新工科建设背景下计算机技术在岩土工程中应用(3)

总之，考核方式应以反映出学生的学习效果为主，不同的问题适合不同形式的考核，需具体分析，综合应用和分配好各种形式的考试比例。考核方式应是教学全过程考核，因此，在实际教学中，合肥工业大学相关院系的相关专业安排了多种考核方式，具体考核方式及权重和考核目的如下页图2所示。其中LO1、LO2、LO3、LO4、LO5分别对应地代表具有团队合作精神和较高的沟通能力、具有坚实的工程基础知识和较为广泛的人文知识、具有扎实的工程设计能力、了解本专业的前沿和发展趋势、具有较高的自主学习能力。上述考核方式覆盖了教学内容，更加全面科学地反映学生学习成果，激发了学生自我学习的热情，培养了学生的创新能力。

图2 考核方式和培养目标

五、小 结

当前，计算机技术仍继续快速向前发展，关于其后续走向仍有大量研究甚至存在争论。虽然如此，计算机对于岩土工程学科发展和人才培养的影响已十分明显，计算机技术对于新工科建设的影响广度与深度还将持续增强。因此，在计算机技术已成为分析和解决岩土问题重要手段时，加强岩土工程中计算机技术教学，提高学生的数值模拟仿真能力已成为必然趋势。采用合理的教学形式，利用现代化教学技术，提高学生的学习兴趣是保证课程教学质量的重要举措。因此，要求在教学过程中注意以下方面：

一是阐述好试验和工程背景，加强理论和实践相结合，让学生理解所学知识的来源和应用，进而对学习产生兴趣，提高学习效果；二是采用开放式教学，内容从简单入手，不断深入，既让学生体会到成就感，又诱导其进一步思考复杂问题，从而训练其创新思维的能力；三是紧密关注计算机技术的发展趋势，把具有代表性的计算理论和具有发展前景的软件程序带入到教学过程中，让学生接触到科学发展的前沿理论和技术，以利于他们在未来一段时间内可以持久地学习和利用相关的理论及软件程序。

[1] 教育部高等教育司.关于开展新工科研究与实践的通知[Z].教高司函[2017]6 号， 2017.

[2] 教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究， 2017(1):10-11.

[3] 教育部高教司.“新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J].高等工程教育研究， 2017(4):24-25.

[4] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017(2)：26-34

[5] 林健.新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版[J].高等工程教育研究，2017(3)：7-14.

[6] 徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017(6):6-10.

[7] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究， 2017(3):20-26.

[8] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利出版社，2009:34-35.

[9] 何本国，陈天宇，汪洋.ANSYS土工工程应用实例[M].北京:中国水利出版社，2011:11-12.

[10] 龚晓楠.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报，2000(2):30-31.

[11] 王国欣.科学计算软件在岩土工程中的应用[J].岩土工程技术，2002(2):63-66.

[12] 苏永奇，杨泽平.计算机辅助技术在岩土工程中的应用及展望[J].山西建筑，2007(10):367-368.

[13] 杨敏，肖珂.岩土工程计算机技术的发展展望[J].岩土工程界，2000(3):9-10.

