郭浩森 朱金養(yǎng)

摘要 工程地質(zhì)課程是土木工程專業(yè)的一門基礎理論課。由于工程地質(zhì)課程中包括大量抽象概念、涉及較多力學知識點，學習難度較大，導致學生學習興趣缺乏。文章基于FLAC3D有限元計算軟件，提出了基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學方法，并基于教學案例展示，介紹了工程地質(zhì)課程計算可視化教學的核心思想和實現(xiàn)流程。通過將數(shù)值仿真計算與傳統(tǒng)工程地質(zhì)課程教學相融合，使得各類概念理論不再抽象，提高學生的學習興趣。課程反饋表明，基于計算可視化的教學方法是提高工程地質(zhì)課程教學效果的有效手段。

關鍵詞 工程地質(zhì)；教學改革；計算可視化

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.031

工程地質(zhì)學是近代發(fā)展起來的一門學科，是地質(zhì)學的分支學科。在高等院校土木、采礦、鐵道等專業(yè)，常開設工程地質(zhì)課程教授學生工程地質(zhì)學的基本知識和理論。在工程實踐中，設計師和建造師需要勘察工程地質(zhì)條件，發(fā)現(xiàn)對工程不利的不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而為工程建設活動安全經(jīng)濟地開展提供地質(zhì)依據(jù)，這些目標的實現(xiàn)都依賴于設計師和建造師熟練掌握工程地質(zhì)學的基本知識理論。工程地質(zhì)課程教學內(nèi)容范圍廣，包括巖土的工程性質(zhì)、地質(zhì)構造、地質(zhì)作用等知識點。就筆者所教授的土木工程專業(yè)而言，崩塌、滑坡、泥石流和巖溶等地質(zhì)災害防治是工程安全保障工作的重點工作，而掌握各類地質(zhì)作用的成因、影響因素是提出合理防治措施的基礎。由此可見，理解與掌握工程地質(zhì)知識關系到參加工作后能否勝任設計、管理、施工等一系列工作，工程地質(zhì)課程學習的重要性不言而喻。

工程地質(zhì)課程教學內(nèi)容多且復雜，課程內(nèi)容相對抽象，采用更好的教學方法提升教學效果一直是工程地質(zhì)課程教學改革研究的熱點問題。近年來，國內(nèi)眾多學者開展了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果，如將翻轉課堂應用于工程地質(zhì)課程中，開展教學設計，構建考核與評價體系[1]；將微課、對分課堂引入工程地質(zhì)課程中，使得枯燥的教學內(nèi)容更加形象直觀，促進互動，鍛煉學生學習能力[2]；基于地域特色設置不同的培養(yǎng)體系，構建復合型人才培養(yǎng)體系[3]；結合教學改革實踐，提出創(chuàng)新教學模式，利用信息化平臺，創(chuàng)新教學手段[4]；將PBL教學模式引入工程地質(zhì)課程，激發(fā)學生自主學習興趣，提升教學質(zhì)量[5]。目前開展的工程地質(zhì)課程教學改革研究為提升教學質(zhì)量提供了極大的助推力，為解決工程地質(zhì)課程的一些教學難點提供了思路。然而，隨著學科的發(fā)展以及教學環(huán)境的改變，工程地質(zhì)課程教學面臨許多新的挑戰(zhàn)，尚存在許多問題亟待解決。

數(shù)值仿真分析是一種虛擬研究技術，通過數(shù)值計算再現(xiàn)已知現(xiàn)象，借助數(shù)值仿真分析能夠加深學生對相關試驗的理解[6]。近年來，隨著科學技術發(fā)展，數(shù)值仿真分析相關技術越發(fā)成熟，涌現(xiàn)了許多入手門檻低、操作人性化、功能強大的分析軟件。已有許多教改科研人員將數(shù)值仿真分析引入材料力學、結構力學等課程[7-8]，但將數(shù)值仿真分析融入工程地質(zhì)課程的研究有待開展。為此，筆者將數(shù)值仿真分析引入工程地質(zhì)課程的教學中，通過數(shù)值計算再現(xiàn)工程地質(zhì)課程中的各類力學實驗，將抽象概念、理論可視化。

1工程地質(zhì)課程教學中存在的主要問題

1.1傳統(tǒng)教學模式教學內(nèi)容抽象化

工程地質(zhì)課程涉及土的工程性質(zhì)、巖石的工程性質(zhì)等教學內(nèi)容，還包括崩塌、滑坡、泥石流、巖溶、地震等地質(zhì)作用的成因、發(fā)生條件及防治措施的教學。上述知識點涉及的力學知識較多，且難以開展實體展示教學，教師在講授上述知識點時，往往只能采用傳統(tǒng)的講授式教學，由于教學內(nèi)容的抽象化，枯燥而又難以理解的名詞概念使得學生失去學習興趣，難以達到預期的教學目的。

