庫構(gòu)建王鼎 徐珊 景遠(yuǎn)

[摘 要] 現(xiàn)代土木工程設(shè)計和建造日趨大型化、復(fù)雜化和綜合化，要求土木工程專業(yè)研究生具備使用數(shù)值方法解決復(fù)雜專業(yè)問題的能力。針對土木水利專業(yè)學(xué)位研究生的“土木工程中的數(shù)值方法”課程構(gòu)建案例庫，進(jìn)行課程案例教學(xué)探索。案例庫包括核心案例和擴展案例，覆蓋課程重要知識點。核心案例服務(wù)于土木工程基本算法的課堂講授;拓展案例服務(wù)于學(xué)生不同研究課題的課下學(xué)習(xí)。教學(xué)實踐表明，此案例庫體系能有效支撐課程教學(xué)目標(biāo)，兼顧研究生共性基礎(chǔ)知識和個性研究技能的學(xué)習(xí)培養(yǎng)，實現(xiàn)專業(yè)學(xué)位研究生知識目標(biāo)和能力目標(biāo)的達(dá)成。

[關(guān)鍵詞] 案例教學(xué);案例庫;專業(yè)學(xué)位;土木工程

[基金項目] 2020年度河北省級研究生示范課程立項建設(shè)項目“基于非線性方法的土木工程數(shù)值模擬案例教學(xué)改革”（KCJSZ2020024）;2018—2019年河北省高等教育教學(xué)改革與實踐項目“融合multisim和PSPICE的基礎(chǔ)實驗虛擬項目設(shè)計研究”（2018GJJG431）

[作者簡介] 王 鼎（1985—），男，河北唐山人，博士，燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。

[中圖分類號] G642.3 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）30-0033-04 ? [收稿日期] 2021-04-12

一、簡介

土木工程具有建設(shè)周期長、規(guī)模龐大、荷載復(fù)雜等特點，在設(shè)計和建造過程中需要解決抵抗地震等極端動力作用、確保具有良好耐久性等一系列復(fù)雜問題。隨著計算機運算能力的提升，數(shù)值方法成為土木工程領(lǐng)域分析、設(shè)計和建造的重要手段，是土木工程領(lǐng)域人才必須具備的關(guān)鍵能力。同時，案例庫建設(shè)豐富了專業(yè)教學(xué)手段，為提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，達(dá)成線上線下教學(xué)資源共享、師生深度互動提供途徑，成為土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要手段。以土木水利專業(yè)學(xué)位研究生“土木工程中的數(shù)值方法”課程為對象，構(gòu)建了核心-擴展體系的課程案例庫，兼顧研究生必備知識學(xué)習(xí)和不同科研課題應(yīng)用的需求，通過案例增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為改變以往教師難教、學(xué)生難學(xué)的窘境提供新途徑。

二、案例庫建設(shè)必要性

正式的案例庫教學(xué)最早可追溯到1921年的哈佛商學(xué)院[1]。1999年，大連理工大學(xué)建立我國第一個經(jīng)管類教學(xué)案例庫，案例教學(xué)方法開始在國內(nèi)推廣應(yīng)用。案例教學(xué)將學(xué)生置于真實問題環(huán)境中，促使學(xué)生利用課程理論知識處理復(fù)雜工程問題，分析影響問題的各個因素，尋求最優(yōu)解決方案，在土木工程專業(yè)本科和研究生教育中得到大力發(fā)展[2，3]。土木水利專業(yè)學(xué)位研究生需要具備解決復(fù)雜綜合土木工程實際問題的能力，與案例教學(xué)的優(yōu)勢完全契合[4，5]。“土木工程中的數(shù)值方法”是土木水利專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生同時掌握算法的理論原理與應(yīng)用技巧。教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，本課程內(nèi)容多，難度大，對學(xué)生編程和軟件應(yīng)用能力要求高，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法無法兼顧學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用，采用案例教學(xué)勢在必行。

