基于计算可视化的工程地质课程教学方法

郭浩森 朱金养

摘要 工程地质课程是土木工程专业的一门基础理论课。由于工程地质课程中包括大量抽象概念、涉及较多力学知识点，学习难度较大，导致学生学习兴趣缺乏。文章基于FLAC3D有限元计算软件，提出了基于计算可视化的工程地质课程教学方法，并基于教学案例展示，介绍了工程地质课程计算可视化教学的核心思想和实现流程。通过将数值仿真计算与传统工程地质课程教学相融合，使得各类概念理论不再抽象，提高学生的学习兴趣。课程反馈表明，基于计算可视化的教学方法是提高工程地质课程教学效果的有效手段。

关键词 工程地质；教学改革；计算可视化

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.11.031

工程地质学是近代发展起来的一门学科，是地质学的分支学科。在高等院校土木、采矿、铁道等专业，常开设工程地质课程教授学生工程地质学的基本知识和理论。在工程实践中，设计师和建造师需要勘察工程地质条件，发现对工程不利的不良地质现象，从而为工程建设活动安全经济地开展提供地质依据，这些目标的实现都依赖于设计师和建造师熟练掌握工程地质学的基本知识理论。工程地质课程教学内容范围广，包括岩土的工程性质、地质构造、地质作用等知识点。就笔者所教授的土木工程专业而言，崩塌、滑坡、泥石流和岩溶等地质灾害防治是工程安全保障工作的重点工作，而掌握各类地质作用的成因、影响因素是提出合理防治措施的基础。由此可见，理解与掌握工程地质知识关系到参加工作后能否胜任设计、管理、施工等一系列工作，工程地质课程学习的重要性不言而喻。

工程地质课程教学内容多且复杂，课程内容相对抽象，采用更好的教学方法提升教学效果一直是工程地质课程教学改革研究的热点问题。近年来，国内众多学者开展了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果，如将翻转课堂应用于工程地质课程中，开展教学设计，构建考核与评价体系[1]；将微课、对分课堂引入工程地質课程中，使得枯燥的教学内容更加形象直观，促进互动，锻炼学生学习能力[2]；基于地域特色设置不同的培养体系，构建复合型人才培养体系[3]；结合教学改革实践，提出创新教学模式，利用信息化平台，创新教学手段[4]；将PBL教学模式引入工程地质课程，激发学生自主学习兴趣，提升教学质量[5]。目前开展的工程地质课程教学改革研究为提升教学质量提供了极大的助推力，为解决工程地质课程的一些教学难点提供了思路。然而，随着学科的发展以及教学环境的改变，工程地质课程教学面临许多新的挑战，尚存在许多问题亟待解决。

数值仿真分析是一种虚拟研究技术，通过数值计算再现已知现象，借助数值仿真分析能够加深学生对相关试验的理解[6]。近年来，随着科学技术发展，数值仿真分析相关技术越发成熟，涌现了许多入手门槛低、操作人性化、功能强大的分析软件。已有许多教改科研人员将数值仿真分析引入材料力学、结构力学等课程[7-8]，但将数值仿真分析融入工程地质课程的研究有待开展。为此，笔者将数值仿真分析引入工程地质课程的教学中，通过数值计算再现工程地质课程中的各类力学实验，将抽象概念、理论可视化。

1工程地质课程教学中存在的主要问题

1.1传统教学模式教学内容抽象化

工程地质课程涉及土的工程性质、岩石的工程性质等教学内容，还包括崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地震等地质作用的成因、发生条件及防治措施的教学。上述知识点涉及的力学知识较多，且难以开展实体展示教学，教师在讲授上述知识点时，往往只能采用传统的讲授式教学，由于教学内容的抽象化，枯燥而又难以理解的名词概念使得学生失去学习兴趣，难以达到预期的教学目的。

1.2忽视学生动手能力和思维能力的培养

工程地质课程设置有野外实习的教学环节，希望通过野外实习来加强学生对各类工程地质现象的直观感受，帮助学生理解抽象概念。但是，野外实习需要消耗较多的经费，且实习时间十分有限，目前的工程地质课程野外实习多表现为“教师前面跑，学生后面跟”“教师前面讲，学生后面记”，整个过程中学生更像是一个旁观者[9]，参与感不足，没有机会与时间留给学生观察与思考。这种走马观花式的野外实习，学生很难有真正的收获，学生易对工程地质课程产生排斥心理。

2基于计算可视化的工程地质课程教学方法的核心思想

基于计算可视化的工程地质课程教学方法就是将数值仿真融合到传统的工程地质课程教学环节中，利用数值计算得到的可视化计算结果帮助学生更好地理解工程地质名词概念及理论。传统的工程地质课程教学可以概括为三个步骤：①讲授式教学，学习工程地质的各类名词概念；②开展现场实验教学与野外实习帮助学生理解抽象概念；③工程地质勘察案例讲解与分析。从上述分析中可见，目前工程地质课程教学环节中的实验现场教学、野外实习等演示性教学方法并不能很好地帮助学生理解抽象概念，且试验的开展、野外实习的进行耗费大量经费与时间，投入与回报并不成正比。将数值仿真分析引入工程地质课程教学中或能解决上述难题。数值仿真分析可以通过数值计算再现已知现象，将部分实验教学与野外实习的教学课时用于基础理论数值仿真实验教学，将抽象的力学现象较直观地展示出来，实现可视化，以加深学生对相关实验的理解。且开展数值仿真实验教学的成本较低，仅需要性能一般的计算机即可，在有效利用课时的同时也能够节约部分教学经费。

