diào)整。3）學(xué)科間的交叉[5]和產(chǎn)學(xué)研融合。學(xué)科間的交叉包括學(xué)科內(nèi)不同課程內(nèi)容的交叉、不同學(xué)科之間的交叉，激發(fā)了新的研究課題和方法。產(chǎn)學(xué)研融合，如清華大學(xué)中關(guān)村模式，斯坦福硅谷模式，劍橋大學(xué)科技園模式等都充分證明了產(chǎn)學(xué)研模式的重要性。因此，在這一背景下，工科課程的教育教學(xué)需要緊緊圍繞時代要求加快改革，更好地應(yīng)對未來復(fù)雜多變的發(fā)展變化。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土木工程專業(yè)和城市地下工程專業(yè)課程數(shù)值計算方法是基于ITASCA公司數(shù)值計算軟件FLAC3D，面對兩個專業(yè)的本科生所開設(shè)的課程。該數(shù)值計算軟件基于有限差分方法，是對土、巖石、地下水、構(gòu)造物和支護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行巖土工程分析的數(shù)值建模軟件?？捎糜诜治龉こ淘O(shè)計、安全系數(shù)預(yù)測、試驗測試以及反分析等[6]。FLAC3D在土木工程，特別是巖土工程領(lǐng)域獲得了巨大的成功，在我國及世界上多個重要工程中有著廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，盡管都是借助計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算軟件與常規(guī)的設(shè)計軟件，如PKPM、理正、啟明星等存在較大的差異。數(shù)值計算軟件以數(shù)學(xué)思維能力和計算機編程能力為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)值分析軟件解決土木工程實際問題的能力為目標(biāo)，為土木工程專業(yè)培養(yǎng)了眾多高素質(zhì)應(yīng)用型人才。以FLAC3D為例，將數(shù)值計算軟件解決問題的能力分為以下三個層次。

1? 運用數(shù)值計算解決基本問題能力的培養(yǎng)

1.1? 數(shù)值計算軟件使用的基本能力

1.1.1? 了解軟件的基本原理

任何一門數(shù)值計算軟件的發(fā)展和應(yīng)用其本質(zhì)都是數(shù)值分析方法與工程應(yīng)用的結(jié)合。同時任何一門數(shù)值計算軟件都有其明確的數(shù)學(xué)、力學(xué)原理，而這些原理直接決定了數(shù)值計算軟件的適用性。本科生數(shù)學(xué)和力學(xué)認(rèn)知范圍有限，但仍然需要明確其基本原理，分析問題的適用性，而不是隨意地使用。

1.1.2? 掌握軟件的基本操作

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和軟件的更新迭代，數(shù)值計算軟件在人機互動操作上也進(jìn)行了大范圍的優(yōu)化。從原先的依靠純代碼發(fā)送指令，到鼠標(biāo)菜單操作，使用者學(xué)習(xí)操作的效率有了很大的提升。對于初級階段的學(xué)生，需要掌握基本的操作方法，為后續(xù)解決問題打下基礎(chǔ)。

1.2? 應(yīng)用數(shù)值計算軟件分析求解能力

通常，采用數(shù)值計算軟件解決問題的一般步驟如圖1所示。

數(shù)值分析求解工程實際問題時，注重邏輯思維能力的培養(yǎng)，其中最基本的就是熟練掌握解題步驟，全面考慮參數(shù)對實際工程的影響，才能保證結(jié)論的正確性。常規(guī)的地下工程問題，如深基坑開挖、邊坡的穩(wěn)定性分析、隧道開挖等已經(jīng)積累了大量的工程案例，學(xué)生通過對經(jīng)典的案例進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿，可以獨立完成一般性的問題研究和分析。結(jié)合土力學(xué)、地基處理、基礎(chǔ)工程等專業(yè)課程的知識，對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析和評估。在這個階段，學(xué)生在使用計算軟件建立模型的過程中，存在一定程度的創(chuàng)新，但是總體還是以能熟練使用軟件，分析和解決一般性問題為主。