马海春(1983-)，男，安徽滁州人，博士，讲师；

崔可锐(1956-)，男，安徽芜湖人，博士，教授，硕士生导师。

2017年,教育部启动了“新工科”发展研究工作[1]，并于当年2月18日形成了“‘新工科’即新兴、新型、新生建设复旦共识”[2]，4月8日形成了“‘新工科’行动路线(天大行动)”[3]。 新工科建设具有三方面的含义，即新兴、新型、新生。目前，全国有92%以上的高等学校设置了工科专业，但各学校之间存在着服务面向、办学定位、学校类型、办学层次等诸多方面的差异，每个高校都在探寻适合自己的新工科建设发展道路[4-7]。计算机技术的快速发展推动着岩土工程领域的发展[8-11]，对岩土工程专业教育提出了新的要求。地质勘探方面的辅助设计软件、数据库系统、地理信息系统等软件和计算机系统提高了地质勘探的准确度和效率；各种力学分析软件、辅助设计软件大大提高了岩土工程设计的合理性和效率[12-13]。为了满足社会生产和科学研究的需求，很多院校和科研院所都安排了岩土工程领域的计算机技术学习课程。但是，在课程内容和教学方式设置上依然存在很多的差异和难处，给岩土工程中的计算机应用教学带来挑战和机遇，特别是大量计算软件的存在让许多学生莫衷一是，不知所措。结合新工科建设背景，本文根据计算机技术在岩土工程中应用教学发展趋势的特点，对教学的前期课程、教学内容和时间、考核方式等问题进行分析，阐述该课程要面对和解决的问题，分析课程相关内容的特点，以探寻更好的新工科教学形式，打破理论和实际的间隔，让学生能够积极主动学习分析各种不同条件下的岩土问题。一、计算机技术在岩土工程中应用教学发展趋势计算机和计算技术的发展促进岩土工程进入一个重要阶段, 工程实践和理论研究得到了数值方法的有效检验和支撑。计算土力学已成为很多院校和研究所的重要科研和教学内容，从教育来看, 目前岩土工程的从业人员的素质与实际要求还有较大的差距,这是因为很多教学实际案例脱离了实际背景，没有从实际出发抽象成计算机语言的过程，但很多行业从事者和学生对计算机技术的需求程度却日益高涨。因此，开展计算机技术在岩土工程相关课程中的应用有着重要的现实意义。现阶段此教学活动存在以下发展趋势：(1) 数值理论基础教学的提高 随着很多理论的日益成熟，有限差分法和有限元等理论广泛地被应用到数值分析中，因此，在学习如何利用程序软件前讲授其对应的理论基础是有必要的。只会利用软件而不懂理论，对于软件的理解和应用也势必有所限制。(2) 数值程序软件专业性的提高 岩土工程问题设计的软件很多种，近些年来，教学过程中采用的软件专业性不断提高。FLAC3D、ANSYS等软件作为岩土工程应用领域的知名软件，其本构模型和结构单元等都广泛应用于专业问题中，并且得到了良好的分析结果。(3) 教学与实际结合程度不断提高 实际工程中的具体问题很多都可以进行数值分析模拟。因此，结合具体实例讲解既能给学生提供工程背景，提高其学习兴趣，又能为学生提供对数值分析结果进行检验的途径。(4) 教学互动性的提高 在教学过程中，因为很多时候学生对一些问题的迫切性不了解，所以经常提出疑问，若不能及时解答，往往会造成学生的挫败感，从而严重影响学习效果。这就要求在教学过程中加强学生和老师之间的互动，使学生在得到老师的及时点拔之后豁然开朗，提升他们的“成就感”，进而增加他们在学习成效上自豪感，进一步地会提高学习效果。二、前期课程对于该门课程来说，首先，学生要掌握好相关的专业知识，主要包括土力学、岩石力学与岩体工程、水文地质学、工程地质学、工程力学等学科。这些相关课程可以帮助学生认识岩土工程试验和工程实际问题。例如边坡分析问题的计算机分析离不开常用的边坡稳定性分析理论。任何一种物理理论都是需要物理背景或者工程实践的支撑才会有实际意义，因此在各种分析理论中涉及的岩土工程问题既是计算机仿真的出发点，也是其回归处，依据实际问题建立模型，更要比对分析试验结果和模拟结果。例如对于岩土工程的侧限压缩试验，学生要首先通过前期课程了解试验的装置、试验的原理、模型设备、步骤、和可能的结果，否则空谈数值模拟没有任何的物理意义和实际工程背景。专业知识的储备是从事计算机应用解决实际问题的灵魂，专业知识和物理背景相结合的计算机技术是该教学课程的出发点和落脚点。其次，计算机技术离不开计算机相关知识的储备。计算机基础知识主要包括操作系统的应用和相关计算机编程语言的掌握。