數值模擬仿真試驗在建筑結構教學改革中的應用

【摘要】針對高職建筑結構課程實驗教學的需要，研究數值模擬仿真試驗教學手段在課程教學改革過程中應用的優勢和實現途徑，并通過仿真技術在建筑結構課程和大學生結構競賽中的應用實例，驗證數值模擬仿真試驗教學手段的先進行和優越性。

【關鍵詞】建筑結構教學改革仿真試驗

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）05C-0141-02

建筑結構是高職土木工程專業一門十分重要的理論性較強的主干專業課，本課程既是對前續的力學、建筑材料等課程的繼承和發展；又對土建類后續課程學習起重要的支撐作用，學好本課程可以實現課程體系的連貫性和完整性。課程學習過程中結構的基本原理和公式的分析主要以試驗結論為依據，試驗貫穿整個教學過程。在缺乏試驗條件，教學課時精簡，實踐環節被空前重視的條件下，借助先進科研手段帶動教學水平的提高，將數值模擬仿真技術引入理論教學中，構建了理論與試驗情景教學相結合的平臺，使構件和結構的受力特點和破壞形態在課堂上生動地展現出來，可以培養學生創新能力和綜合實踐能力，符合課程改革長遠發展的需要，對土建類專業建設具有典型的示范作用。

一、數值模擬仿真試驗教學的優勢

（一）仿真教學有利于提高課堂教學質量

由于現階段高職院校招生規模急劇膨脹，大多數高職院校面臨試驗教學資源嚴重不足的困境，現有的試驗條件不能滿足教學任務的需要，嚴重影響了教學質量。建筑結構課程教學公式推導和理論的建立是以試驗為基礎，傳統的理論教學方式試驗現象的描述枯燥、繁瑣和難于理解，數值模擬仿真教學實現把“虛擬的試驗室”搬到課堂上，在理論教學的同時穿插試驗教學。仿真教學試驗可以輸出結構真實的三維模型、仿真動畫和結果數據，通過對試驗結果進行分析來闡述基本概念、基本原理。數值模擬可以把構件受力與變形以及破壞的全過程直觀展現給學生，激發主動思考和學習的積極性與參與性，使學生能在短時間內掌握大量的結構知識，引導學生依據獲得的知識去分析結構原理、施工意圖和構造規定，實現“循環式”教、學、做一體化教學。

（二）仿真教學有利于培養學生的創新能力

傳統的實驗教學受實驗設備、實驗環境的限制，只能做一些簡單的不可重復的演示試驗，學生不理解實驗原理。數值模擬仿真實驗具有強大的建模和數據處理功能，學生可以根據課程學習需要和個人興趣，進行各種實驗數值模擬仿真，并且可以不斷加載條件、設計參數和模型方案等進行多次反復優化設計，并通過數據結果分析，讓學生能夠掌握和熟練應用仿真教學軟件，為學生專業課程學習和進一步開展創新活動奠定良好的基礎。仿真實踐切實增強了學生運用結構知識獨立分析、解決實際問題的能力，培養了學生實踐能力和創新能力。

（三）仿真教學有利于提高教師素質

基于多媒體的仿真教學，對教師的理論基礎、實踐能力和科研能力等綜合素質提出了更高的要求。仿真教學內容充分體現學科的交叉和前沿，在教學過程中及時融入了本學科國內外最新研究成果。要求教師不斷學習和鉆研，熟練掌握仿真軟件使用和開發，在相關課程建設及承擔工程項目實踐工作中不斷錘煉，形成一支學術水平高，教學與科研、教學與實踐結合的師資隊伍，為學科發展注入新生力量，為以后專業基礎課程與專業課的仿真教學奠定良好的基礎。

二、數值模擬仿真試驗教學實現途徑

（一）成立校內仿真教學團隊，以先進技術為科研載體帶動教學

數值模擬仿真是涉及多學科、多專業的綜合性高新技術，軟件現有的功能模塊不能滿足實際試驗分析的全部需要，軟件的應用和開發較為困難，現階段無法在各高校推廣應用。因此，教學經驗豐富和科研實力雄厚的高素質師資隊伍建設是實現試驗教學的重要保障。青年教師隊伍培訓和仿真軟件開發需要科研項目帶動及經費支持，教師以承擔科研項目積累的知識和經驗為仿真軟件平臺的開發成功奠定了堅實的理論基礎，科研教學緊密結合，及時將團隊的科研成果融入實驗教學，經過長期不斷的探索和實踐，形成自主研發的應用于教學實際的仿真實踐教學平臺，形成在土木專業建模仿真研究領域具有明顯的教學、科研優勢的專業化的試驗教師資源，確保仿真試驗教學水平。

