隧道工程畢業(yè)設(shè)計中數(shù)值仿真模塊策略

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摘要：本文針對本科生隧道工程畢業(yè)設(shè)計中數(shù)值仿真模塊完成質(zhì)量不高的問題，從教師怎樣培養(yǎng)學生的角度，研究得出了提升數(shù)值仿真質(zhì)量的若干策略，并進行了詳細闡述。建議教師在先修的教學內(nèi)容中融入數(shù)值仿真技術(shù)的相關(guān)知識點；對于已經(jīng)找到工作或已經(jīng)確定考上研究生的學生，采取不同的措施提高學生深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性；因人而異布置畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真任務(wù)。實踐表明應(yīng)用這些策略可明顯提升學生的數(shù)值仿真完成質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧道工程；畢業(yè)設(shè)計；數(shù)值仿真；質(zhì)量提升策略

我國目前正在深入推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，需要大量從事隧道建設(shè)的高素質(zhì)人才，本科畢業(yè)設(shè)計在隧道工程人才培養(yǎng)中具有非常重要的作用。為了使本科生掌握先進的隧道修建技術(shù)，很多隧道工程畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容不僅有傳統(tǒng)的解析計算模塊，還有數(shù)值仿真模塊。其中的數(shù)值仿真模塊對學生的要求：根據(jù)有限單元法、有限差分法等數(shù)值分析方法，利用數(shù)值仿真軟件，首先在計算機上建立反映實際工程情況的數(shù)值模型，然后計算出隧道的位移與內(nèi)力等，最后分析數(shù)值仿真結(jié)果，從而為確定隧道的設(shè)計方案與施工措施提供重要的參考意見[1-4]。

一、數(shù)值仿真模塊存在的問題

筆者作為隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)教師，發(fā)現(xiàn)學生在完成數(shù)值仿真模塊的過程中，存在一些問題：學生前期的準備工作不足，導(dǎo)致看不懂畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真任務(wù)，無法制定適合自己的工作步驟；學生對畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真任務(wù)不感興趣，完成數(shù)值仿真任務(wù)的積極性不高，能拖就拖；學生對本科畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真難度沒有正確的認識，要么認為數(shù)值仿真任務(wù)太難而喪失了自己完成的信心，轉(zhuǎn)而尋求抄襲過關(guān)；要么認為數(shù)值仿真任務(wù)太容易了，自高自大，淺嘗輒止，不能深刻地掌握數(shù)值仿真技術(shù)；學生弄不懂數(shù)值仿真的原理，不考慮自己的隧道特點，而是胡亂套用數(shù)值仿真軟件中的例題，敷衍了事。這些問題如果不及時解決，就會導(dǎo)致本科畢業(yè)設(shè)計中數(shù)值仿真模塊的完成質(zhì)量不高甚至低劣，達不到培養(yǎng)人才的目的。因此，本文針對本科生的隧道工程畢業(yè)設(shè)計，正視數(shù)值仿真模塊完成質(zhì)量不高的問題，從教師怎樣培養(yǎng)學生的角度，研究得出了提升數(shù)值仿真質(zhì)量的若干策略，以下進行詳細闡述。

