庫(kù)構(gòu)建王鼎 徐珊 景遠(yuǎn)

[摘 要] 現(xiàn)代土木工程設(shè)計(jì)和建造日趨大型化、復(fù)雜化和綜合化，要求土木工程專(zhuān)業(yè)研究生具備使用數(shù)值方法解決復(fù)雜專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力。針對(duì)土木水利專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生的“土木工程中的數(shù)值方法”課程構(gòu)建案例庫(kù)，進(jìn)行課程案例教學(xué)探索。案例庫(kù)包括核心案例和擴(kuò)展案例，覆蓋課程重要知識(shí)點(diǎn)。核心案例服務(wù)于土木工程基本算法的課堂講授;拓展案例服務(wù)于學(xué)生不同研究課題的課下學(xué)習(xí)。教學(xué)實(shí)踐表明，此案例庫(kù)體系能有效支撐課程教學(xué)目標(biāo)，兼顧研究生共性基礎(chǔ)知識(shí)和個(gè)性研究技能的學(xué)習(xí)培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)的達(dá)成。

[關(guān)鍵詞] 案例教學(xué);案例庫(kù);專(zhuān)業(yè)學(xué)位;土木工程

[基金項(xiàng)目] 2020年度河北省級(jí)研究生示范課程立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目“基于非線性方法的土木工程數(shù)值模擬案例教學(xué)改革”（KCJSZ2020024）;2018—2019年河北省高等教育教學(xué)改革與實(shí)踐項(xiàng)目“融合multisim和PSPICE的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究”（2018GJJG431）

[作者簡(jiǎn)介] 王 鼎（1985—），男，河北唐山人，博士，燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）30-0033-04 ? [收稿日期] 2021-04-12

一、簡(jiǎn)介

土木工程具有建設(shè)周期長(zhǎng)、規(guī)模龐大、荷載復(fù)雜等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中需要解決抵抗地震等極端動(dòng)力作用、確保具有良好耐久性等一系列復(fù)雜問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升，數(shù)值方法成為土木工程領(lǐng)域分析、設(shè)計(jì)和建造的重要手段，是土木工程領(lǐng)域人才必須具備的關(guān)鍵能力。同時(shí)，案例庫(kù)建設(shè)豐富了專(zhuān)業(yè)教學(xué)手段，為提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力，達(dá)成線上線下教學(xué)資源共享、師生深度互動(dòng)提供途徑，成為土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的重要手段。以土木水利專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生“土木工程中的數(shù)值方法”課程為對(duì)象，構(gòu)建了核心-擴(kuò)展體系的課程案例庫(kù)，兼顧研究生必備知識(shí)學(xué)習(xí)和不同科研課題應(yīng)用的需求，通過(guò)案例增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為改變以往教師難教、學(xué)生難學(xué)的窘境提供新途徑。

二、案例庫(kù)建設(shè)必要性

正式的案例庫(kù)教學(xué)最早可追溯到1921年的哈佛商學(xué)院[1]。1999年，大連理工大學(xué)建立我國(guó)第一個(gè)經(jīng)管類(lèi)教學(xué)案例庫(kù)，案例教學(xué)方法開(kāi)始在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。案例教學(xué)將學(xué)生置于真實(shí)問(wèn)題環(huán)境中，促使學(xué)生利用課程理論知識(shí)處理復(fù)雜工程問(wèn)題，分析影響問(wèn)題的各個(gè)因素，尋求最優(yōu)解決方案，在土木工程專(zhuān)業(yè)本科和研究生教育中得到大力發(fā)展[2，3]。土木水利專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生需要具備解決復(fù)雜綜合土木工程實(shí)際問(wèn)題的能力，與案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)完全契合[4，5]?！巴聊竟こ讨械臄?shù)值方法”是土木水利專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生同時(shí)掌握算法的理論原理與應(yīng)用技巧。教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，本課程內(nèi)容多，難度大，對(duì)學(xué)生編程和軟件應(yīng)用能力要求高，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法無(wú)法兼顧學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，采用案例教學(xué)勢(shì)在必行。

