“地質工程數值模擬”研究生優質課程建設探討

阿發友，嚴世群，楊麗英

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

引言

近年來，研究生課程建設越來越受到教育部門的關注和重視，教育部相繼出臺多個文件關注研究生課程建設和改革。2013年發布了《關于深化研究生教育改革的意見》（教研〔2013〕1號），2014年發布了《教育部關于改進和加強研究生課程建設的意見》，2018年發布了《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》（教研〔2018〕5號）。在教育部相繼發布的意見中，明確要求推進研究生課程改革，提高課程質量，重視課程教學在研究生培養中的作用。在相關意見的指導下，各省市教育主管部門高度重視和落實，各高校以培養研究生創新能力為目標，結合行業特色背景，加強推進高校研究生優質課程建設［1-4］。

2020 年，云南省研究生優質課程建設項目獲批立項175 項，昆明理工大學47 門課程獲批云南省研究生優質課程建設項目，其中地質工程專業研究生課程“地質工程數值模擬”入選建設項目，該課程經過2 年的建設，取得了較好的教學效果。

一、“地質工程數值模擬”課程教學的必要性和特殊性

（一）必要性

巖土是一種材料，也是一種地質體，它具有非連續、非均勻和非線性特性及復雜的加載條件和邊界條件，這使得地質工程問題的分析計算通常無法簡單求解。尤其在鋼筋砼結構力學計算、土壓力計算、擋土墻計算、堤壩計算、地基承載力計算、最終沉降量計算、基坑設計、邊坡設計計算、樁基礎、錨桿的設計、地鐵、隧道工程、地下洞室、礦山開采等都涉及大量的復雜運算問題，這些復雜運算中均存在以下難題：（1）有很多問題無法建立解析方程，即使建立了解析方程，也無法求得解析解；（2）試驗方法費時費力，同時受地形、地質和施工條件限制，實驗結果不具代表性；（3）有很多無法或很難進行試驗等。

近年來，我國各類工程建設如火如荼，300米級高壩、500米級高邊坡、10千米以上深埋長隧道、西部地形急變帶及極端條件下的交通工程、長距離跨流域調水、跨海大橋、跨海峽隧道等大型和巨型工程建設在我國屢見不鮮，面臨的地質工程問題也復雜多樣。數值模擬的作用在分析解決這些地質工程問題中逐漸凸顯，它不但能模擬巖體復雜結構特性，進行工程地質條件的定量化及巖土體賦存環境的模擬，還能進行工程動力地質現象及過程的模擬研究、工程巖土體應力場和位移場的分析和巖土體穩定性的模擬。因此，對于地質工程專業研究生培養，“地質工程數值模擬”課程教學是非常必要的，是從事地質工程相關科研和生產實踐的重要工具［5］。

（二）特殊性

“地質工程數值模擬”課程在眾多研究生課程體系中有其特殊性，主要體現在以下幾個方面：（1）地學是基礎。作為本專業的學生，扎實的地學基礎是學好“地質工程數值模擬”課程的基礎。首先，對地質體本身的認識正確與否是建立地質模型的關鍵，關系到為后續數值模擬模型的建立提供符合實際的幾何模型、巖土參數及分區、荷載條件和邊界條件；其次，扎實的地學專業基礎是分析解釋模擬結果的保證，學習本課程需要結合地貌學、礦物巖石學、構造地質學、水文地質學、土力學、巖石力學、工程地質分析原理等學科知識，合理解釋模擬結果。（2）軟件是手段。各種商業軟件是實現地質工程數值模擬的手段，隨著數學、基礎力學和計算機科學技術的發展，各種工程數值模擬商業軟件也層出不窮。目前，在工程技術領域內常用的數值模擬方法包括有限單元法（ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC）、邊界元法（Examine2D、Examine3D）、離散單元法（UDEC、3DEC、PFC）、有限差分法（FLAC3D、FLAC2D）等。各種方法各有優劣，適用條件也各有不同，可依據地質體的材料特性選取適合的模擬軟件。例如，結構小變形等分析計算可選用有限單元法軟件，均質材料和線性性態情況可選用邊界元法軟件，非連續介質模擬可選用離散單元法軟件，有限差分法為專門的巖土工程模擬軟件。（3）綜合性強。“地質工程數值模擬”課程是一門綜合性很強的課程，不但需要扎實的力學基礎和地學專業基礎，還需要依靠計算機和軟件等現代技術手段進行綜合分析和處理，任何一個環節薄弱，都可能給課程的學習帶來很多困難。

二、“地質工程數值模擬”課程建設存在的問題

雖然“地質工程數值模擬”研究生課程建設在以往已經取得了一些成果，但由于各個學校生源和本科教學環節的差異，目前在課程建設中還存在著一些不足。（1）課程對研究生的實踐能力有很高的要求。由于學校本專業生源參差不齊，非本專業或跨專業研究生較多，學生基礎薄弱，實踐能力較差。地質工程問題要求理論結合實踐進行綜合分析，對此難度更大。（2）缺乏網絡資源建設，課程考評方式依據課程特點有待改進。