二、數(shù)值仿真模塊的質(zhì)量提升策略

（一）在先修的教學內(nèi)容中融入數(shù)值仿真技術(shù)的相關(guān)知識點

目前，有的學校在本科階段開設(shè)了類似于“土木工程數(shù)值仿真”的課程，但課時太少，一般不會超過24個學時，而且放在第7學期開課，此時很多學生忙著找工作或是復(fù)習考研究生，投入這門課的學習時間少；偏偏數(shù)值仿真技術(shù)作為一門技術(shù)課，與一般的理論課程不同，數(shù)值仿真技術(shù)與多門課程都密切相關(guān)，數(shù)值仿真技術(shù)的基礎(chǔ)知識不僅多，而且雜；如果本科生沒有良好的數(shù)值仿真基礎(chǔ)，單純依靠在這門課上學習數(shù)值仿真技術(shù)并不會取得好的效果，很有可能無法完成本科畢業(yè)設(shè)計中對應(yīng)的任務(wù)。因此，筆者建議學生適當提前開始學習數(shù)值仿真技術(shù)，可選擇在第4學期的期末開始學習，并采取“由表及里、緩慢上升”的方法學習數(shù)值仿真技術(shù)。相應(yīng)地，筆者也建議教師把數(shù)值仿真技術(shù)的一些知識點融入到先修的教學內(nèi)容中，并且講授給學生，為學生今后學習數(shù)值仿真專業(yè)課與完成畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)：1.學生在學習數(shù)值仿真這門課程之前，先要學習土力學、巖體力學、隧道工程等一些先修的理論課程。教師在講授這些先修的理論課程時，可以找出這些課程中與數(shù)值仿真密切相關(guān)的知識點，在課堂上講清楚這些知識點與數(shù)值仿真的關(guān)系，并且讓學生在書中做好標記，方便以后查閱。例如：對于第5學期開設(shè)的巖體力學課程中的如圖1所示的這一知識點[5]，筆者建議任課教師講清楚這個知識點與數(shù)值仿真的關(guān)系：對于深埋圓形隧道，彈性狀態(tài)下隧道開挖后圍巖中的應(yīng)力分布如圖1所示，當數(shù)值模型的四周邊界至洞室圓心的距離r達到洞室開挖半徑r0的5倍時，數(shù)值模型邊界上的圍巖應(yīng)力σr與σθ均趨于穩(wěn)定，洞室開挖對此邊界之外圍巖應(yīng)力的影響可以忽略不計，這正是確定數(shù)值模型最小尺寸的理論依據(jù)。2.建議教師在先修的實踐教學內(nèi)容中，有意地摻入數(shù)值仿真的相關(guān)知識點，鼓勵學生提前學習數(shù)值仿真技術(shù)。例如：教師在給學生聯(lián)系認識實習與頂崗實習的單位時，優(yōu)先聯(lián)系大型施工企業(yè)，因為目前很多大型隧道施工工地有宣傳展廳，里面會把隧道的施工過程采用“數(shù)值仿真技術(shù)+BIM技術(shù)”的方式展示給學生，這樣學生在實習時就可以深入理解數(shù)值仿真技術(shù)是如何應(yīng)用到實踐工程中的。再例如，教師在布置地下建筑結(jié)構(gòu)的課程設(shè)計任務(wù)時，把采用解析計算手段分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為必修任務(wù)，而把采用數(shù)值仿真手段分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為拓展的選修任務(wù)。盡管學生是否完成數(shù)值仿真的任務(wù)并不影響課程設(shè)計的成績，但這樣無形之中就可以引導(dǎo)學生去了解去熟悉數(shù)值仿真技術(shù)。另外，指導(dǎo)教師可利用學生們參加“大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”等相關(guān)競賽的機會，引導(dǎo)學生提前開始數(shù)值仿真的學習；一些數(shù)值仿真軟件公司，比如邁達斯軟件公司，在寒暑假都允許學生免費使用軟件學習數(shù)值仿真技術(shù)，教師可以把相關(guān)的網(wǎng)址發(fā)送給學生，提醒學生利用這些機會提前熟悉數(shù)值仿真軟件，從而為今后學習數(shù)值仿真專業(yè)課與完成畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

