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基于MidasCivil軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)實(shí)踐探索
——以《橋梁工程》課程為例

2020-11-27 05:05達(dá)娃扎西
文化創(chuàng)新比較研究 2020年29期
關(guān)鍵詞:橋梁工程荷載有限元

達(dá)娃扎西

(吉林建筑大學(xué),吉林長(zhǎng)春 130000)

在互聯(lián)網(wǎng)涌起的浪潮之下,混合教學(xué)的形式逐漸豐富,尤其是在疫情等特殊情況下,面對(duì)面教學(xué)模式失去了原有的優(yōu)勢(shì),而在各種優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)的支持和帶動(dòng)中,線上教學(xué)逐漸趨于普及。 軟件,網(wǎng)絡(luò),教學(xué),3 個(gè)看似無(wú)關(guān)的領(lǐng)域卻很好地結(jié)合起來(lái)了。

1 傳統(tǒng)教學(xué)與有限元軟件網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)

在土木工程傳統(tǒng)課堂教學(xué)中,雖然師生能夠面對(duì)面教學(xué),但在板書(shū)上常以正視圖、側(cè)視圖、俯視圖等二維視角來(lái)展現(xiàn)三維模型,存在著不夠直觀、形象、生動(dòng)的缺點(diǎn),減少學(xué)生們對(duì)模型的整體感和學(xué)習(xí)興趣,增加學(xué)習(xí)難度。工程類課程,內(nèi)容繁多課時(shí)較少。在實(shí)際授課中,側(cè)重概念理解而缺少實(shí)際操作,學(xué)生掌握程度差的現(xiàn)象普遍存在,理論與實(shí)際難以結(jié)合。

1.2 有限元軟件網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特點(diǎn)

有限元軟件模型能夠靈活展現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的特征。 在教學(xué)中添加有限元軟件模型使得在電腦中理解一些抽象的結(jié)構(gòu),明晰各類參數(shù)概念,所以能有直觀印象,增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,有效提升學(xué)習(xí)效果。 有限元軟件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)課程,既能提高時(shí)效性而且還能高效分類并整合信息資源。在工程領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)量大,關(guān)聯(lián)性強(qiáng),運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算,提高準(zhǔn)確度的同時(shí),節(jié)省人工手算的時(shí)間,精力并且能夠靈活控制,統(tǒng)一修改。例如,在進(jìn)行橋梁工程課程設(shè)計(jì)時(shí),利用有限元軟件技術(shù)建模之后,計(jì)算行車(chē)道板有效寬度,能快速得出答案,通過(guò)三維模型對(duì)工程的實(shí)際構(gòu)造有所了解,教師可以對(duì)教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行突出講解,讓學(xué)生對(duì)整個(gè)知識(shí)體系有更好的了解[1]。與傳統(tǒng)課堂不同,在線教學(xué)時(shí),學(xué)生們能對(duì)自己有所疑慮的問(wèn)題大膽反饋,與教師積極交流,避免了上課只有教師講,學(xué)生埋頭聽(tīng)的現(xiàn)象。 通過(guò)交流與探討,將各科的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái),構(gòu)成學(xué)生自己的知識(shí)庫(kù),增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合利用的能力。

1.3 MIDASCIVIL 簡(jiǎn)介

MIDASCIVIL 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結(jié)合,廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。 該軟件單元類型包括梁?jiǎn)卧?、桁架單元、只受壓或只受拉單元、索單元、平面?yīng)力單元、平面應(yīng)變單元、非線性連接單元等,幾乎涵蓋了結(jié)構(gòu)分析時(shí)所有的單元類型[2]。為了更好解決橋梁工程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)任務(wù)所出現(xiàn)的一些問(wèn)題,引入MIDAS 作為設(shè)計(jì)工具,結(jié)合電算和對(duì)承載能力手算復(fù)核,從而讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到實(shí)際工程的應(yīng)用和掌握解決問(wèn)題的方法,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新改進(jìn),與時(shí)俱進(jìn),理論結(jié)合實(shí)際,達(dá)到學(xué)有所用的目的。

2 基于MidasCivil 應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)探索

關(guān)于橋梁在有限元軟件中建模的設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 有限元軟件在橋梁建模中的流程