三、課程目標及專業人才培養中的地位

（一）課程目標

該課程目標是使得研究生掌握“地質工程數值模擬”的基本方法和理論，為分析地質工程問題更加廣泛，研究課題更加深入奠定基礎。以提升研究生綜合分析能力為導向，以解決實際工程地質問題為核心，深入分析各種地質工程問題，掌握各種“地質工程數值模擬”方法的基本理論、適用條件，并具備至少一種軟件的實際操作能力，培養綜合性地質工程人才。

（二）專業人才培養中的地位

在地質工程學科的研究過程中，遇到了很多難題。例如，有很多問題無法建立解析方程，即使建立了解析方程，也無法求得解析解，雖然部分地質工程問題可以采用試驗方法，但試驗方法費時、費力，并且有很多情況，無法或很難進行試驗。隨著計算機技術的發展，為數值方法的發展提供硬件和軟件保證，數學建模為計算提供有力的工具。因此，“地質工程數值模擬”解決了很多前人所不能解決的工程地質問題。這種方式理論與方法并重，試驗、數值計算與工程實踐相互檢驗，使得地質工程問題的解決更加廣泛，研究的課題更加深入，有力地推進了地質工程學科的定量化進程。作為地質工程專業的研究生，學習“地質工程數值模擬”課程，是深入研究工程地質問題的重要手段之一。因此，掌握各種“地質工程數值模擬”方法的基本理論、適用條件和軟件操作，是地質工程專業研究生學習中非常重要的一個環節。

四、課程教學方法與改革措施

（一）模擬分析的程序

“地質工程數值模擬”不是一個簡單的運算過程，而是一個涉及從“野外工程地質條件調查—室內巖土體物理力學性質試驗—地質模型的概化—計算模型的建立—計算條件（計算參數、初始條件和邊界條件）的選擇—計算結果的檢驗及綜合應用”等一系列問題的復雜系統。具體流程如圖1。

圖1 “地質工程數值模擬”分析程序

（二）課程教學方法與手段

以全面提升學生綜合分析地質工程問題為導向，緊密結合地質工程人才培養的特點，采用多種教學方法與手段進行教學。

1.實驗室現場實踐分析操作和指導的教學模式。實驗室每個學生配備一臺電腦，進行地質工程數值模擬實際操作，教師全程指導和輔導。

2.典型案例分析考核方式。不進行傳統的考試考核，而是以完成一個具體問題的綜合模擬分析為最終考核成績，提高了學生的自主學習能力和綜合分析問題的能力，學習效果顯著。

3.信息化教學手段的融合。2019—2020學年以來，由于受到大環境的影響，本課程有一段時間采用在線直播教學的方式進行。由于研究生基本上人人自備筆記本電腦，可以安裝相關學習軟件，在學習各種“地質工程數值模擬”方法的基本理論、適用條件的基礎上，依托雨課堂和騰訊會議等在線課堂手段，也達到人人參與教學、人人會模擬的效果。教師在直播教學的同時，給學生錄制教學視頻，以便學生課后進一步熟悉相關教學內容。這樣一來，每名學生在了解各種工程地質數值模擬方法的基礎上，具備了一定的實際操作能力，線上學習期間同樣達到了很好的學習效果。

（三）教學改革措施

以全面提升學生綜合分析地質工程問題為導向，緊密結合國家基礎設施建設、“一帶一路”建設和城市地質的發展需求，在堅持創新人才培養定位的基礎上，開展地質工程數值模擬課程體系改革和建設，主要措施如下。

1.以國家經濟建設需求為導向，修訂課程教學大綱。目前，國家大型基礎設施建設如火如荼，高速鐵路、城市地鐵、深長隧道和深海隧道等建設過程中，各種工程地質問題突出；城市地下空間的發展，為工程地質學科發展提出了新的挑戰。地質工程數值模擬是分析和解決這些地質工程問題的重要手段，結合國家基礎設施建設需要調整課程教學中的教學內容，滿足學生個性化學習和社會發展需要。

2.堅持理論與實踐結合的教學方法。地質工程作為一門應用型學科專業，注重基礎地質、力學、數學等課程學習的同時，更加注重學習知識在實踐中的應用和綜合問題的分析能力，將典型案例分析融入地質工程數值模擬的整個教學過程，以學生實踐操作和分析為主要教學手段，真正實現理論與實踐相結合。

3.建設和豐富典型案例庫，逐步實現在線慕課。目前，課程典型案例庫正在建設和完善，包括邊坡工程案例、滑坡案例、錨桿支護案例等。逐步實現典型案例分析在慕課平臺共享，方便廣大相關專業研究生參與學習和交流。

結語

研究生優質課程建設是一個長期的過程，如何建設“地質工程數值模擬”研究生優質課程，提高研究生的能力培養和長遠發展，仍然任重而道遠。必須結合地質工程學科專業特征，結合各個學校各自的生源質量和學生專業基礎，以國家經濟建設需求為導向，實時調整課程建設內容，加強理論結合實際和案例庫建設。