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摘要：本文針對(duì)本科生隧道工程畢業(yè)設(shè)計(jì)中數(shù)值仿真模塊完成質(zhì)量不高的問(wèn)題，從教師怎樣培養(yǎng)學(xué)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(jìn)行了詳細(xì)闡述。建議教師在先修的教學(xué)內(nèi)容中融入數(shù)值仿真技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；對(duì)于已經(jīng)找到工作或已經(jīng)確定考上研究生的學(xué)生，采取不同的措施提高學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性；因人而異布置畢業(yè)設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真任務(wù)。實(shí)踐表明應(yīng)用這些策略可明顯提升學(xué)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(jì)；數(shù)值仿真；質(zhì)量提升策略

我國(guó)目前正在深入推進(jìn)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(jì)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(jìn)的隧道修建技術(shù)，很多隧道工程畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容不僅有傳統(tǒng)的解析計(jì)算模塊，還有數(shù)值仿真模塊。其中的數(shù)值仿真模塊對(duì)學(xué)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(jì)算機(jī)上建立反映實(shí)際工程情況的數(shù)值模型，然后計(jì)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(jì)方案與施工措施提供重要的參考意見(jiàn)[1-4]。

一、數(shù)值仿真模塊存在的問(wèn)題

筆者作為隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在完成數(shù)值仿真模塊的過(guò)程中，存在一些問(wèn)題：學(xué)生前期的準(zhǔn)備工作不足，導(dǎo)致看不懂畢業(yè)設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真任務(wù)，無(wú)法制定適合自己的工作步驟；學(xué)生對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)生對(duì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真難度沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，要么認(rèn)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(guò)關(guān)；要么認(rèn)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(xué)生弄不懂?dāng)?shù)值仿真的原理，不考慮自己的隧道特點(diǎn)，而是胡亂套用數(shù)值仿真軟件中的例題，敷衍了事。這些問(wèn)題如果不及時(shí)解決，就會(huì)導(dǎo)致本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中數(shù)值仿真模塊的完成質(zhì)量不高甚至低劣，達(dá)不到培養(yǎng)人才的目的。因此，本文針對(duì)本科生的隧道工程畢業(yè)設(shè)計(jì)，正視數(shù)值仿真模塊完成質(zhì)量不高的問(wèn)題，從教師怎樣培養(yǎng)學(xué)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(jìn)行詳細(xì)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(xué)內(nèi)容中融入數(shù)值仿真技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

目前，有的學(xué)校在本科階段開(kāi)設(shè)了類(lèi)似于“土木工程數(shù)值仿真”的課程，但課時(shí)太少，一般不會(huì)超過(guò)24個(gè)學(xué)時(shí)，而且放在第7學(xué)期開(kāi)課，此時(shí)很多學(xué)生忙著找工作或是復(fù)習(xí)考研究生，投入這門(mén)課的學(xué)習(xí)時(shí)間少；偏偏數(shù)值仿真技術(shù)作為一門(mén)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(mén)課程都密切相關(guān)，數(shù)值仿真技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)不僅多，而且雜；如果本科生沒(méi)有良好的數(shù)值仿真基礎(chǔ)，單純依靠在這門(mén)課上學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)并不會(huì)取得好的效果，很有可能無(wú)法完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)的任務(wù)。因此，筆者建議學(xué)生適當(dāng)提前開(kāi)始學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)，可選擇在第4學(xué)期的期末開(kāi)始學(xué)習(xí)，并采取“由表及里、緩慢上升”的方法學(xué)習(xí)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(shí)點(diǎn)融入到先修的教學(xué)內(nèi)容中，并且講授給學(xué)生，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)數(shù)值仿真專(zhuān)業(yè)課與完成畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)：1.學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)值仿真這門(mén)課程之前，先要學(xué)習(xí)土力學(xué)、巖體力學(xué)、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(shí)，可以找出這些課程中與數(shù)值仿真密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，在課堂上講清楚這些知識(shí)點(diǎn)與數(shù)值仿真的關(guān)系，并且讓學(xué)生在書(shū)中做好標(biāo)記，方便以后查閱。例如：對(duì)于第5學(xué)期開(kāi)設(shè)的巖體力學(xué)課程中的如圖1所示的這一知識(shí)點(diǎn)[5]，筆者建議任課教師講清楚這個(gè)知識(shí)點(diǎn)與數(shù)值仿真的關(guān)系：對(duì)于深埋圓形隧道，彈性狀態(tài)下隧道開(kāi)挖后圍巖中的應(yīng)力分布如圖1所示，當(dāng)數(shù)值模型的四周邊界至洞室圓心的距離r達(dá)到洞室開(kāi)挖半徑r0的5倍時(shí)，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(kāi)挖對(duì)此邊界之外圍巖應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)，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(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，有意地?fù)饺霐?shù)值仿真的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生提前學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)。例如：教師在給學(xué)生聯(lián)系認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)與頂崗實(shí)習(xí)的單位時(shí)，優(yōu)先聯(lián)系大型施工企業(yè)，因?yàn)槟壳昂芏啻笮退淼朗┕すさ赜行麄髡箯d，里面會(huì)把隧道的施工過(guò)程采用“數(shù)值仿真技術(shù)+BIM技術(shù)”的方式展示給學(xué)生，這樣學(xué)生在實(shí)習(xí)時(shí)就可以深入理解數(shù)值仿真技術(shù)是如何應(yīng)用到實(shí)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(jì)任務(wù)時(shí)，把采用解析計(jì)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(xué)生是否完成數(shù)值仿真的任務(wù)并不影響課程設(shè)計(jì)的成績(jī)，但這樣無(wú)形之中就可以引導(dǎo)學(xué)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(xué)生們參加“大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”等相關(guān)競(jìng)賽的機(jī)會(huì)，引導(dǎo)學(xué)生提前開(kāi)始數(shù)值仿真的學(xué)習(xí)；一些數(shù)值仿真軟件公司，比如邁達(dá)斯軟件公司，在寒暑假都允許學(xué)生免費(fèi)使用軟件學(xué)習(xí)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(xué)生，提醒學(xué)生利用這些機(jī)會(huì)提前熟悉數(shù)值仿真軟件，從而為今后學(xué)習(xí)數(shù)值仿真專(zhuān)業(yè)課與完成畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

