談手工計算與計算機數值計算方法在土木工程畢業設計中的應用

劉浪 王旭

【摘要】畢業設計是土木工程專業人才培養的關鍵環節，針對現代土木工程行業對新型技術人才的要求，圍繞畢業設計的改革問題，闡述了傳統授課方式與現代科學技術手段的優缺點以及在畢業設計中的作用，提出了傳統手工計算和計算機數值計算有效結合的方式，從而為提高本科畢業設計質量提供了可能。

【關鍵詞】土木工程；畢業設計；教學改革

1、引言

土木工程是建造各類工程設施的相關科學技術統稱。它是一門與人類生活息息相關的的應用型學科，經過上百年的發展歷程而成熟起來。隨著世界經濟的快速發展和社會的不斷進步，現代土木工程學科又進入了一個新的發展階段，如工程結構越來越大型化、復雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復雜的地鐵系統不斷涌現，既需要滿足人們的生活需求，同時也演變為社會實力的象征。這就為土木工程專業學科的人才培養帶來了新的挑戰。近年來，我國各大高校都在積極探索土木工程專業的教育教學改革之路，從專業培養目標、課程體系設置、師資隊伍建設和人才實踐等各個環節進行摸索，力圖實現本專業與現實需求的有機結合。

2、傳統教學方式與現代技術的特點分析

眾所周知，力學分析與求解是土木工程專業的理論基礎知識，在本科教學中一直占有十分重要的地位，其教學目標是讓學生理解和掌握土木工程結構力學體系，利用基礎理論知識分析結構的組成、受力及變形等，從而對復雜的實際結構問題展開力學特性分析。長期以來，這部分內容的傳統教學方式主要為教師講授、推導理論再輔以力學實驗，學生則基于相關的課后習題進行手工計算予以解答。這樣的傳統教學方法優點在于能夠講解基本原理和計算方法，使得學生對各種土木工程結構的受力特點有清楚的認識，并進行力學分析、受力圖繪制以及掌握結構工程分析的基本方法和步驟，但它的缺點在于學生難以靈活運用所學知識解決實際問題，尤其是針對較復雜的工程結構，依靠手工力學求解幾乎不可能實現，造成理論與實踐應用的脫節。隨著社會信息化程度越來越高，計算機技術的應用突飛猛進，利用計算機數值模擬來解決復雜的工程問題顯得越發重要且普遍。數值模擬技術能夠節省手工計算時間，靈活度較高，總體上來說比手工計算更為簡潔和精確，尤其對大型工程結構而言，優勢更為突出。

3、畢業設計改革要點

綜上可知，在土木工程本科生畢業設計中，傳統手工力學分析和現代計算機數值計算手段應當有效結合、并重。通過科學合理的畢業設計選題，使得學生能夠較好地實現理論與實際相結合，具備手工計算和數值計算軟件應用的能力。

1）畢業設計選題原則

畢業設計是一個綜合性較強的實踐教學環節，它的選題工作就需要綜合考慮多個方面的因素。宏觀上，要考慮到大多數學生畢業后將從事生產一線工作，故應該盡量體現較強的實踐性，最好能夠結合實際工程來進行命題，這樣既可以調動學生的積極性，主動思考主動創新，又可以理論聯系實際，甚至讓學生到工程現場進行參觀學習，參考工程項目的實際功能需求來進行設計計算。微觀上，為了能夠在畢業設計中將手工計算與計算機數值計算有機結合起來，既要充分考慮手工計算的特點和可能性，選擇合理的結構形式和布局，能夠提取工程簡化模型，采用結構力學手段進行手工分析，又要考慮計算機數值模擬的必要性，即不能選擇過于簡單的結構形式和單一的受力條件，無法代表或滿足實際工程項目的功能要求及受力狀態。一般地，結合當地施工單位或設計院所在建或已建實際工程項目進行選題，可以較好地保證結構形式的合理性，避免虛擬課題可能存在的過度復雜化和不切實際。

2）畢業設計與學科課程設置契合

如前所述，在土木工程專業本科教學中，學科課程的講授方式仍然以教師講授、推導理論，也即傳統的板書講解為主。這樣的授課方式能夠詳細地講解力學基本原理和計算方法，較好地幫助學生理解理論知識構架，逐步掌握結構分析的方法和步驟。但是傳統方法不能結合計算機在現代土木工程設計中的應用，例如利用ANSYS、ADNIA、ABAQUS、FLAC以及SPA2000等常用數值模擬軟件，對實際問題建立抽象化模型，結合數值分析方法獲得結構的內力和變形，并通過圖像來表達相應的計算結果。事實上，上述計算機仿真軟件已經在土木工程的各個領域得到了廣泛應用，用于建筑結構、橋梁結構、水利結構的設計等，可以說，掌握計算機設計、模擬技術是現代土木工程專業人員必須具備的基本技能之一，因此，在大學生本科教育中應當給予重視并進行相關訓練。在本科教學過程中適時地引入計算機數值計算介紹和使用方法講解，一方面豐富了教學手段與內容，提高教學效果，開拓學生的眼界和思維，另一方面可以調動學生積極性，為畢業設計乃至將來從事的實際工作奠定基礎。為了避免在畢業設計環節學生對計算機仿真模擬技術知之甚少，感到陌生或無從著手，在本科生有關力學設計計算的課程安排中應當穿插計算機仿真技術的介紹和應用，在學生掌握力學基礎知識、手工計算技能之后，結合簡單結構或構件的設計問題，逐步掌握計算機數值方法，這樣不但有利于加深對傳統抽象力學知識的理解，還能夠為解決后續畢業設計的復雜結構、多向受力分析等打下良好的基礎。例如，教學中可以工程為實例，采用手工分析和仿真計算相融合的教學方式，由簡至繁、由淺至深地講授力學計算方法。首先提高學生對力學理論知識的理解和手工計算的熟悉程度，其次，應用計算機數值軟件進行相關問題的求解。通過這樣的綜合教學模式，豐富了教學內容，實現了動態的授課方式，讓學生對整個力學求解過程和應用均有了全面的認識，進而開發了學生科學的思維，使學生對課程和后續畢業設計具有整體的認識和理解，逐步培養起學生學以致用、解決實際問題的能力。

4、結論

本文闡述了新時代背景下土木工程行業對專業技術人員的新要求，以本科生培養計劃中至關重要的畢業設計為改革對象，提出了通過傳統授課與現代科學技術手段并重的方式，將兩者有效結合起來，并貫穿于本科生教育教學過程中，從而激發學生興趣、引導學生積極自我思考，讓學生既能具備扎實的力學理論知識，又具備利用所學理論知識解決實際工程問題的能力。在畢業設計中，一方面通過傳統手工計算方式保證牢固的基礎，另一方面通過計算機數值計算的方式豐富教學手段和學習內容，既讓學生開拓視野，勇于創新，又能適應新時代的發展需求，真正做到本科教育的"理論與實踐"相結合，體現"素質教育、工程教育、創新教育"的教學理念。