“土木工程材料”課程中實驗和數值模擬結合的教學方法研究

［摘 要］ 實驗和數值模擬結合的教學方法可以加深學生對理論的理解，提高學生的實踐和科研能力。為研究實驗和數值模擬結合的教學方法在“土木工程材料”課程中的應用，以培養學生對實驗結果和理論的分析能力為目的，提出虛擬實驗設計、實驗數據處理和完善實驗報告等教學要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數據處理、數值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數值模擬結合教學方法的具體內容。

［關鍵詞］ 土木工程材料；實驗；數值模擬

［基金項目］ 2022年度國家自然科學基金“基于三維損傷累積機理的高強鋼對接焊接接頭超低周疲勞性能研究”（52208138）

［作者簡介］ 王苑佐（1994—），男，山西臨汾人，博士，北京工業大學建筑工程學院講師，主要從事土木工程材料與鋼結構研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0146-05 ［收稿日期］ 2023-11-10

引言

“土木工程材料”課程在土木工程專業中具有至關重要的地位。這門課程旨在教授各種土木工程材料（如混凝土、鋼材和木材等）的性能、特性以及在實際工程中的應用（如圖1所示）。對于土木工程專業的學生來說，深刻理解這些材料的行為和性能至關重要，因為他們未來將面臨各種不同類型的工程項目，要求他們正確選擇和使用材料以確保工程的安全性、耐久性和可靠性［1］。

隨著科學技術的不斷發展，材料科學和工程在土木工程領域中的應用也變得越來越廣泛。“土木工程材料”課程的教學方法必須不斷創新和改進［2-4］。傳統的教學方法通常側重于理論知識的傳授，通過課堂講授、教材閱讀和小組討論等方式向學生傳遞知識。盡管這些教學方法能幫助學生理解材料的基本概念和理論原理，但不能有效滿足學生對材料行為和性能有更深入理解的期望。成功的“土木工程材料”課程不僅要教會學生理論知識，還需要培養他們的實際工程應用和研究能力［5］。因此，我們需要尋求創新的教學方法，以更好地滿足學生的需求，從而幫助他們更好地準備面向未來的土木工程挑戰［6］。

隨著數值模擬技術的發展，我們有了更多的機會來探索新的教學方法，以更好地滿足學生的學習需求［7-8］。實驗和數值模擬是兩種互補的方法，實驗通過真實的材料樣本和測試設備來獲取數據，而數值模擬則使用數學模型來模擬材料的行為［9］。將這兩種方法結合起來，可以為學生提供更全面、深入的理解［10］。將實驗和數值模擬相結合的方法在“土木工程材料”課程教學中具有巨大的潛力，可以幫助學生更好地理解材料的行為，從而為他們的未來職業發展打下堅實的基礎。

本文旨在研究“土木工程材料”課程中實驗和數值模擬結合的教學方法的有效性，并探討如何將實驗和數值模擬相結合的方法應用于“土木工程材料”課程的教學中。為加深學生對實驗結果的理解，提高學生理論分析能力，培養學生計算和模型建立技能。通過在實驗課中引入數值模擬的教學方法，提出虛擬實驗設計、實驗數據處理和完善實驗報告等教學要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數據處理、數值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數值模擬結合教學方法的具體內容。

一、實驗與數值模擬結合教學的目的和要點

（一）在實驗課程中引入數值模擬方法的目的

1.加深學生對實驗結果的理解。實驗和數值模擬相結合可以提供更深入的理解。實驗提供了真實數據和觀察，而數值模擬允許學生探索不同條件下的材料行為，從而獲得更全面的知識。將實驗與數值模擬結合的教學方法能夠幫助學生把抽象的理論知識與實際的工程問題相結合［11］。傳統的實驗教學通常關注實驗數據的收集和結果的觀察，而數值模擬則通過計算和模擬來呈現材料行為。學生可以在虛擬環境中實際模擬材料的性能，從而更深入地理解理論公式和原理的應用。這種結合有助于學生建立直觀的聯系，提高他們的理解和記憶。

2.提高學生理論分析能力。將實驗和數值模擬結合的教學方法培養了學生的定量分析能力。學生需要學習如何處理實驗數據，并將其輸入數值模擬軟件中進行比較和分析［12］。通過比較實驗結果和模擬結果，學生能夠更全面地了解材料行為的特點。這有助于他們將數據定量化，從而更好地評估材料的性能和行為［13］。

3.節約成本和資源。實驗通常需要昂貴的實驗設備和材料。通過數值模擬，學生可以多次進行模擬實驗，探索不同參數的影響，而無須額外的物資和設備支持，避免了高額的實驗成本。這有助于高校更有效地分配資源。

4.拓展實驗范圍，通過數值模擬。學生可以模擬各種不同條件下的實驗，包括極端條件或難以復制的情況，從而拓展了實驗的范圍和深度［14］。結合實驗和數值模擬的教學方法可以涵蓋各種不同材料和情境。學生可以模擬不同材料的行為，包括混凝土、鋼材、木材、土壤和復合材料等。這種多樣性的案例研究幫助學生了解不同材料的特性和應用。

