魯乃唯 王凱

摘 要：橋梁電算課程是隨著計算機技術(shù)發(fā)展而興起的一門相對較新穎的課程，教學(xué)目的是熟練運用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)問題，為完成橋梁工程畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。然而該課程的教學(xué)理念與工程實踐脫節(jié)，且方法不太成熟，導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計過程中計算效率低、設(shè)計進度慢、設(shè)計質(zhì)量差等問題。本文總結(jié)分析橋梁電算課程教學(xué)過程中普遍存在的一些共性問題，進而從該課程的工程應(yīng)用角度解析課程的特點，最后從上機實踐角度審視橋梁電算教學(xué)改革的措施。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;橋梁電算;實踐教學(xué);有限元;計算機

中圖分類號：F319.56 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

橋梁電算是橋梁工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，一般開設(shè)于大四上學(xué)期。[1]該課程的主要目的是熟練運用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)問題，為完成橋梁工程畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。目前，橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、材料種類多樣化的趨勢，對橋梁電算精度與效率的要求越來越高。[2]隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，有限元軟件的種類日益繁多，計算效率逐步提高，橋梁電算的作用能夠滿足不同類型的模擬與分析。在橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜化與計算機技術(shù)突飛猛進的雙重現(xiàn)實條件下，橋梁電算的重要性日益凸顯。

由于橋梁電算是隨著計算機技術(shù)發(fā)展而興起的一門相對較新穎的課程，該課程的教學(xué)體系尚未完善。[3]從作者近年來的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該課程的教學(xué)理念與社會脫節(jié)，且方法不太成熟，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。受該課程教學(xué)效果最直接的影響是橋梁工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計，也是導(dǎo)致畢業(yè)設(shè)計過程中計算效率低、設(shè)計進度慢、設(shè)計質(zhì)量差等問題的主要原因。[4]在建設(shè)工程項目迫切需要橋梁電算技術(shù)，而高校對該課程的教學(xué)認(rèn)識與方法尚末完善的情況下，亟需研究課程教學(xué)改革措施。

本文總結(jié)分析橋梁電算課程教學(xué)過程中普遍存在的一些共性問題，進而從該課程的工程應(yīng)用角度解析課程的特點，最后從上機實踐角度審視橋梁電算教學(xué)改革的措施。

1 橋梁電算課程特色

橋梁電算是一門基于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與有限元理論的綜合性課程。一方面，需要以三大力學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于力學(xué)理論推導(dǎo)計算，并驗證力學(xué)理論的正確性;另一方面，課程學(xué)習(xí)的最終目的是進行有限元軟件操作與分析，在明白力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)之上，還應(yīng)能夠進行電腦操作計算，達(dá)到精確與高效地完成結(jié)構(gòu)分析的目的。橋梁電算課程將力學(xué)知識與有限元理論進行了有機整合，通過課程的學(xué)習(xí)，也達(dá)到了將前期的專業(yè)課知識夯實的目的。

橋梁電算也是一門考驗學(xué)生動手編程能力的實踐性課程。[5]橋梁電算程序的實現(xiàn)很大程度依據(jù)于編程語言與有限元軟件的進步。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，編程語言較為豐富，如MATLAB、C語言、Fortrain語言、VB語言等，大大方便了電算程度的編制與計算。同時，市場上出現(xiàn)了諸多商用的橋梁電算軟件，如ANSYS、ABAQUS、MIDAS/CIVIL，以及國內(nèi)的橋梁博士等軟件。這些有限元分析軟件為橋梁電算課程的教學(xué)與實踐提供了有利條件。

綜合性與實踐性導(dǎo)致橋梁電算課程考核較為困難。因此該課程的實踐能力占據(jù)課程教學(xué)目的主要成份，傳統(tǒng)的考試與考查方式均不適于對該課程考核。若以傳統(tǒng)的筆試方式進行考核，那么結(jié)構(gòu)計算需要大量的矩陣分解與乘除，一方面計算時間不允許，另一方面“手算”的考核方式完全沒有達(dá)到“電算”的目的。

2 傳統(tǒng)理論教學(xué)的主要問題

傳統(tǒng)的橋梁電算課程是以理論教學(xué)為主，側(cè)重于講解二維、三維結(jié)構(gòu)的矩陣位移法，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動等方面的基本理論。根據(jù)作者在橋梁電算課程教學(xué)過程的經(jīng)驗，現(xiàn)將傳統(tǒng)理論教學(xué)所存在的問題總結(jié)如下：

