基于上机实践的桥梁电算课程教学改革研究.docx

基于上机实践的桥梁电算课程教学改革研究

鲁乃唯 王凯
摘 要：桥梁电算课程是随着计算机技术发展而兴起的一门相对较新颖的课程，教学目的是熟练运用有限元软件分析桥梁结构的复杂力学问题，为完成桥梁工程毕业设计奠定基础。然而该课程的教学理念与工程实践脱节，且方法不太成熟，导致毕业设计过程中计算效率低、设计进度慢、设计质量差等问题。本文总结分析桥梁电算课程教学过程中普遍存在的一些共性问题，进而从该课程的工程应用角度解析课程的特点，最后从上机实践角度审视桥梁电算教学改革的措施。
关键词：桥梁工程;桥梁电算;实践教学;有限元;计算机
：F319.56  ：A
Abstract：The course of bridge computing is a relatively new course with the development of computer technology.The purpose of the course is to skillfully analyze the complex mechanical problems of bridge structure with the finite element software，and to lay a foundation for the completion of the graduation design of bridge engineering.However，the teaching concept of this course is disconnected from engineering practice，and the method is not mature，which leads to the problems of low computational efficiency，slow design progress and poor design quality in the process of graduation design.This paper summarizes and analyzes some common problems in the course of bridge computer calculation teaching，and then analyzes the characteristics of the course from the perspective of engineering application，and finally examines the measures of bridge computer calculation teaching reform from the perspective of computer practice.
Key words：bridge engineering;bridge computation;practical education;finite element;computer
桥梁电算是桥梁工程专业的一门专业基础课，一般开设于大四上学期。[1]该课程的主要目的是熟练运用有限元软件分析桥梁结构的复杂力学问题，为完成桥梁工程毕业设计奠定基础。目前，桥梁结构呈现出跨度大、结构复杂化、材料种类多样化的趋势，对桥梁电算精度与效率的要求越来越高。[2]随着计算机技术的快速发展，有限元软件的种类日益繁多，计算效率逐步提高，桥梁电算的作用能够满足不同类型的模拟与分析。在桥梁结构复杂化与计算机技术突飞猛进的双重现实条件下，桥梁电算的重要性日益凸显。
由于桥梁电算是随着计算机技术发展而兴起的一门相对较新颖的课程，该课程的教学体系尚未完善。[3]从作者近年来的教学过程中发现该课程的教学理念与社会脱节，且方法不太成熟，導致教学效果不佳。受该课程教学效果最直接的影响是桥梁工程专业毕业设计，也是导致毕业设计过程中计算效率低、设计进度慢、设计质量差等问题的主要原因。[4]在建设工程项目迫切需要桥梁电算技术，而高校对该课程的教学认识与方法尚末完善的情况下，亟需研究课程教学改革措施。
本文总结分析桥梁电算课程教学过程中普遍存在的一些共性问题，进而从该课程的工程应用角度解析课程的特点，最后从上机实践角度审视桥梁电算教学改革的措施。
1 桥梁电算课程特色
桥梁电算是一门基于结构力学分析与有限元理论的综合性课程。一方面，需要以三大力学为理论基础，基于力学理论推导计算，并验证力学理论的正确性;另一方面，课程学习的最终目的是进行有限元软件操作与分析，在明白力学分析的理论基础之上，还应能够进行电脑操作计算，达到精确与高效地完成结构分析的目的。桥梁电算课程将力学知识与有限元理论进行了有机整合，通过课程的学习，也达到了将前期的专业课知识夯实的目的。