有限元基本思想:是將結(jié)構(gòu)離散化,用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象,單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。在設(shè)計(jì)時(shí),必須遵照適用、安全、美觀的基本原則[3]。利用Midas/Civil 創(chuàng)建信息模型。 首先要定義結(jié)構(gòu)剛度,邊界條件和施加荷載。模型建立出來(lái)之后即可進(jìn)行對(duì)變形,反力,內(nèi)力和應(yīng)力結(jié)果的分析。 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程在此過(guò)程中,優(yōu)勢(shì)在于各個(gè)階段的問(wèn)題在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中以不同的板塊陳列,及時(shí)給予學(xué)生參考和指導(dǎo),并且網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的內(nèi)容不受時(shí)間,空間限制,更加方便的滿足學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的需求。

定義材料時(shí),要選擇規(guī)范定義:混凝土,D3362-2018、JTG04 等。 鋼 材:D3362-18、JTG04、GB、JTGD64-2015 等。 組合材料:包括上述混凝土和鋼材;也可以直接選擇測(cè)量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶定義,包括彈性模量,泊松比,線膨脹系數(shù)和容重。在截面的定義有程序自帶截面:設(shè)計(jì)截面和數(shù)據(jù)庫(kù)/用戶截面與CAD 導(dǎo)入建立截面,包括了CAD 文件為“.dxf”格式,截面計(jì)算器導(dǎo)出“.sec”格式和設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)用數(shù)值截面。其中,變截面的設(shè)置是單一截面采用什么樣的截面形式,變截面就采用什么樣的截面形式?!?sec”文件可以直接導(dǎo)入軟件,因此在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中,可以將不同的文件進(jìn)行對(duì)比,將正確的示例分享給大家,解決學(xué)生的建立截面時(shí)的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)能夠共享有瑕疵的電子表格,對(duì)節(jié)點(diǎn)定義就是坐標(biāo)輸入,EXCLE 表格輸入,復(fù)制節(jié)點(diǎn)和CAD 導(dǎo)入的方式,在課程結(jié)束后讓學(xué)生算出正確的電子表格,以動(dòng)手修改的方式,增加學(xué)習(xí)興趣。其他的定義也是如此,例如,單元的定義:主菜單功能建立單元與CAD 導(dǎo)入的方式,其中前者還包括連接節(jié)點(diǎn)建立單元擴(kuò)展方式建立和復(fù)制方式建立;與此同時(shí)要建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組。邊界條件類型有支撐、連接、其他類型。在此之后,就得考慮到荷載作用,因?yàn)椤皹蛄汗こ獭弊鳛橐婚T(mén)專業(yè)課程,它與“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”和“基礎(chǔ)工程”等具有很大的連貫性,因此,在“橋梁工程”課程設(shè)計(jì)設(shè)置和選題時(shí)必須綜合考慮這些課程在整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中的作用[4]。定義荷載包括自重,梁?jiǎn)卧奢d,節(jié)點(diǎn)荷載和定義預(yù)應(yīng)力荷載,其中定義預(yù)應(yīng)力荷載包含設(shè)置鋼束特性值,設(shè)置鋼束形狀,設(shè)置鋼束預(yù)應(yīng)力。 溫度荷載的定義是:系統(tǒng)溫度和溫度梯度。 系統(tǒng)溫度:一年中最高最低有效溫度作用,溫度梯度:豎向日照溫度梯度,溫度梯度升溫和溫度梯度降溫,溫度梯度降溫是溫度梯度升溫的-0.5 倍,加載方式詳見(jiàn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)。 定義移動(dòng)荷載流程是選擇規(guī)范:國(guó)內(nèi)均是選擇中國(guó)規(guī)范。定義交通車(chē)道線或面:車(chē)道線對(duì)應(yīng)的是梁?jiǎn)卧?,?chē)道面對(duì)應(yīng)的是板單元。 定義車(chē)輛:根據(jù)計(jì)算要求,如整體計(jì)算則定義的是車(chē)道荷載; 車(chē)輛荷載適用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞等計(jì)算;定義移動(dòng)荷載工況:其目的是將車(chē)道和車(chē)輛組合,并且考慮車(chē)道折減系數(shù);設(shè)置移動(dòng)荷載分析數(shù)據(jù):主要是考慮沖擊系數(shù),可根據(jù)簡(jiǎn)支、連續(xù)、斜拉橋、懸索橋設(shè)置。 定義施工階段通過(guò)激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定義必要的施工階段,可以考慮各施工工序及時(shí)間依存特性(收縮徐變)等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