通过计算机语言的学习可以帮助学生更好地使用或开发程序和软件的延伸性。例如利用frotran语言及相关专业知识，可以简单编写边坡稳定性分析瑞典条分法的计算程序，并结合软件开发平台建立一个简单的边坡稳定性分析应用软件。三、教学内容和时间近些年来，随着合肥工业大学勘查技术与工程专业课程设置的内容不断发展和深入，软件教学转换到Flac3d、Ansys、abaqus等软件的学习和实践。这是因为这些软件的应用得到了学生的广泛认可，很多学生在学习课程中产生了浓厚的兴趣，也在学习之后结合实际试验中很好地加以运用。岩土计算软件纷繁多样，难以取舍，但从已反馈的评价来说，很多学生对于软件的学习动机主要集中于软件实用性和功能性，是否学以致用和学有所用是获得学习兴趣和成就感的主要标准。结合新工科建设，合肥工业大学勘查技术与工程专业在课程设置上对Flac3d的功能和使用侧重其与实际问题的结合，让学生从实验出发，提炼分析模型，建立计算条件，提炼计算机语言。例如对于单轴压缩试验的模拟分析，从实验入手，对建立几何网格、材料本构的选取，边界条件的设置，载荷的分级施加等问题的分析是建立在具体的试验基础上，并结合试验结果加以对比分析，其对应流程图和相应代码见图1。图1 压缩试验教学流程图如何让试验状态进入计算机模拟过程是学生感兴趣的内容；如何利用好计算机模拟帮助分析试验的多种性和丰富性也是学生要注重的思维训练。计算机模拟一定要强调做模拟的目的、背景。因此在课程的设置上往往是以实际问题启发学生如何建模，完成分析后又回到实际问题中，分析其结果的正确性。常见的问题涉及岩土工程诸多领域，如静力学涉及各种静态试验,包括不同条件下的压缩试验、拉伸试验、剪切试验等，实际工程中的载荷试验，各种堆填开挖条件下的地基变形沉降等问题；地下水的静水压力的处理以及渗流条件下的流固耦合问题；动力学包括各种动力条件下岩土结构体系的响应，如地震波载荷或者爆炸冲击载荷造成的力学物理量的求解。另外，边坡稳定性也是岩土工程的重要内容，边坡的安全系数的求解是很多工程需要解决的实际问题。最后，很多问题的耦合叠加会形成更复杂的问题，因此，不断深入分析复杂问题是学习的有效途径。例如，动力条件下含有地下水渗流的多层边坡稳定性分析就是动力学、地下水渗流和边坡稳定性的综合应用，建模时需要对相关知识的综合分析后加以应用。在教学形式上，利用多媒体教学形式主要是展示建模的思想，要以问题的形式激发诱导学生去寻找问题、分析问题和解决问题的主动性，并要求学生大胆延伸问题，让学生自我思考如何将知识点与实际工程相结合。如对于隧道开挖的稳定性，要求学生思考从静态问题是否可以转换到动态问题，或者进一步要求学生进行一定支护条件下的稳定性模拟分析。另外，上机实验的安排是实践教学的有效形式，也是检验教学效果的途径。因此，在上机教学过程中可以及时解决学生提出的各种疑问，对于普遍性的错误给予重点解惑。学习计算机技术离不开自我学习，对于学生的自学能力的培养需要进行合理的引导，可以提出一些与实际联系紧密的问题让同学们以学习小组的形式共同解决，这既可以促使其相互帮助学习，又可以促进他们彼此之间互相激励。课程的教学时间应该结合不同的教学内容和教学形式来确定，对于复杂的问题，可以适当地给予更多时间，较简单的问题则可以把主要思路展示后让学生利用课后时间学习。课堂教学应以讲授理论基础、工程状况以及建模思路为主要内容，课堂教学时间应保证教学内容的完整性和全面性。上机讲授教学则应以解答学生困惑为主，对于具体问题一一解惑，上机教学的时间应保证学生对建模时间的需求，特别是要保证大多数学生有独立的对于普遍性问题的建模能力。四、考核方式教学过程性测试的加强，有利于全面了解学生的学习和应用知识的能力。普通一份试卷决定成绩的片面化做法，对于岩土工程数值技术课程来说过于死板单一。作为利用计算机解决问题的课程，其考核方式势必会有别于普通考试模式。首先，考核主要目的是查明学生利用软件生成模型，解决实际问题的能力，而很多实际的问题建模比较复杂，模型的建立和求解需要很长的时间，因此，以课后作业的形式开放式的考核形式，给学生足够的实践时间来进行思考和拓展，有利于学生创新思维的培养，也有利于学生之间相互学习，形成良好的学习氛围。对于那些能够通过自我学习解决具体的复杂问题的学生，应该考察引导其建成复杂模型的能力，对应的考核应以开放式的教学、过程性测试内容为主，鼓励其探索更困难的问题。