5.培養計算和模型建立技能。數值模擬通常需要學生編寫代碼或使用模擬軟件來執行計算和分析。這有助于提高學生的計算和編程技能，這在現代工程實踐和科學研究中非常重要。

（二）實驗與數值模擬結合教學要點

1.實驗數據驗證：在進行數值模擬之前，學生應首先進行實驗以獲取真實數據，這些數據可用于驗證數值模擬模型的準確性。

2.數值模擬參數調整：學生可以使用數值模擬來探索不同參數對材料性能的影響。通過調整模型中的參數，他們可以預測不同條件下的材料行為，并進行比較和分析。

3.虛擬實驗設計：學生可以使用數值模擬來設計虛擬實驗，模擬各種工程情境下的材料行為。這有助于他們理解材料在不同環境中的表現，從而優化工程設計。

4.完善實驗報告：學生應將實驗和數值模擬的結果結合在實驗報告中，從而提供更全面的分析和結論。這有助于學生將兩者相互關聯，從而形成更深刻的理解。

5.課程項目和研究：將實驗與數值模擬相結合的方法也可以應用于課程項目和研究項目中。學生可以選擇特定的材料或工況，結合實驗和數值模擬來進行深入的研究，從而提升他們的研究能力。

二、實驗與數值模擬結合教學內容及實例

（一）實驗與數值模擬結合教學內容

1.數值模擬方法教學。數值模擬軟件可根據高校的軟件使用權和實驗類型進行選擇。通過指導學生學習數值模擬軟件，重點教學數值模擬軟件中材料性能的設置方法，引導學生回顧各個材性指標的物理意義以及實驗標定方法。

2.實驗教學和預模擬教學工作。指導學生操作儀器和設備，以測試和測量不同材料的物理和力學性質。這些實驗可以包括拉伸、壓縮、彎曲、沖擊和疲勞等測試。指導學生開展預模擬工作，用以指導實驗設計。

3.數值模擬及擴展研究教學。學生自主處理實驗數據，并標定數值模擬中所需的材性。學生自主模擬實驗，教師引導學生通過模擬案例研究來理解材料行為。作為擴展研究，學生可以進一步利用數值模擬軟件來開展參數分析工作，模擬不同條件下材料的力學行為。

4.數值模擬結果分析教學。培養學生在理論層面闡述模擬結果的能力。學生自主對比模擬與實驗結果，說明其中的差異并給出解釋，從而幫助學生加深對材料行為的理解。教師在這一過程中要重視對學生科研思維的培養。

（二）實例：鋼材單調拉伸實驗

鋼材單調拉伸實驗是工程材料力學性質研究的關鍵實驗之一。傳統的實驗教學方法通常包括學生進行實驗操作，測量應力—應變曲線并獲取實驗數據。結合數值模擬方法，可以培養學生深入理解材料行為的能力。

1.實驗前準備。（1）向學生展示鋼廠出具的鋼材檢測證書，引導學生回顧相關概念，介紹實驗鋼材的基本材性，包括屈服強度、拉伸強度和伸長率等。（2）向學生介紹實驗設備，包括拉伸實驗機、試樣夾具、引伸計和位移計等。介紹引伸計和位移計的功能和適用范圍。介紹當前更先進的數字圖像相關監測技術，可以無接觸監測試件表面的變形情況，如圖2所示。（3）指導學生查閱GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸實驗第1部分：室溫實驗方法》等相關規范性文件，自主設計標準拉伸試樣，確保它們的尺寸和幾何形狀符合實驗標準且與實驗設備匹配。根據鋼材檢測證書中的基本材性數據，在有限元軟件中開展預模擬工作，預估實驗中試件的承載力和變形情況。（4）指導學生在預模擬過程中理解和分析鋼材拉伸實驗中常見的頸縮現象（圖3）。學生自主分析頸縮后試件承載力的變化、試件頸縮區域的變形情況等。（5）指導學生學習實驗安全指導書。學生在實驗開始前，應接受必要的安全培訓和操作指導。

2.實驗流程。（1）學生根據實驗指導書的步驟，在拉伸實驗機上安裝試樣；（2）學生調整實驗機的設置，包括加載速率和實驗結束條件；（3）學生開始拉伸實驗，并在實驗過程中記錄實時數據，包括載荷和試樣的伸長量；（4）實驗結束后，學生停止實驗機，并記錄試樣的斷裂位置和外觀特征。設備條件滿足的情況下，可以使用電鏡掃描試件斷面，觀察斷面特征，如圖4所示。

3.數據分析（1）學生收集實驗數據，包括載荷—伸長曲線、屈服強度、拉伸強度和伸長率等；（2）學生計算機工程應力—應變曲線，并針對試件的頸縮，基于塑性體積不變等原理計算得到真實應力—應變全曲線（圖5）；（3）學生計算和討論關鍵參數，以評估材料的性能。