2? 中、高級能力的培養(yǎng)

第一階段即數(shù)值計算軟件使用的基本能力的培養(yǎng)已經(jīng)完全覆蓋和滿足教學(xué)大綱的要求。在中國礦業(yè)大學(xué)（北京）經(jīng)過8個理論課時和16個實踐課時的教學(xué)后，所有學(xué)生均可以掌握FLAC3D數(shù)值計算軟件的基本原理背景和處理一般問題的方法?？梢元毩⒔鉀Q基本的巖土工程問題，如盾構(gòu)隧道開挖、基坑開挖加固、樁基礎(chǔ)受力分析等。但是，新工科的持續(xù)推進(jìn)對工程人才培養(yǎng)提出了更高的要求。美國工程院發(fā)布的The Engineer of 2020： Visions of Engineering in the New Century（2020的工程師：新世紀(jì)工程愿景報告）中指出，除了基本的專業(yè)素養(yǎng)和道德水準(zhǔn)外，分析能力、實踐能力、創(chuàng)造力和保持終身學(xué)習(xí)的能力都是未來優(yōu)秀的工程師所必須具備的能力。《中國制造2025》指出，目前我國的工業(yè)4.0是工業(yè)2.0補足短板、工業(yè)3.0普及以及工業(yè)4.0示范的“并聯(lián)式”發(fā)展。數(shù)字化普及和智能化生產(chǎn)是工業(yè)4.0的兩大重要目標(biāo)。現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著新基建的開展，工程體量和項目的復(fù)雜程度都有極大的增長。本課程中、高級能力的培養(yǎng)即為滿足這一要求。

2.1? 編程能力

FLAC3D軟件擁有其自身的FISH語言，與C語言、Java語言、Python語言相比，其邏輯結(jié)構(gòu)基本類似，但更簡潔明了。學(xué)生可以通過自定義FISH函數(shù)修改基元網(wǎng)格以創(chuàng)建符合工程實際的網(wǎng)格，即編程能力最基本的要求就是利用計算機編程語言解決實際問題的能力，當(dāng)學(xué)生具有一定的計算機語言基礎(chǔ)后，通過舉一反三的思維模式，在模型建立階段，可以極大地提高處理復(fù)雜工程問題的效率。

中、高級能力培養(yǎng)階段，編程能力不僅是運用計算機語言解決問題的能力，更要求學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計時抓住問題關(guān)鍵，舍去對實際工程問題影響較小的因素，添加合理的假設(shè)以簡化實際問題。

2.2? 理論聯(lián)系實際解決問題的能力

數(shù)值計算對實際問題分析結(jié)果的準(zhǔn)確性的影響主要體現(xiàn)在：信息化、智能化工程建設(shè)，數(shù)值計算中模型建立的準(zhǔn)確性，本構(gòu)關(guān)系的選擇，計算參數(shù)的確定等。以本構(gòu)關(guān)系的選擇為例，在數(shù)值計算中，本構(gòu)關(guān)系的建立和選擇是最重要也是最困難的環(huán)節(jié)之一，直接影響計算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。不同的材料適用于不同觀點的本構(gòu)關(guān)系，即使是同一種材料，在不同的物理作用下具有不同的變化規(guī)律。

理論聯(lián)系實際的要求則是指學(xué)生將多因素的工程問題抽象成力學(xué)模型建模的能力。所有復(fù)雜的工程問題的本質(zhì)，都是抽象后的力學(xué)模型，學(xué)生在分析問題的過程中由繁到簡，抓住問題的核心進(jìn)行分析計算，與初級階段的案例模仿存在著較大的差別。一些稍復(fù)雜的理論模型，如巖土工程中巖土體的屈服和流動特性等，學(xué)生都可以通過編程在數(shù)值計算軟件中實現(xiàn)。