1.2忽視學生動手能力和思維能力的培養(yǎng)

工程地質(zhì)課程設置有野外實習的教學環(huán)節(jié)，希望通過野外實習來加強學生對各類工程地質(zhì)現(xiàn)象的直觀感受，幫助學生理解抽象概念。但是，野外實習需要消耗較多的經(jīng)費，且實習時間十分有限，目前的工程地質(zhì)課程野外實習多表現(xiàn)為“教師前面跑，學生后面跟”“教師前面講，學生后面記”，整個過程中學生更像是一個旁觀者[9]，參與感不足，沒有機會與時間留給學生觀察與思考。這種走馬觀花式的野外實習，學生很難有真正的收獲，學生易對工程地質(zhì)課程產(chǎn)生排斥心理。

2基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學方法的核心思想

基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學方法就是將數(shù)值仿真融合到傳統(tǒng)的工程地質(zhì)課程教學環(huán)節(jié)中，利用數(shù)值計算得到的可視化計算結果幫助學生更好地理解工程地質(zhì)名詞概念及理論。傳統(tǒng)的工程地質(zhì)課程教學可以概括為三個步驟：①講授式教學，學習工程地質(zhì)的各類名詞概念；②開展現(xiàn)場實驗教學與野外實習幫助學生理解抽象概念；③工程地質(zhì)勘察案例講解與分析。從上述分析中可見，目前工程地質(zhì)課程教學環(huán)節(jié)中的實驗現(xiàn)場教學、野外實習等演示性教學方法并不能很好地幫助學生理解抽象概念，且試驗的開展、野外實習的進行耗費大量經(jīng)費與時間，投入與回報并不成正比。將數(shù)值仿真分析引入工程地質(zhì)課程教學中或能解決上述難題。數(shù)值仿真分析可以通過數(shù)值計算再現(xiàn)已知現(xiàn)象，將部分實驗教學與野外實習的教學課時用于基礎理論數(shù)值仿真實驗教學，將抽象的力學現(xiàn)象較直觀地展示出來，實現(xiàn)可視化，以加深學生對相關實驗的理解。且開展數(shù)值仿真實驗教學的成本較低，僅需要性能一般的計算機即可，在有效利用課時的同時也能夠節(jié)約部分教學經(jīng)費。

FLAC3D軟件是巖土領域常用的有限元計算軟件，筆者借助FLAC3D有限元計算軟件，將各類工程地質(zhì)課程需開展的實驗、案例分析在FLAC3D中實現(xiàn)。將數(shù)值仿真引入后，概括為以下四個步驟：①工程地質(zhì)學基礎概念理論的學習；②基礎理論實驗教學與基礎理論數(shù)值仿真實驗教學；③工程地質(zhì)野外實習與工程地質(zhì)作用案例數(shù)值仿真教學；④工程地質(zhì)勘察案例講解與分析。FLAC3D有限元計算軟件采用命令流的交互方式，這種基于命令流的交互方式，使得教師可以將數(shù)值仿真實驗完整的操作命令編寫在TXT文件中，學生只需在安裝有FLAC3D軟件的計算機中一鍵運用TXT文件，即可還原整個數(shù)值仿真實驗過程，且可以多次反復展示，這使得每一位學生都可以利用這一平臺幫助學習工程地質(zhì)課程。不同于物理實驗，在FLAC3D軟件操作命令流中更改材料屬性參數(shù)，即可做到不同材料條件下的同一實驗模擬分析，具有較好的可拓展性。在FLAC3D操作命令流中做好注釋工作，并講授部分FLAC3D軟件的基本操作知識，學生可以自行改寫操作命令流，實現(xiàn)不同材料的實驗模擬分析，自主學習。

3計算可視化教學方法的典型案例

在工程地質(zhì)課程中，巖石的主要力學性質(zhì)（如巖石的變形、巖石的強度、巖石的破壞機理等）與地質(zhì)作用中的滑坡現(xiàn)象是課程的重要知識點。在以往的教學中，巖石單軸壓縮實驗屈服區(qū)、滑坡現(xiàn)象中邊坡滑動面是教學難點，本文將這兩個知識點為例，展示工程地質(zhì)課程計算可視化教學的實現(xiàn)過程。

3.1單軸壓縮實驗巖石屈服的計算可視化教學實現(xiàn)方法

巖石試件在單軸壓縮荷載作用下產(chǎn)生變形的全過程可分為四個階段，分別為孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段和破裂后階段。在非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，巖石開始從彈性變形進入塑形變形，部分巖石表現(xiàn)為塑形屈服，微裂隙的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至試件完全破壞。巖石屈服破壞是圍巖失穩(wěn)破壞的重要因素，在工程地質(zhì)課程中通常需要學生對于巖石破裂發(fā)展及巖石屈服區(qū)有深刻的認識。