4.數值模擬。（1）指導學生使用數值模擬軟件（如ABAQUS、ANSYS等）。創建拉伸實驗的數值模型，包括定義試樣幾何、加載條件等；（2）在材性定義中，指導學生明確彈性模量、真實應力—應變的概念和輸入方法；（3）學生記錄并分析模擬結果，包括荷載—位移曲線、屈服點和峰值承載力等；（4）指導學生利用數值模擬手段繼續開展擴展研究。模擬并研究不同條件下材料的力學行為或在構件層面研究材料性能對構件力學性能的影響（圖6）。

5.研究報告。（1）學生自主對比實驗和數值模擬的結果，討論模擬與實際之間的差異，并分析其原因，如材料模型的準確性、試樣尺寸和加載條件的影響；（2）學生自主探討模擬結果的敏感性，在數值模擬環節中擴展研究，研究材料性質參數和荷載工況對結果的影響。

6.結果評價。（1）學生根據實驗結果和數值模擬的分析撰寫實驗報告和模擬結果分析報告；（2）教師評估學生的實驗技能、數據分析能力以及對材料行為的理解，這可以通過報告的質量和學生的參與程度來評估，具體評價項目和細則見表1。此外，教師還可以鼓勵學生之間的互評和自評，以促進學生的自我反思和學習成長。

結語

傳統的教學方法通常側重于理論知識的傳授，通過課堂講授、教材閱讀和小組討論等方式向學生傳遞知識。盡管這些方法對于理解材料的基本概念和理論原理非常有效，但它們往往無法滿足學生對于材料行為和性能更深入理解的期望。

本文明確了在實驗課中引入數值模擬教學方法的目的，提出虛擬實驗設計、實驗數據處理和完善實驗報告等教學要點。以鋼材拉伸實驗為例，從實驗方案、數據處理、數值模擬和實驗報告等方面，闡述了實驗和數值模擬結合教學方法的具體內容。本文提出的實驗與數值模擬相結合的教學方法，可以幫助學生更全面地理解土木工程材料的性能和行為。這種綜合方法不僅加強了學生的實驗技能和數據分析能力，還培養了他們的模型建立和問題解決能力，為學生未來的土木工程職業發展提供了堅實的基礎。同時，學生通過編寫詳細的實驗報告，能夠將實驗和數值模擬相結合，從而對課堂知識形成更深刻的理解，培養了他們的學術研究能力與工程應用能力。

參考文獻

［1］曾剛，李崢，王元元，等.基于科教協同理念的土木工程材料課程教學改革實踐［J］.高等建筑教育，2022，31（6）：146-152.

［2］王圣賢.基于應用型需求的土木工程材料實驗課程改革［J］.當代教育實踐與教學研究，2018（2）：74-75.

［3］李果，姬永生，袁廣林，等.《土木工程材料》創新性教學應用研究［J］.高教學刊，2018（17）：27-29.

［4］潘長春.土木工程材料實驗應用型教學改革的研究［J］.教育教學論壇，2020（4）：211-213.

［5］袁曉露，彭艷周，劉冬梅，等.基于科研能力培養的土木工程材料實驗教學模式探索與實踐［J］.教育教學論壇，2018（23）：140-141.

［6］褚洪巖，黃凱健，王元綱.淺談土木工程材料課程教學方法改革［J］.教育教學論壇，2020（40）：275-276.

［7］張如林，程旭東，楊文東，等.數值模擬課程中培養學生創新能力的教學探索［J］.高等建筑教育，2017，26（3）：69-72.

［8］李志鵬，張津瑞，楊榮偉，等.新工科背景下融合OBE的土木工程材料教學探索與實踐［J］.教育教學論壇，2022（9）：89-92.

［9］譚曉慧，侯曉亮，儲誠富，等.基于研究性理念的土工實驗教學改革探索［J］.高等建筑教育，2017，26（5）：104-107.

［10］馬文勇，尉耀元，谷玉榮，等.本科生風工程教學方法探索［J］.教育教學論壇，2012（31）：118-120.

［11］高笑娟，李躍輝.以提高學生綜合素質為目標的土力學課程教學改革［J］.高等建筑教育，2022，31（6）：123-129.

［12］趙文娟.基于ABAQUS二次開發的巖石力學試驗數值仿真系統［J］.高等建筑教育，2019，28（5）：160-165.

［13］朱藝婷，陳欣.土木工程材料課程教學改革［J］.西部素質教育，2019，5（6）：182-183.

［14］楊勇，郭子雄.數值模擬試驗在土木工程專業課程教學中的應用［J］.高等建筑教育，2005，14（3）：65-68.

Investigation of Integrated Teaching Methods Combining Experiments and Numerical Simulation in

Civil Engineering Materials Course

WANG Yuan-zuo

（College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Incorporating a teaching approach that combines experiments and numerical simulations can deepen students’ understanding of theory and enhance their practical and research skills. To investigate the application of the combined teaching method of experiments and numerical simulations in the civil engineering materials course， this paper delineates the objectives of enhancing students’ analytical capabilities regarding experimental results and theory. and outlines key aspects of teaching， including virtual experiment design， experimental data processing， and improving experimental reports. Taking the example of a tensile test on steel materials， it elaborates on the specific contents of the teaching method that combines experiments and numerical simulations， encompassing experimental design， data processing， numerical simulation， and the preparation of experimental reports.

Key words： civil engineering materials; test; simulation