实验与可视化教学在高校土木工程力学教学中的应用
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摘 要 在高校新工科思想的背景下，土木工程专业力学课程的传统教学方式已经很难满足学生的需求。本文针对地方应用型高校的自身特点，提出了实验教学和可视化教学，讨论了这两种教学方式土木工程力学教学中的应用，并分析了它们的显著优势和作用，为地方应用型高校土木工程专业力学教学提供了参考意见。
关键词 土木工程 力学教学 实验 可视化
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.052
Abstract Under the background of the new subject idea in Colleges and universities， the traditional teaching method of mechanics course in civil engineering specialty has been difficult to meet the needs of students. In view of the characteristics of local applied universities， this paper puts forward experimental teaching and visual teaching， discusses the application of these two teaching methods in the teaching of civil engineering mechanics， and analyses their remarkable advantages and functions， which provides reference for the teaching of civil engineering mechanics in local applied universities.
Keywords civil engineering; mechanics teaching; experiment; visualization
1 目前土木工程力学教学中的问题
传统力学教学，主要是依据教材内容采用PPT或黑板版书方式，在课堂上由教师进行讲授。使用这种方式，在帮助学生认知、理解力学体系和各门力学课程的交叉依存关系等有重要作用和意义，但是在知识应用和自学能力培养时，相比采用室内实验和可视化技术则存在明显的劣势。学生在实验室通过操作实验设备，完成材料力学或结构力学实验，可以生动直观的感受到构件或结构的力学响应;而通过可视化技术，如动画视频或数值模拟，学生们可以透过构件或结构的表面变形，看到其内部应力与应变的分布，更加深刻的理解土木工程专业中的各种力学概念。
2 实验教学在土木工程力学教学中的应用
土木工程力学教学的每个环节都离不开实验和验证，只有经过实验和实践的验证，才能明确关系、明确边界，正确指导实践。实验是模型化的实践，是实践的特例，学习理论的过程若能附以实验教学，也就搭起了理论联系实践的桥梁。实验的过程，不仅仅是简单验证的过程，实验的过程也是一个检验自身理论水平的过程，对同一实验的同认识水平、能做多复杂的实验，真实地反映理论层次，而理论水平的层次决定了解决工程问题的性质。通过实验，学生能够检验自己的理论水平，对比工作要求，就有了定位和方向。因此，如果学生能够清楚知道所要从事的工作需要具备的理论层次，就会知道自己应该学习那些理论、学到何种层次，并知道如何去学习，这时学生就有自主学习能力了。这个把知识转化成能力的能力，这是解决工程问题的基础，也是工科大学时重要的基本能力。
如前所述，为了能使多层次的学生都能的得到正反馈，我们就需要设置不同层次的实验项目，而这个不同层次实验项目的支撑就是实验模型，实验模型是一个广义的概念，我们把所有实验对象都归结为实验模型，包括一个简单的试件，为方便模型层次展示，我们把模型分为三种，理想模型（也称简化模型，验证假定、算法，建立基本专业概念），也可以是变参量的理论模型（多参量系列变化模型，展示变量对结果的影响，强化基本概念，明确趋势），也可以是工程模型（相似模型-分析设计特点，寻找优化方向、判断损伤、破坏原因）。这种多层次的试验教学对构件和结構进行应力如何平衡外力、变形来源、破坏形式进行分析的思维模式对以后的学习非常有利，每门专业课程的核心基本概念都可简化成特定的模型进行特定的加载方案。有了这个设计理念，不仅可方便学生多层次理解理论，而且学生也可根据自己理解设计实验模型、实验教具，这对基本概念的理解、对边界分析有极大帮助，也为学生参加周培源力学大赛、大学生结构大赛等打下深厚的基础，注意积累就容易形成了一个开放式创新平台。为了达到这个目的，还要设计具有针对性的力学实验教材。