巖石的屈服破壞發(fā)生在巖體內(nèi)部，概念較為抽象。在傳統(tǒng)教學中，通常是開展巖石單軸壓縮實驗來幫助學生理解巖石變形破壞的四階段及巖石屈服。這一方法直觀、表現(xiàn)力好，能夠輔助學生鞏固相關知識點。但是，演示性實驗耗時、耗費實驗材料，針對不同教學班級的學生，需要分組多次、重復開展實驗，受場地和實驗條件等因素的制約，部分學生無法充分地觀察、分析整個實驗流程，影響了教學效果。

針對這一問題，教師可引入FLAC3D數(shù)值模擬平臺，利用數(shù)值模擬實現(xiàn)單軸壓縮實驗，在FLAC3D操作命令流中，將建模計算的各步驟整齊編寫并做好注釋，將模型材料參數(shù)設置編寫為FISH函數(shù)，使得改寫命令流更改材料參數(shù)時，只需對函數(shù)內(nèi)的各個變量進行更改即可，如操作命令偽代碼所示。運行操作命令流可將實驗過程在計算機可視化平臺上多次、反復展示。數(shù)值模擬平臺開展仿真模擬研究可以快速分析不同的材料條件，可拓展性更強。且數(shù)值模擬平臺受室內(nèi)物理實驗場地、耗材、高溫高壓設備安全規(guī)范的影響較小，比較適用于開展可視化、互動性強的教學工作。

等待模型計算完畢，可以繪制變形、應力等結果的云圖，結合教師的講解，學生能夠對單軸壓縮實驗有更加深入的認識與理解，數(shù)值模擬計算結果與實驗結果相吻合，兩者的對比能夠激起學生的學習興趣，加深對相關概念的理解，最終達到提高教學質(zhì)量的目的。

3.2邊坡滑動面的計算可視化教學實現(xiàn)方法

滑坡災害孕育成因本質(zhì)上是一個力學問題，實際工程中常用基于強度折減法的數(shù)值計算分析邊坡穩(wěn)定性。為了讓學生更好地理解如何利用強度折減法判斷滑坡體的穩(wěn)定性，引入FLAC3D數(shù)值模擬平臺，利用數(shù)值模擬實現(xiàn)基于強度折減法計算分析邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)剪切應變率計算云圖可以判斷邊坡可能的滑坡面。在相關知識點的講授過程中，對強度折減法的FLAC3D軟件實現(xiàn)操作代碼進行講解后，學生可以在較短時間內(nèi)通過FLAC3D軟件重現(xiàn)仿真計算，在課后，學生可以進行簡單的改寫，將強度折減法拓展到其他類型的邊坡中，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析。學生通過自己的操作研究了相關問題后，能夠更深刻地體會到強度折減理論解決問題的能力，可以增強學生的興趣和信心。

通過上述兩個工程地質(zhì)課程知識點的計算可視化教學案例可知，基于有限元分析軟件FLAC3D實現(xiàn)工程地質(zhì)課程計算可視化教學的關鍵在于教師借助FLAC3D軟件，將各類工程地質(zhì)實驗及案例分析通過軟件實現(xiàn)數(shù)值模擬，將操作命令編寫成可讀性較好的命令流，降低數(shù)值模擬的操作門檻，使學生都能夠進行數(shù)值模擬計算，幫助學生理解概念理論。基于這一教學方法，將工程地質(zhì)課程知識點中的重點、難點都開發(fā)出相應的計算可視化教學方法，從而打造基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學體系。在工程地質(zhì)課程計算可視化教學實踐中，學生對于這一教學方法給予了一致好評，工程地質(zhì)課程的總體成績也有顯著提升，基于計算可視化的工程地質(zhì)教學取得較好的教學效果。

4小結

工程地質(zhì)課程中包括大量概念抽象、涉及力學知識較多的知識點，本文基于FLAC3D有限元計算軟件，提出了基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學方法，并基于教學案例展示，介紹了工程地質(zhì)課程計算可視化教學的核心思想和實現(xiàn)流程?；谟嬎憧梢暬墓こ痰刭|(zhì)課程教學方法，將數(shù)值仿真計算與傳統(tǒng)工程地質(zhì)課程教學相融合，將工程地質(zhì)實驗、地質(zhì)作用現(xiàn)象背后隱藏的力學原理直觀展示出來，使得各類概念理論不再抽象，降低工程地質(zhì)課程的學習難度，提高學生的學習興趣。課程反饋表明，基于計算可視化的工程地質(zhì)課程教學方法是提高工程地質(zhì)課程教學效果的有效手段。

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