施工階段的定義是通過(guò)激活和鈍化結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組來(lái)實(shí)現(xiàn)。 每個(gè)施工階段設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組,組成幾何不變的臨時(shí)結(jié)構(gòu),其定義方式通過(guò) “荷載>施工階段>定義施工階段”來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜,理論內(nèi)容比較多,加上學(xué)生設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限,無(wú)法將理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容充分結(jié)合起來(lái),從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)枯燥的現(xiàn)象。 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中,可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容變換使用不同教學(xué)形式,從而可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如,在課堂上設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,引導(dǎo)師生之間以合作形式完成任務(wù),靈活使用教學(xué)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,使得學(xué)生可以積極主動(dòng)參與到教學(xué)中,靈活使用教學(xué)內(nèi)容,強(qiáng)化知識(shí)使用能力,從根本上提升利用Midas 進(jìn)行橋梁工程課程設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)效性[5]。

結(jié)果查看中的承載能力極限狀態(tài)概念是整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求,此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。 結(jié)果查看中正常使用極限狀態(tài)概念是對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算,即按照現(xiàn)行的規(guī)范,對(duì)各種荷載進(jìn)行組合并進(jìn)行分析,結(jié)果(后處理),即導(dǎo)出設(shè)計(jì)成果、出圖等操作。 在此過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更有利于促進(jìn)學(xué)生之間的檢驗(yàn)和互動(dòng),完善過(guò)程,完成最佳設(shè)計(jì)方案,其教學(xué)內(nèi)容是指MIDAS/Civil 在進(jìn)行配筋計(jì)算與驗(yàn)算后,可以得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、 位移圖形與表格并且根據(jù)各種驗(yàn)算結(jié)果判斷是否通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范[6],其教學(xué)目的是使學(xué)生的實(shí)踐能力由基本操作技能向?qū)嶋H應(yīng)用能力提高。

3 對(duì)Midas Civil 網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的進(jìn)一步思考

對(duì)教學(xué)方式而言,Midascivil 有限元軟件對(duì)橋梁工程中的一些構(gòu)件的分析運(yùn)算涉及了大量的知識(shí)面,如三大力學(xué)(理論力學(xué),材料力學(xué),結(jié)構(gòu)力學(xué))和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等課程,數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識(shí),并且將他們?nèi)诤线\(yùn)用于規(guī)范。因此,在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上,加以多媒體輔助的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式能夠最有效地發(fā)揮出對(duì)這種典型的多交叉學(xué)科課程的教學(xué)目的。原因在于此類課程和大多專業(yè)課程和通識(shí)課程一樣,有著在教學(xué)課時(shí)的限制,利用網(wǎng)絡(luò)課程方式,采用音頻、視頻、3D 動(dòng)畫(huà)進(jìn)行真實(shí)模擬有關(guān)的課程內(nèi)容,能夠在較短時(shí)間內(nèi)集中體現(xiàn)大量信息。而對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō),在提高學(xué)習(xí)的興趣的同時(shí)能夠?qū)菰锏墓酵茖?dǎo)及規(guī)范條文的理解有一個(gè)更為直觀,更為生動(dòng)認(rèn)識(shí),不僅知其然而且能夠知其所以然,實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的各個(gè)突破,達(dá)到良好的教學(xué)效果。