桥梁电算也是一门考验学生动手编程能力的实践性课程。[5]桥梁电算程序的实现很大程度依据于编程语言与有限元软件的进步。随着计算机技术的迅速发展，编程语言较为丰富，如MATLAB、C语言、Fortrain语言、VB语言等，大大方便了电算程度的编制与计算。同时，市场上出现了诸多商用的桥梁电算软件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/CIVIL，以及国内的桥梁博士等软件。这些有限元分析软件为桥梁电算课程的教学与实践提供了有利条件。
综合性与实践性导致桥梁电算课程考核较为困难。因此该课程的实践能力占据课程教学目的主要成份，传统的考试与考查方式均不适于对该课程考核。若以传统的笔试方式进行考核，那么结构计算需要大量的矩阵分解与乘除，一方面计算时间不允许，另一方面“手算”的考核方式完全没有达到“电算”的目的。
2 传统理论教学的主要问题
传统的桥梁电算课程是以理论教学为主，侧重于讲解二维、三维结构的矩阵位移法，以及结构稳定与振动等方面的基本理论。根据作者在桥梁电算课程教学过程的经验，现将传统理论教学所存在的问题总结如下：
（1）总课时量少，且理论课占比高。在桥梁电算课时量较低的情况下，理论课时量占比较高，导致上机实践量极不为足。以长沙理工大学为例，桥梁电算课程的总课时量为32课时，其中理论课时占26个课时，上机课时量仅6个课时。
（2）以教材内容为主，工程实践匮乏。桥梁电算课程主要用来分析并解决实际工程结构分析问题，也传统的力学课等理论课的定位有所不同。因此，不能仅仅依靠教材内容，还应增加工程实践内容。另外，桥梁电算的教材并未统一，导致每个教师授课内容不同，有些以有限元理论为主，有些则过多介绍工程问题，而忽略了计算分析能力。
（3）过多依赖软件，理论基础不扎实。桥梁电算的基础是三大力学，但过多强调力学基础会导致课堂乏味，也会导致重复教学。另一个极端就是教学中过多依赖软件，导致学生对计算原理不清楚，对计算结果正确与否无把握。
3 基于上机实践的改革措施
根据桥梁电算教学目的，将前期所学习的专业基础，如三大力学、土木工程材料、结构设计原理等课题，综合应用于解决实际工程问题。而联系理论基础与工程问题的纽带即为有限元建模与分析。然而，有限元的建模与计算分析是无法在常规课堂上所教授，而应在计算机教室开展。因此，基于上机实践的桥梁电算授课理念有望解决传统教学在实践应用方面的问题。
桥梁电算上机实践不仅仅是学习桥梁计算软件，如MIDAS、ANSYS等，而是基于计算理论推导有限元模型，从而验证计算理论。因此，基于上机实践的桥梁电算教学改革措施主要包含以下向个方面：首先，明确结构计算理论，比如二维杆单元的刚度矩阵及内力求解方法，采用理论方法计算结果;其次，掌握有限元建模的基本步骤，关键在于明确每个操作步骤所对应的理论依据;再次，采用电算方式计算结果，并与手算方法进行对比;最后，改变结构电算参数，明确结构参数对计算结果的影响。采用上述教学方法不仅可让学生明确理论知识，更加强调了动手操作的能力，而且通过参数修改了解每个结构参数对计算结果的内在影响。在长沙理工大学的桥梁电算课程中，增加了3项上机专题教学课程：“用梁格法对简支T梁桥建模分析”、“用FCM建模助手做刚构桥梁施工阶段分析”、“PSC与RC梁的设计验算”。通过上述3个专题实践使学生对电算知识有着由浅至深的认识，同时也实际工程项目的虚拟模型化分析有个初步认识。
桥梁电算的上机实践课程是对理论教学的补充和提升，使得学生真正理解到理论知识点是如何应用到工程实践中的，引导学生走出课本，走向工程应用。事实上，桥梁电算的理论教学与上机实践教学是相辅相成的，在上机实践中不仅要懂如何操作计算软件，更要明白计算软件参数是如何通过计算理论来影响计算结果的。在目前的教学侧重于理论教学的现实情况下，有必要加强上机实践在课程教学中的比重。
参考文献：
[1]熊文，叶见曙.基于结构算例专题的桥梁电算课堂教学方法[J].教育教学论坛，2018（14）：168-170.
[2]韩艳，李悦.桥梁电算课程教学研究[J].教育教學论坛，2018，13：142-143.
[3]徐略勤.桥梁结构电算课程理论与实践一体化教学模式探索[J].高等建筑教育，2015，24（1）：75-78.
[4]林建平.实际工程案例在“桥梁结构电算”课程教学中的应用[J].科教文汇，2017，13：40-42.
[5]王达，刘扬.“桥梁电算”课程建设与教学研究[J].中国电力教育，2014，15：67-68.
基金项目：长沙理工大学2019年教研教改项目资助

-全文完-