1.案例庫(kù)有助于學(xué)生理解數(shù)值方法的理論基礎(chǔ)?！巴聊竟こ讨械臄?shù)值方法”需要學(xué)生掌握土木工程領(lǐng)域主要數(shù)值方法的理論基礎(chǔ)。由于方法理論偏重?cái)?shù)學(xué)和力學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生難以建立理論概念與工程對(duì)象間的聯(lián)系，造成理論推導(dǎo)與工程應(yīng)用相互割裂的情況。同時(shí)，常用數(shù)值方法的基本思想和構(gòu)建思路存在差異，在課時(shí)范圍內(nèi)學(xué)生難以完全掌握每一方法的推導(dǎo)細(xì)節(jié)和使用情景。借助案例庫(kù)可以將理論推導(dǎo)中的抽象概念形象化，培養(yǎng)學(xué)生利用實(shí)例理解抽象理論推導(dǎo)的能力，也能通過(guò)案例對(duì)比各數(shù)值方法的特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.案例庫(kù)有助于學(xué)生熟悉數(shù)值方法的適用范圍。土木工程中的各類(lèi)數(shù)值方法具有不同的適用范圍和工程對(duì)象，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體工程問(wèn)題選擇合適的數(shù)值方法一直是本課程教學(xué)的難點(diǎn)。通過(guò)傳統(tǒng)教學(xué)方法講解例題，難以準(zhǔn)確反映各方法的適用情況，無(wú)法展示各方法針對(duì)的工程問(wèn)題。利用案例庫(kù)，可以向?qū)W生展示不同工程背景下如何選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)值方法，詳細(xì)講解各種方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，幫助學(xué)生積累工程經(jīng)驗(yàn)，有助于學(xué)生選擇數(shù)值工具進(jìn)行課題研究。

3.案例庫(kù)有助于學(xué)生掌握數(shù)值方法的應(yīng)用技巧。本課程涉及的數(shù)值方法在使用時(shí)需要根據(jù)工程對(duì)象的特點(diǎn)調(diào)整參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分等細(xì)節(jié)。數(shù)值方法細(xì)節(jié)講授的是本課程授課的精髓，能夠幫助學(xué)生快速積累經(jīng)驗(yàn)，在課題研究中充分利用本課程的知識(shí)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)產(chǎn)出最大化。這些細(xì)節(jié)只有通過(guò)工程案例才能向?qū)W生進(jìn)行詳細(xì)講解。構(gòu)建類(lèi)型豐富的案例庫(kù)，結(jié)合案例講解方法使用技巧，可以幫助學(xué)生快速掌握土木工程數(shù)值方法的使用細(xì)節(jié)，幫助學(xué)生在后續(xù)課題研究中運(yùn)用使用數(shù)值方法解決問(wèn)題。

4.案例庫(kù)有助于學(xué)生了解數(shù)值方法發(fā)展動(dòng)態(tài)。土木工程數(shù)值方法的發(fā)展更新速度極快，掌握最新的方法能夠提升學(xué)生科研效率。近年來(lái)，利用數(shù)值方法求解土木工程非線性問(wèn)題迅速普及，成為行業(yè)發(fā)展和學(xué)生科研能力培養(yǎng)的雙重需要?；诖?，定期更新案例，增加最新非線性方法的工程案例，可以在廣度和深度上開(kāi)闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握最新的數(shù)值工具。

三、構(gòu)建思路

專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)角度，“土木工程中的數(shù)值方法”課程案例庫(kù)需要支撐土木水利專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成;課程教學(xué)角度，案例庫(kù)需要針對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置，完成課程既定教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，需要滿足研究生課題研究的多樣需求，為學(xué)生之后的科研活動(dòng)提供支持?；诖?，本課程采用核心-擴(kuò)展體系構(gòu)建案例庫(kù)，每一案例支撐特定的課程教學(xué)目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

1.明確課程教學(xué)目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圍繞課程教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建案例庫(kù)。本課程教學(xué)目標(biāo)包括兩個(gè)，第一，使學(xué)生了解土木工程中常用數(shù)值方法的類(lèi)型、思路和特點(diǎn)，并使學(xué)生掌握有限差分法、有限單元法等土木工程中常用數(shù)值方法的基本原理和實(shí)踐應(yīng)用，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià);第二，兩個(gè)教學(xué)目標(biāo)對(duì)應(yīng)支撐四個(gè)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的指標(biāo)點(diǎn)。本案例庫(kù)包括四個(gè)子案例庫(kù)，分別針對(duì)課程四個(gè)核心教學(xué)內(nèi)容，支撐課程教學(xué)目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)。子案例庫(kù)對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、課程教學(xué)目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)指標(biāo)點(diǎn)詳見(jiàn)表1。