（1）總課時量少，且理論課占比高。在橋梁電算課時量較低的情況下，理論課時量占比較高，導(dǎo)致上機實踐量極不為足。以長沙理工大學(xué)為例，橋梁電算課程的總課時量為32課時，其中理論課時占26個課時，上機課時量僅6個課時。

（2）以教材內(nèi)容為主，工程實踐匱乏。橋梁電算課程主要用來分析并解決實際工程結(jié)構(gòu)分析問題，也傳統(tǒng)的力學(xué)課等理論課的定位有所不同。因此，不能僅僅依靠教材內(nèi)容，還應(yīng)增加工程實踐內(nèi)容。另外，橋梁電算的教材并未統(tǒng)一，導(dǎo)致每個教師授課內(nèi)容不同，有些以有限元理論為主，有些則過多介紹工程問題，而忽略了計算分析能力。

（3）過多依賴軟件，理論基礎(chǔ)不扎實。橋梁電算的基礎(chǔ)是三大力學(xué)，但過多強調(diào)力學(xué)基礎(chǔ)會導(dǎo)致課堂乏味，也會導(dǎo)致重復(fù)教學(xué)。另一個極端就是教學(xué)中過多依賴軟件，導(dǎo)致學(xué)生對計算原理不清楚，對計算結(jié)果正確與否無把握。

3 基于上機實踐的改革措施

根據(jù)橋梁電算教學(xué)目的，將前期所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)，如三大力學(xué)、土木工程材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課題，綜合應(yīng)用于解決實際工程問題。而聯(lián)系理論基礎(chǔ)與工程問題的紐帶即為有限元建模與分析。然而，有限元的建模與計算分析是無法在常規(guī)課堂上所教授，而應(yīng)在計算機教室開展。因此，基于上機實踐的橋梁電算授課理念有望解決傳統(tǒng)教學(xué)在實踐應(yīng)用方面的問題。

橋梁電算上機實踐不僅僅是學(xué)習(xí)橋梁計算軟件，如MIDAS、ANSYS等，而是基于計算理論推導(dǎo)有限元模型，從而驗證計算理論。因此，基于上機實踐的橋梁電算教學(xué)改革措施主要包含以下向個方面：首先，明確結(jié)構(gòu)計算理論，比如二維桿單元的剛度矩陣及內(nèi)力求解方法，采用理論方法計算結(jié)果;其次，掌握有限元建模的基本步驟，關(guān)鍵在于明確每個操作步驟所對應(yīng)的理論依據(jù);再次，采用電算方式計算結(jié)果，并與手算方法進行對比;最后，改變結(jié)構(gòu)電算參數(shù)，明確結(jié)構(gòu)參數(shù)對計算結(jié)果的影響。采用上述教學(xué)方法不僅可讓學(xué)生明確理論知識，更加強調(diào)了動手操作的能力，而且通過參數(shù)修改了解每個結(jié)構(gòu)參數(shù)對計算結(jié)果的內(nèi)在影響。在長沙理工大學(xué)的橋梁電算課程中，增加了3項上機專題教學(xué)課程：“用梁格法對簡支T梁橋建模分析”、“用FCM建模助手做剛構(gòu)橋梁施工階段分析”、“PSC與RC梁的設(shè)計驗算”。通過上述3個專題實踐使學(xué)生對電算知識有著由淺至深的認(rèn)識，同時也實際工程項目的虛擬模型化分析有個初步認(rèn)識。

橋梁電算的上機實踐課程是對理論教學(xué)的補充和提升，使得學(xué)生真正理解到理論知識點是如何應(yīng)用到工程實踐中的，引導(dǎo)學(xué)生走出課本，走向工程應(yīng)用。事實上，橋梁電算的理論教學(xué)與上機實踐教學(xué)是相輔相成的，在上機實踐中不僅要懂如何操作計算軟件，更要明白計算軟件參數(shù)是如何通過計算理論來影響計算結(jié)果的。在目前的教學(xué)側(cè)重于理論教學(xué)的現(xiàn)實情況下，有必要加強上機實踐在課程教學(xué)中的比重。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐略勤.橋梁結(jié)構(gòu)電算課程理論與實踐一體化教學(xué)模式探索[J].高等建筑教育，2015，24（1）：75-78.

[4]林建平.實際工程案例在“橋梁結(jié)構(gòu)電算”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教文匯，2017，13：40-42.

[5]王達(dá)，劉揚.“橋梁電算”課程建設(shè)與教學(xué)研究[J].中國電力教育，2014，15：67-68.

基金項目：長沙理工大學(xué)2019年教研教改項目資助

作者簡介：魯乃唯（1987-），河南人，博士，講師，從事橋梁工程結(jié)構(gòu)分析研究。