谈手工计算与计算机数值计算方法在土木工程毕业设计中的应用

刘浪 王旭

【摘要】毕业设计是土木工程专业人才培养的关键环节，针对现代土木工程行业对新型技术人才的要求，围绕毕业设计的改革问题，阐述了传统授课方式与现代科学技术手段的优缺点以及在毕业设计中的作用，提出了传统手工计算和计算机数值计算有效结合的方式，从而为提高本科毕业设计质量提供了可能。

【关键词】土木工程；毕业设计；教学改革

1、引言

土木工程是建造各类工程设施的相关科学技术统称。它是一门与人类生活息息相关的的应用型学科，经过上百年的发展历程而成熟起来。随着世界经济的快速发展和社会的不断进步，现代土木工程学科又进入了一个新的发展阶段，如工程结构越来越大型化、复杂化，超高层建筑、特大型桥梁、巨型大坝、复杂的地铁系统不断涌现，既需要满足人们的生活需求，同时也演变为社会实力的象征。这就为土木工程专业学科的人才培养带来了新的挑战。近年来，我国各大高校都在积极探索土木工程专业的教育教学改革之路，从专业培养目标、课程体系设置、师资队伍建设和人才实践等各个环节进行摸索，力图实现本专业与现实需求的有机结合。

2、传统教学方式与现代技术的特点分析

众所周知，力学分析与求解是土木工程专业的理论基础知识，在本科教学中一直占有十分重要的地位，其教学目标是让学生理解和掌握土木工程结构力学体系，利用基础理论知识分析结构的组成、受力及变形等，从而对复杂的实际结构问题展开力学特性分析。长期以来，这部分内容的传统教学方式主要為教师讲授、推导理论再辅以力学实验，学生则基于相关的课后习题进行手工计算予以解答。这样的传统教学方法优点在于能够讲解基本原理和计算方法，使得学生对各种土木工程结构的受力特点有清楚的认识，并进行力学分析、受力图绘制以及掌握结构工程分析的基本方法和步骤，但它的缺点在于学生难以灵活运用所学知识解决实际问题，尤其是针对较复杂的工程结构，依靠手工力学求解几乎不可能实现，造成理论与实践应用的脱节。随着社会信息化程度越来越高，计算机技术的应用突飞猛进，利用计算机数值模拟来解决复杂的工程问题显得越发重要且普遍。数值模拟技术能够节省手工计算时间，灵活度较高，总体上来说比手工计算更为简洁和精确，尤其对大型工程结构而言，优势更为突出。

3、毕业设计改革要点

综上可知，在土木工程本科生毕业设计中，传统手工力学分析和现代计算机数值计算手段应当有效结合、并重。通过科学合理的毕业设计选题，使得学生能够较好地实现理论与实际相结合，具备手工计算和数值计算软件应用的能力。

1）毕业设计选题原则

毕业设计是一个综合性较强的实践教学环节，它的选题工作就需要综合考虑多个方面的因素。宏观上，要考虑到大多数学生毕业后将从事生产一线工作，故应该尽量体现较强的实践性，最好能够结合实际工程来进行命题，这样既可以调动学生的积极性，主动思考主动创新，又可以理论联系实际，甚至让学生到工程现场进行参观学习，参考工程项目的实际功能需求来进行设计计算。微观上，为了能够在毕业设计中将手工计算与计算机数值计算有机结合起来，既要充分考虑手工计算的特点和可能性，选择合理的结构形式和布局，能够提取工程简化模型，采用结构力学手段进行手工分析，又要考虑计算机数值模拟的必要性，即不能选择过于简单的结构形式和单一的受力条件，无法代表或满足实际工程项目的功能要求及受力状态。一般地，结合当地施工单位或设计院所在建或已建实际工程项目进行选题，可以较好地保证结构形式的合理性，避免虚拟课题可能存在的过度复杂化和不切实际。

2）毕业设计与学科课程设置契合

如前所述，在土木工程专业本科教学中，学科课程的讲授方式仍然以教师讲授、推导理论，也即传统的板书讲解为主。这样的授课方式能够详细地讲解力学基本原理和计算方法，较好地帮助学生理解理论知识构架，逐步掌握结构分析的方法和步骤。但是传统方法不能结合计算机在现代土木工程设计中的应用，例如利用ANSYS、ADNIA、ABAQUS、FLAC以及SPA2000等常用数值模拟软件，对实际问题建立抽象化模型，结合数值分析方法获得结构的内力和变形，并通过图像来表达相应的计算结果。事实上，上述计算机仿真软件已经在土木工程的各个领域得到了广泛应用，用于建筑结构、桥梁结构、水利结构的设计等，可以说，掌握计算机设计、模拟技术是现代土木工程专业人员必须具备的基本技能之一，因此，在大学生本科教育中应当给予重视并进行相关训练。在本科教学过程中适时地引入计算机数值计算介绍和使用方法讲解，一方面丰富了教学手段与内容，提高教学效果，开拓学生的眼界和思维，另一方面可以调动学生积极性，为毕业设计乃至将来从事的实际工作奠定基础。为了避免在毕业设计环节学生对计算机仿真模拟技术知之甚少，感到陌生或无从着手，在本科生有关力学设计计算的课程安排中应当穿插计算机仿真技术的介绍和应用，在学生掌握力学基础知识、手工计算技能之后，结合简单结构或构件的设计问题，逐步掌握计算机数值方法，这样不但有利于加深对传统抽象力学知识的理解，还能够为解决后续毕业设计的复杂结构、多向受力分析等打下良好的基础。例如，教学中可以工程为实例，采用手工分析和仿真计算相融合的教学方式，由简至繁、由浅至深地讲授力学计算方法。首先提高学生对力学理论知识的理解和手工计算的熟悉程度，其次，应用计算机数值软件进行相关问题的求解。通过这样的综合教学模式，丰富了教学内容，实现了动态的授课方式，让学生对整个力学求解过程和应用均有了全面的认识，进而开发了学生科学的思维，使学生对课程和后续毕业设计具有整体的认识和理解，逐步培养起学生学以致用、解决实际问题的能力。

4、结论

本文阐述了新时代背景下土木工程行业对专业技术人员的新要求，以本科生培养计划中至关重要的毕业设计为改革对象，提出了通过传统授课与现代科学技术手段并重的方式，将两者有效结合起来，并贯穿于本科生教育教学过程中，从而激发学生兴趣、引导学生积极自我思考，让学生既能具备扎实的力学理论知识，又具备利用所学理论知识解决实际工程问题的能力。在毕业设计中，一方面通过传统手工计算方式保证牢固的基础，另一方面通过计算机数值计算的方式丰富教学手段和学习内容，既让学生开拓视野，勇于创新，又能适应新时代的发展需求，真正做到本科教育的"理论与实践"相结合，体现"素质教育、工程教育、创新教育"的教学理念。