探討建立土木工程模擬實驗的教學模式

馬蕓

摘 要：本文的主要研究方向是將工程的實例模型數據庫與計算機模擬實驗有機結合，從而形成一套新的適用于土工工程教師的教學模式，在此基礎上簡要分析了相比起傳統的教學模式此新型模式的主要優勢，分析了此教學模式在教學過程中的可行性以及具體操作方法。該教學模式是在傳統的教學方法上發展與創新，根據相關實踐證明，該教學模式有很重要的應用價值。

關鍵詞：土工工程；模擬實驗；教學模式

土木工程（civil engineering）是一門在理論知識以及實踐結合上非常強的學科，其中還包括了二級的學科內容[1]。隨著我國教育制度的不斷變革和發展，土木工程的相關案例也被逐漸設置到課本基礎內容知識當中去。但是，對于土木工程的具體案例仍然講述的不是特別清楚，學生對于部分知識的理解不容易掌握，因此，應該結合相關實踐進行深度的理解。

1 土木工程實驗教學的缺點

1.時間以及空間的環境受限

由于土木工程的實驗需要的時間比較長，對于相關周期的記錄也比較長，因為只有長時間的觀察以及記錄才能得到更精確的實驗結果，然而學生的學習時間有限，因此，導致實驗時間難以得到滿足。舉例來說，如果土木工程的教師想要給學生展示一棟建筑的建造過程，那么它的施工時間大概要一年左右，因此，想要給學生帶來深刻的現場感受那是不太現實的。土木工程的項目一般來說，都是體積比較巨大，耗時比較長久的一個項目，在進行相關實踐的過程中具有非常大的困難以及復雜性，所以如果將實驗安排在普通的實驗室里，那么其空間受到了限制，對于實驗的順利進行帶來了一定的阻礙。舉例來說，精力載荷實驗以及動力觸探實驗等就不能順利的進行。

2.部分實驗可見性比較差

由于有些實驗的可見性比較差，因此導致土木工程的學生不能仔細地觀察到其中的變化以及具體的作用機理[2]。舉例來說，對不同的建筑材料進行加載受力的講解時，由于受到各種惡劣的環境（高溫以及高腐蝕）影響，對于其循環作用下的內部基礎功能的結構變化，土木工程的學生很難通過常規的實驗來進行深度的掌握和了解。

3.部分實驗比較危險

由于部分實驗比較危險，所以導致土木工程的學生不容易觀察。舉例來說，在高層房屋的基本框架之下，地震作用的情況時，爆破的工作中，需要了解房屋的結構以及承載能力的極限狀態，還要清楚掌握該結構的部分元件的支撐極限狀態。上述所說種種，很難通過一般的常規實驗來說明，再讓土木工程的學生進行仔細的研究。

2 土木工程計算機模擬實驗

由于傳統的常規實驗很難對土木工程專業的學生起到比較大的作用，所以把計算機的技術應用于模擬實驗當中。因此，需要開發一個典型的工程案例的計算機模型數據庫以及全集成的計算機軟件分析系統。該模擬實驗能夠實現對各種教學要求的科學編輯和調試[3]，另外，還可以實現對實際物體與具有物體之間的力學性質的換算，可以由計算機計算其模擬產生的作用和效果，從而能夠更加科學的展示在土木工程專業的學生和教師面前[4]。其主要的操作步驟是：首先，選擇計算機實例數據庫中的具體實例，建立好符合現實需要的模擬實驗的環境；其次，對虛擬的環境在材料方面，結構特征方面以及力學數據方面進行與現實需要的數據參數進行科學合理的對比；最后，輸入相關實驗數據，，將力、線壓力以及位移等初始數據在主程序前面預先設置定義好，再通過相關實驗對其進行數據值的設置。在接下來的虛擬實驗過程中，可以采用網絡技術讓該實驗組的學生以及教師資源與信息充分交流，該實驗能夠讓學生與教師在參與實驗的過程中對相關方案的設計、參數的設置等全程參與，從而增加學生學習土木工程的興趣以及自信心。