對(duì)教學(xué)內(nèi)容而言,有關(guān)Midascivil 有限元軟件的課本多種多樣,但課程內(nèi)容,原理大同小異,所以可以給予學(xué)生根據(jù)自身情況相適應(yīng)的選擇方案,靈活選擇教材。與開(kāi)放式和互動(dòng)式的教學(xué)方式相結(jié)合,教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生為中心而展開(kāi),教師統(tǒng)一集體上課,但課下開(kāi)設(shè)網(wǎng)絡(luò)上的不同內(nèi)容相適應(yīng)的不同教學(xué)專區(qū)和答疑專區(qū),加之學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容和問(wèn)題難度評(píng)級(jí)制度。教師在留言反映和投票反映較為典型,難以理解的知識(shí)區(qū)域進(jìn)行集中答疑和講解,眾所周知,提出一個(gè)好問(wèn)題比解答一個(gè)問(wèn)題更有價(jià)值,在有學(xué)生提出了相關(guān)的專業(yè)問(wèn)題經(jīng)過(guò)審核后施行學(xué)習(xí)獎(jiǎng)勵(lì)制度,進(jìn)行發(fā)放電子版獎(jiǎng)狀和學(xué)習(xí)積分,設(shè)置提問(wèn)達(dá)人專區(qū),放置提問(wèn)學(xué)生照片和獎(jiǎng)勵(lì)內(nèi)容,公開(kāi)表?yè)P(yáng),積分達(dá)到一定程度可以贏得專業(yè)書(shū)本獎(jiǎng)勵(lì)或者其他獎(jiǎng)勵(lì)等。 在有學(xué)生經(jīng)過(guò)搜集資料和學(xué)習(xí)后解答了提問(wèn)達(dá)人稱號(hào)的學(xué)生的問(wèn)題后,也應(yīng)該設(shè)置回答達(dá)人專區(qū),進(jìn)行公開(kāi)表?yè)P(yáng)和類似的獎(jiǎng)勵(lì),實(shí)行分塊交流但能夠統(tǒng)一管理。這樣一來(lái),既能使得教師工作在沒(méi)有更加繁雜的情況下,兼顧每一位學(xué)生學(xué)習(xí)情況,一些問(wèn)題可以在學(xué)生內(nèi)部得到解決從而減輕教師工作量。這樣的過(guò)程非常有利于提高學(xué)生的參與度和組織感,增強(qiáng)綜合能力,學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。

理論聯(lián)系實(shí)際,強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用“有限元分析”課程是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)與工程實(shí)踐問(wèn)題結(jié)合起來(lái)。 針對(duì)有限元算法求解的復(fù)雜性,教學(xué)過(guò)程結(jié)合大量的設(shè)計(jì)案例來(lái)進(jìn)行。 比如,超靜定桁架結(jié)構(gòu)的有限元求解、軸承座應(yīng)力分析、盤(pán)式制動(dòng)器溫度場(chǎng)分析、 工程車(chē)受載荷應(yīng)力分析等。 理論聯(lián)系實(shí)際,使學(xué)生加強(qiáng)感 性認(rèn)識(shí),掌握有限元分析的理論和基本方法。利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)相關(guān)的有限元程序,并與傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn) 行比較,檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。 鼓勵(lì)學(xué)生參加“有限元分析” 相關(guān)的設(shè)計(jì)大賽,并應(yīng)用于工程實(shí)踐中,比如運(yùn)用有限元方法 對(duì)“大學(xué)生方程式賽車(chē)”的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析,提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)[7]。 課程設(shè)計(jì)及作業(yè)可以分為課本習(xí)題作業(yè)和實(shí)際建模作業(yè),考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和吸收方面雙管齊下。 紙質(zhì)版的作業(yè)由教師統(tǒng)一布置,根據(jù)細(xì)則給予學(xué)生評(píng)分。有關(guān)模型建立方面學(xué)生可以上傳模型至交流區(qū)進(jìn)行相互比較,相互批改,取長(zhǎng)補(bǔ)短,最后由教師提出建議,指導(dǎo)和要求。

學(xué)??梢园l(fā)揮校園網(wǎng)優(yōu)勢(shì)構(gòu)建教學(xué)平臺(tái),充實(shí)并且共享教學(xué)資源。 網(wǎng)絡(luò)課程可以將教師們的想法和課件上傳到學(xué)校的資料庫(kù)中,實(shí)行取長(zhǎng)補(bǔ)短,對(duì)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的累積有很大作用。例如,在Midas 軟件中的鋼束布置設(shè)計(jì)中,如何理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn),得出既安全又經(jīng)濟(jì)的方案。學(xué)校也可以通過(guò)校企合作的方式,在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組件試題庫(kù),針對(duì)不學(xué)生生的不同疑惑,進(jìn)行相對(duì)專業(yè)的,給學(xué)生提供在線答題和測(cè)試機(jī)會(huì),使得學(xué)生可以更牢固地掌握專業(yè)知識(shí),設(shè)計(jì)出更好的作品并給企業(yè)提出軟件使用方面的反饋和建議。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,MIDAS 軟件在橋梁工程課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用,將有限元軟件與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用到建模計(jì)算中去,與傳統(tǒng)的手算方式相結(jié)合提高授課過(guò)程中學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收程度。 能夠?qū)蛄汗こ痰慕Y(jié)構(gòu)的力學(xué)行為機(jī)理直觀地描述出來(lái)、 幫助學(xué)生更好的理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)荷載作用,并能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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