張搏 張吉 王林均 洪京京

關鍵詞 土木工程 力學教學 實驗 可視化

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.052

Keywords civil engineering; mechanics teaching; experiment; visualization

1 目前土木工程力學教學中的問題

傳統(tǒng)力學教學，主要是依據(jù)教材內(nèi)容采用PPT或黑板版書方式，在課堂上由教師進行講授。使用這種方式，在幫助學生認知、理解力學體系和各門力學課程的交叉依存關系等有重要作用和意義，但是在知識應用和自學能力培養(yǎng)時，相比采用室內(nèi)實驗和可視化技術則存在明顯的劣勢。學生在實驗室通過操作實驗設備，完成材料力學或結構力學實驗，可以生動直觀的感受到構件或結構的力學響應;而通過可視化技術，如動畫視頻或數(shù)值模擬，學生們可以透過構件或結構的表面變形，看到其內(nèi)部應力與應變的分布，更加深刻的理解土木工程專業(yè)中的各種力學概念。

2 實驗教學在土木工程力學教學中的應用

土木工程力學教學的每個環(huán)節(jié)都離不開實驗和驗證，只有經(jīng)過實驗和實踐的驗證，才能明確關系、明確邊界，正確指導實踐。實驗是模型化的實踐，是實踐的特例，學習理論的過程若能附以實驗教學，也就搭起了理論聯(lián)系實踐的橋梁。實驗的過程，不僅僅是簡單驗證的過程，實驗的過程也是一個檢驗自身理論水平的過程，對同一實驗的同認識水平、能做多復雜的實驗，真實地反映理論層次，而理論水平的層次決定了解決工程問題的性質。通過實驗，學生能夠檢驗自己的理論水平，對比工作要求，就有了定位和方向。因此，如果學生能夠清楚知道所要從事的工作需要具備的理論層次，就會知道自己應該學習那些理論、學到何種層次，并知道如何去學習，這時學生就有自主學習能力了。這個把知識轉化成能力的能力，這是解決工程問題的基礎，也是工科大學時重要的基本能力。

如前所述，為了能使多層次的學生都能的得到正反饋，我們就需要設置不同層次的實驗項目，而這個不同層次實驗項目的支撐就是實驗模型，實驗模型是一個廣義的概念，我們把所有實驗對象都歸結為實驗模型，包括一個簡單的試件，為方便模型層次展示，我們把模型分為三種，理想模型（也稱簡化模型，驗證假定、算法，建立基本專業(yè)概念），也可以是變參量的理論模型（多參量系列變化模型，展示變量對結果的影響，強化基本概念，明確趨勢），也可以是工程模型（相似模型-分析設計特點，尋找優(yōu)化方向、判斷損傷、破壞原因）。這種多層次的試驗教學對構件和結構進行應力如何平衡外力、變形來源、破壞形式進行分析的思維模式對以后的學習非常有利，每門專業(yè)課程的核心基本概念都可簡化成特定的模型進行特定的加載方案。有了這個設計理念，不僅可方便學生多層次理解理論，而且學生也可根據(jù)自己理解設計實驗模型、實驗教具，這對基本概念的理解、對邊界分析有極大幫助，也為學生參加周培源力學大賽、大學生結構大賽等打下深厚的基礎，注意積累就容易形成了一個開放式創(chuàng)新平臺。為了達到這個目的，還要設計具有針對性的力學實驗教材。

實驗預習報告和實驗報告是培養(yǎng)學生實踐能力的重要環(huán)節(jié)。實驗的過程是一個驗證的過程，若實驗前沒有一個需要驗證的關系，沒有自己想法，那實驗就成了說教，因此在試驗教學中需要學生帶著假定和疑問，這就需要精心設置實驗預習報告。實驗預習報告須獨立完成，報告每道題目的完成時間約為一個小時，這樣每個實驗的預習時間大約需要3-5天的時間。實驗預習報告和實驗報告都是具有多層次的，分為A-E級，A-感性認識及前置基本概念、B-基本概念及規(guī)范標準對應解釋、C-概念量化、D-邊界分析及設備操作關鍵點、E-研究類實驗。通過這樣設計預習報告和實驗報告，有利于針對不同層次的學生進行不同層次的學習。

3 可視化教學在土木工程力學教學中的應用

材料力學和結構力學中的應力集中、剪切/扭轉破壞、和強度理論等傳統(tǒng)教學中存在的疑難抽象問題，借助現(xiàn)代化信息技術均可迎刃而解。目前國內(nèi)外高校力學教材上的例題基本都采用高度抽象模型，構件與結構用細直線表述。而利用可視化手段后可通過社會實際生產(chǎn)項目進行講解，學生更加明確所學知識的應用場景，掌握解決實際問題的規(guī)律后，可歸納外推到其它問題領域，如圖1所示。相比傳統(tǒng)教學手段，動畫傳遞的信息量和速度遠遠大于文字和PPT，采用3D可視化圖形能更清晰的表達出復雜的扭轉振型，以及形狀優(yōu)化等難度大、含金量高的知識點。

可提供具備搜索功能的平臺，隨著輸入檢索詞的變化給出實時的提示。由于可視化短視頻/圖片均已數(shù)據(jù)化（數(shù)據(jù)化為數(shù)據(jù)庫字段），本搜索功能與百度公司的搜索技術類同，但是比百度更專業(yè)，因百度為通用型搜索引擎，其搜索核心算法雖比較強大，但搜索到的內(nèi)容比較龐雜，輸入一個檢索問題，通常會有多個檢索結果，給出結論的依據(jù)不足（未嚴格列舉其引用依據(jù)），而知識庫中搜索結果可經(jīng)過本學院多名具有豐富力學教學經(jīng)驗的老師反復研討和論證，可靠性高。

4 實驗教學與可視化教學在土木工程力學教學中的應用

把實驗和可視化兩種手段相結合，既可以提升科研水平，又可以促進教學能力。高校教師通過相應的科研領域，關注學科前沿動態(tài)，并付諸實踐。在教學中，又可以將其引入教學內(nèi)容中，使學生直觀了解所學課程的應用領域，加深對課程的理解和掌握，引起對科學研究的興趣。在土木工程專業(yè)的教學與科研中，同樣可以進行相應的嘗試。如Hajialilue-Bonab等人研制了一個小型物理模型實驗裝置（圖2），在松散的砂土中進行水平荷載下的樁-土相互作用實驗。在水平向加載樁的過程中，同時從側面和模型頂部拍攝了數(shù)字圖像。而后應用粒子圖像測速（PIV）這種可視化方法，從數(shù)字圖像中獲取樁周砂土的變形和應變?；赑IV分析，繪制了具有圓錐形狀的三維應變楔（圖3），推導了應變楔的方程，并通過應力-應變極限平衡分析得到了樁的側向荷載響應。根據(jù)不同的樁土特性估算了個樁的側向承載能力。通過這樣的實驗與可視化相結合的辦法，可以做到科研帶動教學，并帶動學生的學習興趣。

綜上所述，傳統(tǒng)的土木工程力學教學方式，并不能完全滿足新時期土木工程專業(yè)的教學要求，應該深入挖掘實驗教學和可視化教學的優(yōu)勢，充分激發(fā)學生對力學課程的興趣，使其加深對力學的理解和領悟。尤其對于地方應用型高校，應該加強對應用型與實踐型人才能力的培養(yǎng)，推動高校土木工程專業(yè)力學課程教育的現(xiàn)代化。

課題名稱及編號：基于材料力學與土力學的教學實驗裝置研發(fā)，201802346015

參考文獻

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