以智能化生產(chǎn)為例，目前我國城市軌道交通事業(yè)迅速發(fā)展，盾構(gòu)法作為一種先進(jìn)的施工方法被廣泛地運用。根據(jù)不同的地質(zhì)條件和設(shè)計要求，又劃分為泥水平衡盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)和敞口式盾構(gòu)等。在盾構(gòu)施工前期，盾構(gòu)的掘進(jìn)、管片拼裝、渣土運輸和各類參數(shù)對施工的安全性和周圍環(huán)境的影響需要進(jìn)行預(yù)先評估，從而最大限度地預(yù)判風(fēng)險并制定相應(yīng)的措施保證工程順利施工。采用數(shù)值計算軟件在工程施工前進(jìn)行模擬分析是目前常用的一種方法。在中、高級階段，學(xué)生通過計算機編程語言，搭建框架并對軟件進(jìn)行二次開發(fā)后，可以實現(xiàn)計算機自動建模，無需人工重復(fù)建模、手動設(shè)置參數(shù)等步驟，大大提高了計算分析效率。通過與類似已有工程數(shù)據(jù)對比分析，提出更優(yōu)的施工方案和施工方法，從而指導(dǎo)實際工程。這就要求學(xué)生同時具有良好的專業(yè)基礎(chǔ)、計算機技能、管理學(xué)知識和一定的創(chuàng)新思維。對于本科階段的學(xué)生，采用循序漸進(jìn)的引導(dǎo)方式。基于教師引導(dǎo)和自主學(xué)習(xí)，得到漂亮的計算云圖和曲線，學(xué)生的成就感和學(xué)習(xí)興趣成倍增長，逐步解決復(fù)雜的土木工程問題。

3? 進(jìn)階式能力培養(yǎng)成效

3.1? 教學(xué)模式改革

基于進(jìn)階式的培養(yǎng)理念[7]，對課程進(jìn)行教學(xué)改革。在數(shù)值計算軟件使用的基本能力的培養(yǎng)階段，采用線上線下混合教學(xué)的授課模式。線上教師著重講解基礎(chǔ)理論和操作方法，線下學(xué)生結(jié)合實例進(jìn)行進(jìn)階練習(xí)，夯實基礎(chǔ)，提高學(xué)習(xí)效率。線上線下混合教學(xué)模式將傳統(tǒng)的知識灌輸式課堂轉(zhuǎn)向開放課堂，以教學(xué)并重為理念，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)自主性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。在基本能力的培養(yǎng)階段，應(yīng)將書本中的經(jīng)典巖土工程、隧道工程案例與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣結(jié)合起來，以小組討論的方式，提高學(xué)生的工程思維能力和編程能力。

在中級能力的培養(yǎng)階段，利用所積累的經(jīng)典、典型工程案例庫，在實踐課中編寫程序，對有問題的地方進(jìn)行研討和創(chuàng)新設(shè)計，在課后進(jìn)行數(shù)值計算的完成與完善，提交課程報告。采用老師批改和學(xué)生互評的方式，提高學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)生的主人翁精神；同時，以賽促教，在備賽、比賽過程中，教師潛移默化地傳授知識，有利于抓住教學(xué)重點，發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題，優(yōu)化教學(xué)方式，提高教學(xué)水平，同學(xué)之間相互學(xué)習(xí)、相互促進(jìn)，營造積極向上的學(xué)習(xí)氛圍。同時可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強實踐能力，從而實現(xiàn)在賽中教、在賽中學(xué)、在賽中改。圖2是以北京地鐵12號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道開挖為例，學(xué)生對盾構(gòu)開挖的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化后所獲得的隧道豎向沉降云圖。