（二）通過校內仿真實訓項目和課程設計進行多層次實驗教學

在高職實踐教學環節中，開設選修的課程設計（鋼筋混凝土單向板肋梁樓蓋設計）仿真試驗教學，在教師的指導下，要求學生按課程設計任務書的要求，利用仿真軟件完成樓蓋結構布置、建模仿真、計算結果分析并完成設計計算書，通過模擬實際工程的仿真教學，使學生在實際工程應用中深入理解所學理論知識，并通過軟件操作，把理論靈活應用到工程實踐，培養學生的實際應用能力和解決實際問題的能力，教學效果顯著。

（三）建立建筑結構課程建模仿真實驗室，開發實驗仿真教學平臺

根據學校自身的教學設施與教師素質，根據專業特點，選擇合適的仿真軟件，引進或合作開發一些仿真平臺并建立相應的仿真實驗室。借助仿真試驗平臺能夠進行建筑結構基本構件、課程設計和課程實訓的建模仿真實驗，能夠進行從構件到結構多層次的實驗教學。如鋼筋混凝土材料力學性能數值模擬試驗、單筋矩形截面梁正截面和斜截面破壞等試驗仿真平臺，可供學生和教師根據需要進行數值模擬試驗。成立專業大學生協會（仿真實驗設計），鼓勵引導部分優秀學生進入仿真科研實驗室進行自主科研，協助并參與課程教學團隊教師的課題研究。

三、數值模擬仿真試驗教學應用實例

實例一：

在講解鋼筋的應力—應變關系時，教材應力與應變的曲線通過文字描述進行講解，理論學習空洞、乏味，難以理解，如果把鋼材單軸拉伸試驗再現到課堂上，可以動畫顯示整個受力和變形過程，并可以同時輸出應力—應變曲線關系，學生可以理解鋼材的基本力學性能，開闊視野，激發對本課程的學習熱情。本文單軸拉伸試樣數值仿真模型（見圖1），其應力—應變曲線的數值結果（如圖2）。

圖1鋼材單軸拉伸三維模型

圖2鋼筋的應力—應變關系

實例二：

我院學生參加廣西第四屆大學生結構設計競賽，本次競賽要求制作鋼筋混凝土肋梁樓蓋模板支撐體系的模型，由于空間結構體系受力復雜，很難準確估計每個桿件的真實受力狀態，使得學生在進行模型方案設計時只能根據經驗設計，然后通過多次模型制作反復試驗，驗證方案的可靠性，但由于模型制作時間有限，要完成多種方案的比選是不可能的。借助數值模擬仿真技術，可以實現在短時間內方案的優化設計。本次比賽我院指導教師鼓勵學生使用仿真軟件進行數值模擬，學生通過仿真軟件近似模擬了模板支撐體系靜力荷載作用下的受力和變形，分析出模型主要構件受力和變形特點（如圖3），在此基礎上進行截面尺寸合理設計和結構體系桿件簡化，最終設計出了具有較高載重比的優化模型。仿真實踐切實增強了學生運用結構知識獨立分析、解決實際問題的能力。

圖3模板支撐體系內力分析模型（單位：Mpa）

結合我院建筑結構的教學實際，將實驗仿真技術引入課程教學的全過程，將傳統理論教學環節與數值模擬仿真試驗教學情境相結合，教學方法新穎獨特，培養了學生獨立解決問題的能力和創新精神。

【參考文獻】

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［4］ 胡建華，周科平，古德生，等. 采礦專業課程數值試驗教學的構思與創新［J］. 理工高教研究，2007，6（26）

【基金項目】廣西高等教育教學改革工程立項項目（2012JGA348）

【作者簡介】胡桂娟（1973-），女，博士，廣西建設職業技術學院副教授，研究方向：結構破壞分析與計算機模擬。

（責編丁夢）