實驗與可視化教學在高校土木工程力學教學中的應用

張搏 張吉 王林均 洪京京

關鍵詞 土木工程 力學教學 實驗 可視化

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.052

Keywords civil engineering; mechanics teaching; experiment; visualization

1 目前土木工程力學教學中的問題

傳統力學教學，主要是依據教材內容采用PPT或黑板版書方式，在課堂上由教師進行講授。使用這種方式，在幫助學生認知、理解力學體系和各門力學課程的交叉依存關系等有重要作用和意義，但是在知識應用和自學能力培養時，相比采用室內實驗和可視化技術則存在明顯的劣勢。學生在實驗室通過操作實驗設備，完成材料力學或結構力學實驗，可以生動直觀的感受到構件或結構的力學響應;而通過可視化技術，如動畫視頻或數值模擬，學生們可以透過構件或結構的表面變形，看到其內部應力與應變的分布，更加深刻的理解土木工程專業中的各種力學概念。

2 實驗教學在土木工程力學教學中的應用

土木工程力學教學的每個環節都離不開實驗和驗證，只有經過實驗和實踐的驗證，才能明確關系、明確邊界，正確指導實踐。實驗是模型化的實踐，是實踐的特例，學習理論的過程若能附以實驗教學，也就搭起了理論聯系實踐的橋梁。實驗的過程，不僅僅是簡單驗證的過程，實驗的過程也是一個檢驗自身理論水平的過程，對同一實驗的同認識水平、能做多復雜的實驗，真實地反映理論層次，而理論水平的層次決定了解決工程問題的性質。通過實驗，學生能夠檢驗自己的理論水平，對比工作要求，就有了定位和方向。因此，如果學生能夠清楚知道所要從事的工作需要具備的理論層次，就會知道自己應該學習那些理論、學到何種層次，并知道如何去學習，這時學生就有自主學習能力了。這個把知識轉化成能力的能力，這是解決工程問題的基礎，也是工科大學時重要的基本能力。

如前所述，為了能使多層次的學生都能的得到正反饋，我們就需要設置不同層次的實驗項目，而這個不同層次實驗項目的支撐就是實驗模型，實驗模型是一個廣義的概念，我們把所有實驗對象都歸結為實驗模型，包括一個簡單的試件，為方便模型層次展示，我們把模型分為三種，理想模型（也稱簡化模型，驗證假定、算法，建立基本專業概念），也可以是變參量的理論模型（多參量系列變化模型，展示變量對結果的影響，強化基本概念，明確趨勢），也可以是工程模型（相似模型-分析設計特點，尋找優化方向、判斷損傷、破壞原因）。這種多層次的試驗教學對構件和結構進行應力如何平衡外力、變形來源、破壞形式進行分析的思維模式對以后的學習非常有利，每門專業課程的核心基本概念都可簡化成特定的模型進行特定的加載方案。有了這個設計理念，不僅可方便學生多層次理解理論，而且學生也可根據自己理解設計實驗模型、實驗教具，這對基本概念的理解、對邊界分析有極大幫助，也為學生參加周培源力學大賽、大學生結構大賽等打下深厚的基礎，注意積累就容易形成了一個開放式創新平臺。為了達到這個目的，還要設計具有針對性的力學實驗教材。

實驗預習報告和實驗報告是培養學生實踐能力的重要環節。實驗的過程是一個驗證的過程，若實驗前沒有一個需要驗證的關系，沒有自己想法，那實驗就成了說教，因此在試驗教學中需要學生帶著假定和疑問，這就需要精心設置實驗預習報告。實驗預習報告須獨立完成，報告每道題目的完成時間約為一個小時，這樣每個實驗的預習時間大約需要3-5天的時間。實驗預習報告和實驗報告都是具有多層次的，分為A-E級，A-感性認識及前置基本概念、B-基本概念及規范標準對應解釋、C-概念量化、D-邊界分析及設備操作關鍵點、E-研究類實驗。通過這樣設計預習報告和實驗報告，有利于針對不同層次的學生進行不同層次的學習。

3 可視化教學在土木工程力學教學中的應用

材料力學和結構力學中的應力集中、剪切/扭轉破壞、和強度理論等傳統教學中存在的疑難抽象問題，借助現代化信息技術均可迎刃而解。目前國內外高校力學教材上的例題基本都采用高度抽象模型，構件與結構用細直線表述。而利用可視化手段后可通過社會實際生產項目進行講解，學生更加明確所學知識的應用場景，掌握解決實際問題的規律后，可歸納外推到其它問題領域，如圖1所示。相比傳統教學手段，動畫傳遞的信息量和速度遠遠大于文字和PPT，采用3D可視化圖形能更清晰的表達出復雜的扭轉振型，以及形狀優化等難度大、含金量高的知識點。

可提供具備搜索功能的平臺，隨著輸入檢索詞的變化給出實時的提示。由于可視化短視頻/圖片均已數據化（數據化為數據庫字段），本搜索功能與百度公司的搜索技術類同，但是比百度更專業，因百度為通用型搜索引擎，其搜索核心算法雖比較強大，但搜索到的內容比較龐雜，輸入一個檢索問題，通常會有多個檢索結果，給出結論的依據不足（未嚴格列舉其引用依據），而知識庫中搜索結果可經過本學院多名具有豐富力學教學經驗的老師反復研討和論證，可靠性高。

4 實驗教學與可視化教學在土木工程力學教學中的應用

把實驗和可視化兩種手段相結合，既可以提升科研水平，又可以促進教學能力。高校教師通過相應的科研領域，關注學科前沿動態，并付諸實踐。在教學中，又可以將其引入教學內容中，使學生直觀了解所學課程的應用領域，加深對課程的理解和掌握，引起對科學研究的興趣。在土木工程專業的教學與科研中，同樣可以進行相應的嘗試。如Hajialilue-Bonab等人研制了一個小型物理模型實驗裝置（圖2），在松散的砂土中進行水平荷載下的樁-土相互作用實驗。在水平向加載樁的過程中，同時從側面和模型頂部拍攝了數字圖像。而后應用粒子圖像測速（PIV）這種可視化方法，從數字圖像中獲取樁周砂土的變形和應變。基于PIV分析，繪制了具有圓錐形狀的三維應變楔（圖3），推導了應變楔的方程，并通過應力-應變極限平衡分析得到了樁的側向荷載響應。根據不同的樁土特性估算了個樁的側向承載能力。通過這樣的實驗與可視化相結合的辦法，可以做到科研帶動教學，并帶動學生的學習興趣。

綜上所述，傳統的土木工程力學教學方式，并不能完全滿足新時期土木工程專業的教學要求，應該深入挖掘實驗教學和可視化教學的優勢，充分激發學生對力學課程的興趣，使其加深對力學的理解和領悟。尤其對于地方應用型高校，應該加強對應用型與實踐型人才能力的培養，推動高校土木工程專業力學課程教育的現代化。

課題名稱及編號：基于材料力學與土力學的教學實驗裝置研發，201802346015

參考文獻

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