（二）提高學生深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性

盡管從第4學期的期末開始，教師就利用各種機會向?qū)W生介紹學習數(shù)值仿真技術(shù)的重要性，但因為不同學生的認識程度并不相同，還有不少同學并沒有深刻認識到學習數(shù)值仿真技術(shù)對自身發(fā)展的重要性，采取淺嘗輒止的態(tài)度敷衍了事，深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性不高。在第8學期，當學生開始隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計的數(shù)值仿真部分時(約在4月份或5月份)，大部分學生已經(jīng)找到工作了或已經(jīng)確定考上研究生了，這時候很多學生已經(jīng)明確了自己今后的人生發(fā)展方向。作為本科畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)教師，可以抓住這個時機，采取以下措施提高學生深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性：1.對于已經(jīng)找到工作的學生，指導(dǎo)教師首先問詢得知學生畢業(yè)后的工作單位名稱，然后請同一工作單位的工程師告訴學生，在工作中要用到數(shù)值仿真技術(shù)；或者指導(dǎo)教師在網(wǎng)上搜索這個工作單位使用數(shù)值仿真軟件的相關(guān)信息，把有關(guān)網(wǎng)頁發(fā)給學生并讓學生認真閱讀。這樣學生就會深刻地認識到：畢業(yè)之后去了工作單位會實打?qū)嵉赜玫綌?shù)值仿真技術(shù)，這事關(guān)自己的“飯碗”，認真完成畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真部分不僅可以順利拿到畢業(yè)證，還能學到將來工作中用到的數(shù)值仿真技術(shù)，一舉兩得。這樣自然會提高學生深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性。2.對于已經(jīng)考上研究生并且計劃從事隧道與地下工程研究方向的同學，指導(dǎo)教師可以找學生進行深入地談心談話，讓學生深刻地認識到以下注意事項并采取相應(yīng)措施，可以提高學生深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性：在研究生一年級會開設(shè)類似于“土木工程數(shù)值仿真”的一門必修課，如果學生利用本科畢業(yè)設(shè)計的機會就已經(jīng)學習了一些數(shù)值仿真技術(shù)，打下了一定的基礎(chǔ)，這非常有利于理解研究生這門課中那些抽象的概念，這門課就能取得個好成績；在很多情況下，研究生完成碩導(dǎo)安排的科研任務(wù)會用到數(shù)值仿真技術(shù)，而且碩士學位論文中的一章就是采用數(shù)值仿真技術(shù)進行計算分析，因此盡早學習數(shù)值仿真技術(shù)，非常有利于自己在今后順利拿到碩士學位。

（三）因人而異布置畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真任務(wù)

通過采取以上策略，在數(shù)值仿真技術(shù)的學習效果方面，學生相比自身有了提高，但不同學生之間的差距依然較大。當指導(dǎo)教師給學生布置隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)時，建議因人而異布置數(shù)值仿真的任務(wù)，基礎(chǔ)差的學生的數(shù)值仿真難度相對低，而基礎(chǔ)好的學生的數(shù)值仿真難度相對高。因為對于基礎(chǔ)差的學生，如果數(shù)值仿真的任務(wù)太難，反而會挫傷學生的學習積極性，學生可能認為反正也做不出來，不如抄一抄算了；而對于基礎(chǔ)好的學生，如果數(shù)值仿真的任務(wù)太簡單了，容易使學生產(chǎn)生“淺嘗輒止”的不良學習風氣，也不能督促學生深刻掌握數(shù)值仿真技術(shù)。例如，可參考表1，因人而異布置礦山法隧道畢業(yè)設(shè)計的數(shù)值仿真任務(wù)，從而使不同基礎(chǔ)的學生都達到適合自己的學習效果。

三、總結(jié)

本文針對本科生的隧道工程畢業(yè)設(shè)計，正視數(shù)值仿真模塊完成質(zhì)量不高的問題，建議教師可采取如下策略以提升學生數(shù)值仿真的質(zhì)量：在先修的教學內(nèi)容中融入數(shù)值仿真技術(shù)的相關(guān)知識點；對于已經(jīng)找到工作或已經(jīng)確定考上研究生的學生，采取不同的措施提高其深入學習數(shù)值仿真技術(shù)的積極性，因人而異布置畢業(yè)設(shè)計中的數(shù)值仿真任務(wù)。實踐證明：應(yīng)用這些策略可明顯提升學生的數(shù)值仿真完成質(zhì)量，這對于培養(yǎng)高素質(zhì)的隧道人才是非常重要的。

參考文獻

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[5]陽生權(quán),陽軍生.巖體力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

作者:岳健 朱鐵環(huán) 安永林 王志斌 單位:湖南科技大學土木工程學院