实验预习报告和实验报告是培养学生实践能力的重要环节。实验的过程是一个验证的过程，若实验前没有一个需要验证的关系，没有自己想法，那实验就成了说教，因此在试验教学中需要学生带着假定和疑问，这就需要精心设置实验预习报告。实验预习报告须独立完成，报告每道题目的完成时间约为一个小时，这样每个实验的预习时间大约需要3-5天的时间。实验预习报告和实验报告都是具有多层次的，分为A-E级，A-感性认识及前置基本概念、B-基本概念及规范标准对应解释、C-概念量化、D-边界分析及设备操作关键点、E-研究类实验。通过这样设计预习报告和实验报告，有利于针对不同层次的学生进行不同层次的学习。
3 可视化教学在土木工程力学教学中的应用
材料力学和结构力学中的应力集中、剪切/扭转破坏、和强度理论等传统教学中存在的疑难抽象问题，借助现代化信息技术均可迎刃而解。目前国内外高校力学教材上的例题基本都采用高度抽象模型，构件与结构用细直线表述。而利用可视化手段后可通过社会实际生产项目进行讲解，学生更加明确所学知识的应用场景，掌握解决实际问题的规律后，可归纳外推到其它问题领域，如图1所示。相比传统教学手段，动画传递的信息量和速度远远大于文字和PPT，采用3D可视化图形能更清晰的表达出复杂的扭转振型，以及形状优化等难度大、含金量高的知识点。
可视化素材“数据化”，虽然目前老师和学生普遍认为可视化教学在教学中能起到事半功倍的效果，但是现在老师在制作课件时，很难找到合适的素材。网上课程通常比较优秀，但整段课程虽已经数字化，而不是“数据”，不便于快速检索，查找相关素材仍非常耗费时间，有时尚不如自己制作一个动画的时间成本低。通过建立高校力学标准化、“数据化”知识库，设计和架构力学基本概念知识网络，设计的目的是构建知识点之间的相关性，将知识点的基础支撑内容做成超链接，相当于为达到理解某个知识点建立快速通道。
可提供具备搜索功能的平台，随着输入检索词的变化给出实时的提示。由于可视化短视频/图片均已数据化（数据化为数据库字段），本搜索功能与百度公司的搜索技术类同，但是比百度更专业，因百度为通用型搜索引擎，其搜索核心算法虽比较强大，但搜索到的内容比较庞杂，输入一个检索问题，通常会有多个检索结果，给出结论的依据不足（未严格列举其引用依据），而知识库中搜索结果可经过本学院多名具有豐富力学教学经验的老师反复研讨和论证，可靠性高。
4 实验教学与可视化教学在土木工程力学教学中的应用
把实验和可视化两种手段相结合，既可以提升科研水平，又可以促进教学能力。高校教师通过相应的科研领域，关注学科前沿动态，并付诸实践。在教学中，又可以将其引入教学内容中，使学生直观了解所学课程的应用领域，加深对课程的理解和掌握，引起对科学研究的兴趣。在土木工程专业的教学与科研中，同样可以进行相应的尝试。如Hajialilue-Bonab等人研制了一个小型物理模型实验装置（图2），在松散的砂土中进行水平荷载下的桩-土相互作用实验。在水平向加载桩的过程中，同时从侧面和模型顶部拍摄了数字图像。而后应用粒子图像测速（PIV）这种可视化方法，从数字图像中获取桩周砂土的变形和应变。基于PIV分析，绘制了具有圆锥形状的三维应变楔（图3），推导了应变楔的方程，并通过应力-应变极限平衡分析得到了桩的侧向荷载响应。根据不同的桩土特性估算了个桩的侧向承载能力。通过这样的实验与可视化相结合的办法，可以做到科研带动教学，并带动学生的学习兴趣。
5 结语
综上所述，传统的土木工程力学教学方式，并不能完全满足新时期土木工程专业的教学要求，应该深入挖掘实验教学和可视化教学的优势，充分激发学生对力学课程的兴趣，使其加深对力学的理解和领悟。尤其对于地方应用型高校，应该加强对应用型与实践型人才能力的培养，推动高校土木工程专业力学课程教育的现代化。
课题名称及编号：基于材料力学与土力学的教学实验装置研发，201802346015
参考文献
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