高級能力的培養(yǎng)覆蓋范圍和培養(yǎng)方式較初、中級則有較大的區(qū)別。首先，培養(yǎng)范圍不再面對所有選課的學(xué)生，更多地向未來有從事進(jìn)一步研究的學(xué)生展開。其次，不同的學(xué)生由于其研究方向和基礎(chǔ)不相同，需要對每位學(xué)生展開個性化的培養(yǎng)方式。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，在教學(xué)中構(gòu)建了“教—研—學(xué)”“多學(xué)科交叉”“?！笕诤稀钡亩喾N類互動培養(yǎng)模式，如“校—企融合”的培養(yǎng)模式，學(xué)校通過企業(yè)了解了實際前沿工程問題，同時增強學(xué)生的理論聯(lián)系實際的能力，解決學(xué)校教育與社會需求脫節(jié)的問題；企業(yè)通過學(xué)校解決了自身遇到的難題從而降低成本。圖3、圖4為學(xué)生以北京某市政道路下穿運營地鐵線路為背景，在傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出采用Plastic Harding本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，取得了較好的效果。所提出的優(yōu)化建議被工程所采納，保證了運營地鐵的安全和施工的順利進(jìn)行。

3.2? 教學(xué)改革成果

經(jīng)過三年的教學(xué)改革，這種基于三個階段進(jìn)階式的培養(yǎng)教學(xué)改革取得了明顯的效果。針對不同的思維和培養(yǎng)階段，采取不同的教學(xué)模式，滿足了學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)要求。通過初級階段互動式教學(xué)，學(xué)生掌握基本知識的效率明顯提高。而中、高級培養(yǎng)階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了激發(fā)，潛能獲得了充分的釋放。學(xué)生成績的優(yōu)秀率和平均分逐年提升。很多學(xué)生借助本課程的知識學(xué)習(xí)，積極參加“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽和全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及其他各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，累計獲獎11項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。

4? 結(jié)束語

數(shù)值計算是未來土木工程、智能建造環(huán)節(jié)重要的課程，本文提出FLAC3D解決問題能力培養(yǎng)初、中、高級三個階段，并給出相應(yīng)的教學(xué)培養(yǎng)模式。

對于基礎(chǔ)思維能力培養(yǎng)采用線上線下混合教學(xué)方法培養(yǎng)解決基本問題的能力；對于中階能力培養(yǎng)，采用基于實際工程問題的融合式教學(xué)、教師批改和學(xué)生互評、以賽促教等方式，培養(yǎng)學(xué)生編程能力和理論聯(lián)系實際的能力；對于高階能力培養(yǎng)，采用“教—研—學(xué)”“多學(xué)科交叉”“?！笕诤稀钡亩喾N類互動培養(yǎng)模式，針對學(xué)生特點充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究潛力。

采用三級進(jìn)階式培養(yǎng)方式的教學(xué)改革在中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的教育教學(xué)中取得突出的成績，學(xué)生在學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計、未來的研究深造中都取得了較大的突破，這種思維模式的培養(yǎng)對未來在新工科教育模式中的數(shù)值計算教學(xué)改革具有很好的借鑒意義。

5? 參考文獻(xiàn)

[1] 黃華，葉艷霞，吳濤，等.“新工科”視域下土木工程人才培養(yǎng)改革與實踐[J].西部素質(zhì)教育，2022，8（1）：10-12.

[2] 龔鵬劍.新工科產(chǎn)教融合研究性課堂教學(xué)改革的路徑探討[J].教育教學(xué)論壇，2022（9）：1-4.

[3] 吳巧云，肖如峰.“新工科”時代背景下德才兼?zhèn)湫屯聊竟こ倘瞬排囵B(yǎng)改革與實踐[J].高等建筑教育，2020，29（2）：8-15.

[4] 張偉，陳仁山.“新工科”背景下應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].教育現(xiàn)代化，2020（36）：88-91.

[5] 劉鎮(zhèn)，周翠英.多學(xué)科交叉滲透的復(fù)合型土木工程人才培養(yǎng)模式探索[J].高等建筑教育，2014（2）：12-15.

[6] 劉波，李濤，韓彥輝.土木工程FLAC/FLAC 3D實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[7] 張娟.基于進(jìn)階式力學(xué)思維培養(yǎng)的理論力學(xué)教學(xué)研究[J].力學(xué)與實踐 2022（4）：947-954.

*項目來源：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項目“《土木工程數(shù)值計算》實踐教學(xué)改革”（項目編號：J210605）。

作者簡介：徐薇，博士，講師。