3 工程的實例模型數據庫與計算機模擬實驗有機結合

首先，在工程的實例模型數據庫中選取與教學內容相關的實例作為歷史背景，對于相關案例的選擇應該要有代表性和綜合性，因此，土木工程的學生在日常的教學環境中比較難以順利進行。其次，在分析如何選取工程實例以及教師教學所要達到的相關目標之后，設置計算機模擬的實驗參數，再實現計算機模型的數字化以及網絡化，在此基礎上，根據相關要求對計算機模型的參數進行技術檢測。最后，通過學生與教師之間的交流與溝通，從而以報告和練習的模式，讓學生能夠從中提煉出精煉的土木工程知識，提高土木工程專業學生的理性認識。對于上述實驗的步驟應該通過以下幾個階段來實現：其一，設計相關的土木工程環境階段；其二，分析操作的階段；其三，提煉知識階段；其四，應用以及研究的階段。在設計相關的土木工程環境階段，以某明珠塔所示，教師應該運行相關模擬實驗的軟件，在選擇數據庫的經典案例時應該以符合實際情況的塔形結構模式作為研究對象之一，與此同時還應該選擇抗震有關的實驗程序。在分析操作的階段，可以根據實際情況，對于預先程序上的說明應該定義好相關類型的初值設置。舉例來說，地下水的埋深。對于其結構的高度以及類型方面，是一些基本的試驗模型，對于該模型中的關鍵數據要進行仔細的分析。該分析軟件會根據關鍵數據自動分析出各個元件之間的性能。在提煉知識階段，土木工程的學生可以通過模擬實驗來來掌握該結構的破壞現象，利用軟件來分析該結構的應變模式，從而能夠總結出地震的方式以及結構的影響和作用。在應用以及研究的階段，對于具體的房屋結構，教師應該積極主動地引導學生結合相關實驗來進行設計[5]。

4 新的教學方式的優點

一方面，土木工程實例的運用，能夠讓學生充分的了解到所學的知識在實際工程中的應用價值，從而讓學生能夠更加方便的掌握相關知識。另外，以土木工程實例為背景的教學模式，能夠根據土木工程學生的整個工程的設計過程，從而能夠讓學生進一步的參與建設。另外一方面，模擬實驗能夠最大限度的擴大學生的視野，讓學生能夠有更多的機會參與建設那些在一般實驗下難以實現的土木工程項目。

5 結束語

綜上所述：通過不斷建立以及不斷完善土木工程教學內容中所需要的相關資料以及參考數據，在此基礎上遵循理論知識與實踐相結合的基本原則，從而科學合理的建設工程實例的教學數據庫。除此之外，在建立相關工程數據庫的基礎上能夠生動地還原再現土木工程的具體案例，還能夠相應地完成對于土木工程模擬實驗以及相關教學任務和內容的計算機虛擬模型。從而能夠更加科學合理的建設使用功能強大以及操作比較簡單、靈活的計算機教學平臺，方便土工工程的老師與學習土木工程的學生能夠更加高效率的教學與學習。

參考文獻

[1] 朱惠斌 Zhu Huibin，Li Guicai. 周海鷹，陳廷國，李立新. Test and Numerical Analysis on Performance of Reinforced Concrete Segment in Subway Tunnel[J]. Transactions of Tianjin University. 2014，11（02）：124

[2] 周亦唐，費維水，王俊平. 以土木工程教學計劃為基礎的新的人才培養模式[J]. 昆明理工大學學報（社會科學版）. 2013，11（08）：234

[3] 劉寶舉，楊元霞. 劉玉樹. 在《土木工程材料》課程教學中激發學生學習積極性的探討[J]. 長沙鐵道學院學報（社會科學版）. 2014，12（02）：122

[4] 陳亞恒，劉會玲，劉樹慶. 資源環境與城鄉規劃管理專業實驗教學改革研究[J]. 河北農業大學學報（農林教育版）. 2013，12（02）：154

[5] 王寶民，趙麗妍，陳廷國. 基于創新型人才培養的“建筑材料”課程研究性教學方法探索[J]. 中國校外教育. 2013，10（S2） ：324