（二）提高學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性

盡管從第4學(xué)期的期末開(kāi)始，教師就利用各種機(jī)會(huì)向?qū)W生介紹學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的重要性，但因?yàn)椴煌瑢W(xué)生的認(rèn)識(shí)程度并不相同，還有不少同學(xué)并沒(méi)有深刻認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)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(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性不高。在第8學(xué)期，當(dāng)學(xué)生開(kāi)始隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真部分時(shí)(約在4月份或5月份)，大部分學(xué)生已經(jīng)找到工作了或已經(jīng)確定考上研究生了，這時(shí)候很多學(xué)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(jì)的指導(dǎo)教師，可以抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，采取以下措施提高學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性：1.對(duì)于已經(jīng)找到工作的學(xué)生，指導(dǎo)教師首先問(wèn)詢(xún)得知學(xué)生畢業(yè)后的工作單位名稱(chēng)，然后請(qǐng)同一工作單位的工程師告訴學(xué)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(gè)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(yè)發(fā)給學(xué)生并讓學(xué)生認(rèn)真閱讀。這樣學(xué)生就會(huì)深刻地認(rèn)識(shí)到：畢業(yè)之后去了工作單位會(huì)實(shí)打?qū)嵉赜玫綌?shù)值仿真技術(shù)，這事關(guān)自己的“飯碗”，認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真部分不僅可以順利拿到畢業(yè)證，還能學(xué)到將來(lái)工作中用到的數(shù)值仿真技術(shù)，一舉兩得。這樣自然會(huì)提高學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性。2.對(duì)于已經(jīng)考上研究生并且計(jì)劃從事隧道與地下工程研究方向的同學(xué)，指導(dǎo)教師可以找學(xué)生進(jìn)行深入地談心談話，讓學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)到以下注意事項(xiàng)并采取相應(yīng)措施，可以提高學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)值仿真技術(shù)的積極性：在研究生一年級(jí)會(huì)開(kāi)設(shè)類(lèi)似于“土木工程數(shù)值仿真”的一門(mén)必修課，如果學(xué)生利用本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)就已經(jīng)學(xué)習(xí)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(mén)課中那些抽象的概念，這門(mén)課就能取得個(gè)好成績(jī)；在很多情況下，研究生完成碩導(dǎo)安排的科研任務(wù)會(huì)用到數(shù)值仿真技術(shù)，而且碩士學(xué)位論文中的一章就是采用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，因此盡早學(xué)習(xí)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(xué)位。

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

通過(guò)采取以上策略，在數(shù)值仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)效果方面，學(xué)生相比自身有了提高，但不同學(xué)生之間的差距依然較大。當(dāng)指導(dǎo)教師給學(xué)生布置隧道工程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)時(shí)，建議因人而異布置數(shù)值仿真的任務(wù)，基礎(chǔ)差的學(xué)生的數(shù)值仿真難度相對(duì)低，而基礎(chǔ)好的學(xué)生的數(shù)值仿真難度相對(duì)高。因?yàn)閷?duì)于基礎(chǔ)差的學(xué)生，如果數(shù)值仿真的任務(wù)太難，反而會(huì)挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生可能認(rèn)為反正也做不出來(lái)，不如抄一抄算了；而對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生，如果數(shù)值仿真的任務(wù)太簡(jiǎn)單了，容易使學(xué)生產(chǎn)生“淺嘗輒止”的不良學(xué)習(xí)風(fēng)氣，也不能督促學(xué)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(jì)的數(shù)值仿真任務(wù)，從而使不同基礎(chǔ)的學(xué)生都達(dá)到適合自己的學(xué)習(xí)效果。

三、總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)

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[5]陽(yáng)生權(quán),陽(yáng)軍生.巖體力學(xué)[M].北京:機(jī)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(xué)土木工程學(xué)院