在考核过程中，既要考察学生对基本理论的掌握情况，这部分可以通过笔试的形式进行，同时，对于知识应用程度的考核，应以实际上机考试为主。另外，考试也可以以论文报告的形式进行，让学生以学习小组的形式进行学习讨论，以所学的内容、学习方法、学习成果和具体问题分析实例的形式提交，并按一定比例列入最终考核成绩。总之，考核方式应以反映出学生的学习效果为主，不同的问题适合不同形式的考核，需具体分析，综合应用和分配好各种形式的考试比例。考核方式应是教学全过程考核，因此，在实际教学中，合肥工业大学相关院系的相关专业安排了多种考核方式，具体考核方式及权重和考核目的如下页图2所示。其中LO1、LO2、LO3、LO4、LO5分别对应地代表具有团队合作精神和较高的沟通能力、具有坚实的工程基础知识和较为广泛的人文知识、具有扎实的工程设计能力、了解本专业的前沿和发展趋势、具有较高的自主学习能力。上述考核方式覆盖了教学内容，更加全面科学地反映学生学习成果，激发了学生自我学习的热情，培养了学生的创新能力。图2 考核方式和培养目标五、小 结当前，计算机技术仍继续快速向前发展，关于其后续走向仍有大量研究甚至存在争论。虽然如此，计算机对于岩土工程学科发展和人才培养的影响已十分明显，计算机技术对于新工科建设的影响广度与深度还将持续增强。因此，在计算机技术已成为分析和解决岩土问题重要手段时，加强岩土工程中计算机技术教学，提高学生的数值模拟仿真能力已成为必然趋势。采用合理的教学形式，利用现代化教学技术，提高学生的学习兴趣是保证课程教学质量的重要举措。因此，要求在教学过程中注意以下方面：一是阐述好试验和工程背景，加强理论和实践相结合，让学生理解所学知识的来源和应用，进而对学习产生兴趣，提高学习效果；二是采用开放式教学，内容从简单入手，不断深入，既让学生体会到成就感，又诱导其进一步思考复杂问题，从而训练其创新思维的能力；三是紧密关注计算机技术的发展趋势，把具有代表性的计算理论和具有发展前景的软件程序带入到教学过程中，让学生接触到科学发展的前沿理论和技术，以利于他们在未来一段时间内可以持久地学习和利用相关的理论及软件程序。参考文献：[1] 教育部高等教育司.关于开展新工科研究与实践的通知[Z].教高司函[2017]6 号， 2017.[2] 教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究， 2017(1):10-11.[3] 教育部高教司.“新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J].高等工程教育研究， 2017(4):24-25.[4] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017(2)：26-34[5] 林健.新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版[J].高等工程教育研究，2017(3)：7-14.[6] 徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017(6):6-10.[7] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究， 2017(3):20-26.[8] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利出版社，2009:34-35.[9] 何本国，陈天宇，汪洋.ANSYS土工工程应用实例[M].北京:中国水利出版社，2011:11-12.[10] 龚晓楠.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报，2000(2):30-31.[11] 王国欣.科学计算软件在岩土工程中的应用[J].岩土工程技术，2002(2):63-66.[12] 苏永奇，杨泽平.计算机辅助技术在岩土工程中的应用及展望[J].山西建筑，2007(10):367-368.[13] 杨敏，肖珂.岩土工程计算机技术的发展展望[J].岩土工程界，2000(3):9-10.

文章来源：《岩土工程学报》 网址: http://www.ytgcxb.cn/qikandaodu/2020/1225/456.html