1.案例庫有助于學(xué)生理解數(shù)值方法的理論基礎(chǔ)?！巴聊竟こ讨械臄?shù)值方法”需要學(xué)生掌握土木工程領(lǐng)域主要數(shù)值方法的理論基礎(chǔ)。由于方法理論偏重數(shù)學(xué)和力學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生難以建立理論概念與工程對象間的聯(lián)系，造成理論推導(dǎo)與工程應(yīng)用相互割裂的情況。同時，常用數(shù)值方法的基本思想和構(gòu)建思路存在差異，在課時范圍內(nèi)學(xué)生難以完全掌握每一方法的推導(dǎo)細(xì)節(jié)和使用情景。借助案例庫可以將理論推導(dǎo)中的抽象概念形象化，培養(yǎng)學(xué)生利用實例理解抽象理論推導(dǎo)的能力，也能通過案例對比各數(shù)值方法的特點，增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.案例庫有助于學(xué)生熟悉數(shù)值方法的適用范圍。土木工程中的各類數(shù)值方法具有不同的適用范圍和工程對象，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體工程問題選擇合適的數(shù)值方法一直是本課程教學(xué)的難點。通過傳統(tǒng)教學(xué)方法講解例題，難以準(zhǔn)確反映各方法的適用情況，無法展示各方法針對的工程問題。利用案例庫，可以向?qū)W生展示不同工程背景下如何選擇對應(yīng)的數(shù)值方法，詳細(xì)講解各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點，幫助學(xué)生積累工程經(jīng)驗，有助于學(xué)生選擇數(shù)值工具進(jìn)行課題研究。

3.案例庫有助于學(xué)生掌握數(shù)值方法的應(yīng)用技巧。本課程涉及的數(shù)值方法在使用時需要根據(jù)工程對象的特點調(diào)整參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分等細(xì)節(jié)。數(shù)值方法細(xì)節(jié)講授的是本課程授課的精髓，能夠幫助學(xué)生快速積累經(jīng)驗，在課題研究中充分利用本課程的知識和技術(shù)，實現(xiàn)課程教學(xué)產(chǎn)出最大化。這些細(xì)節(jié)只有通過工程案例才能向?qū)W生進(jìn)行詳細(xì)講解。構(gòu)建類型豐富的案例庫，結(jié)合案例講解方法使用技巧，可以幫助學(xué)生快速掌握土木工程數(shù)值方法的使用細(xì)節(jié)，幫助學(xué)生在后續(xù)課題研究中運用使用數(shù)值方法解決問題。

4.案例庫有助于學(xué)生了解數(shù)值方法發(fā)展動態(tài)。土木工程數(shù)值方法的發(fā)展更新速度極快，掌握最新的方法能夠提升學(xué)生科研效率。近年來，利用數(shù)值方法求解土木工程非線性問題迅速普及，成為行業(yè)發(fā)展和學(xué)生科研能力培養(yǎng)的雙重需要?；诖?，定期更新案例，增加最新非線性方法的工程案例，可以在廣度和深度上開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注國際發(fā)展動態(tài)，掌握最新的數(shù)值工具。

三、構(gòu)建思路

專業(yè)人才培養(yǎng)角度，“土木工程中的數(shù)值方法”課程案例庫需要支撐土木水利專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)，實現(xiàn)學(xué)生知識能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成;課程教學(xué)角度，案例庫需要針對核心知識點進(jìn)行針對性設(shè)置，完成課程既定教學(xué)目標(biāo)。同時，需要滿足研究生課題研究的多樣需求，為學(xué)生之后的科研活動提供支持。基于此，本課程采用核心-擴展體系構(gòu)建案例庫，每一案例支撐特定的課程教學(xué)目標(biāo)，最終實現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

1.明確課程教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，圍繞課程教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建案例庫。本課程教學(xué)目標(biāo)包括兩個，第一，使學(xué)生了解土木工程中常用數(shù)值方法的類型、思路和特點，并使學(xué)生掌握有限差分法、有限單元法等土木工程中常用數(shù)值方法的基本原理和實踐應(yīng)用，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行評價;第二，兩個教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)支撐四個專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的指標(biāo)點。本案例庫包括四個子案例庫，分別針對課程四個核心教學(xué)內(nèi)容，支撐課程教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)。子案例庫對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、課程教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)指標(biāo)點詳見表1。