FLAC3D软件是岩土领域常用的有限元计算软件，笔者借助FLAC3D有限元计算软件，将各类工程地质课程需开展的实验、案例分析在FLAC3D中实现。将数值仿真引入后，概括为以下四个步骤：①工程地质学基础概念理论的学习；②基础理论实验教学与基础理论数值仿真实验教学；③工程地质野外实习与工程地质作用案例数值仿真教学；④工程地质勘察案例讲解与分析。FLAC3D有限元计算软件采用命令流的交互方式，这种基于命令流的交互方式，使得教师可以将数值仿真实验完整的操作命令编写在TXT文件中，学生只需在安装有FLAC3D软件的计算机中一键运用TXT文件，即可还原整个数值仿真实验过程，且可以多次反复展示，这使得每一位学生都可以利用这一平台帮助学习工程地质课程。不同于物理实验，在FLAC3D软件操作命令流中更改材料属性参数，即可做到不同材料条件下的同一实验模拟分析，具有较好的可拓展性。在FLAC3D操作命令流中做好注释工作，并讲授部分FLAC3D软件的基本操作知识，学生可以自行改写操作命令流，实现不同材料的实验模拟分析，自主学习。

3计算可视化教学方法的典型案例

在工程地质课程中，岩石的主要力学性质（如岩石的变形、岩石的强度、岩石的破坏机理等）与地质作用中的滑坡现象是课程的重要知识点。在以往的教学中，岩石单轴压缩实验屈服区、滑坡现象中边坡滑动面是教学难点，本文将这两个知识点为例，展示工程地质课程计算可视化教学的实现过程。

3.1单轴压缩实验岩石屈服的计算可视化教学实现方法

岩石试件在单轴压缩荷载作用下产生变形的全过程可分为四个阶段，分别为孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段、非稳定破裂发展阶段和破裂后阶段。在非稳定破裂发展阶段，岩石开始从弹性变形进入塑形变形，部分岩石表现为塑形屈服，微裂隙的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。岩石屈服破坏是围岩失稳破坏的重要因素，在工程地质课程中通常需要学生对于岩石破裂发展及岩石屈服区有深刻的认识。

岩石的屈服破坏发生在岩体内部，概念较为抽象。在传统教学中，通常是开展岩石单轴压缩实验来帮助学生理解岩石变形破坏的四阶段及岩石屈服。这一方法直观、表现力好，能够辅助学生巩固相关知识点。但是，演示性实验耗时、耗费实验材料，针对不同教学班级的学生，需要分组多次、重复开展实验，受场地和实验条件等因素的制约，部分学生无法充分地观察、分析整个实验流程，影响了教学效果。

针对这一问题，教师可引入FLAC3D数值模拟平台，利用数值模拟实现单轴压缩实验，在FLAC3D操作命令流中，将建模计算的各步骤整齐编写并做好注释，将模型材料参数设置编写为FISH函数，使得改写命令流更改材料参数时，只需对函数内的各个变量进行更改即可，如操作命令伪代码所示。运行操作命令流可将实验过程在计算机可视化平台上多次、反复展示。数值模拟平台开展仿真模拟研究可以快速分析不同的材料条件，可拓展性更强。且数值模拟平台受室内物理实验场地、耗材、高温高压设备安全规范的影响较小，比较适用于开展可视化、互动性强的教学工作。

等待模型计算完毕，可以绘制变形、应力等结果的云图，结合教师的讲解，学生能够对单轴压缩实验有更加深入的认识与理解，数值模拟计算结果与实验结果相吻合，两者的对比能够激起学生的学习兴趣，加深对相关概念的理解，最终达到提高教学质量的目的。

3.2边坡滑动面的计算可视化教学实现方法

滑坡灾害孕育成因本质上是一个力学问题，实际工程中常用基于强度折减法的数值计算分析边坡稳定性。为了让学生更好地理解如何利用强度折减法判断滑坡体的稳定性，引入FLAC3D数值模拟平台，利用数值模拟实现基于强度折减法计算分析边坡稳定性。根据剪切应变率计算云图可以判断边坡可能的滑坡面。在相关知识点的讲授过程中，对强度折减法的FLAC3D软件实现操作代码进行讲解后，学生可以在较短时间内通过FLAC3D软件重现仿真计算，在课后，学生可以进行简单的改写，将强度折减法拓展到其他类型的边坡中，实现边坡稳定性分析。学生通过自己的操作研究了相关问题后，能够更深刻地体会到强度折减理论解决问题的能力，可以增强学生的兴趣和信心。

通过上述两个工程地质课程知识点的计算可视化教学案例可知，基于有限元分析软件FLAC3D实现工程地质课程计算可视化教学的关键在于教师借助FLAC3D软件，将各类工程地质实验及案例分析通过软件实现数值模拟，将操作命令编写成可读性较好的命令流，降低数值模拟的操作门槛，使学生都能够进行数值模拟计算，帮助学生理解概念理论。基于这一教学方法，将工程地质课程知识点中的重点、难点都开发出相应的计算可视化教学方法，从而打造基于计算可视化的工程地质课程教学体系。在工程地质课程计算可视化教学实践中，学生对于这一教学方法给予了一致好评，工程地质课程的总体成绩也有显著提升，基于计算可视化的工程地质教学取得较好的教学效果。

4小结

工程地质课程中包括大量概念抽象、涉及力学知识较多的知识点，本文基于FLAC3D有限元计算软件，提出了基于计算可视化的工程地质课程教学方法，并基于教学案例展示，介绍了工程地质课程计算可视化教学的核心思想和实现流程。基于计算可视化的工程地质课程教学方法，将数值仿真计算与传统工程地质课程教学相融合，将工程地质实验、地质作用现象背后隐藏的力學原理直观展示出来，使得各类概念理论不再抽象，降低工程地质课程的学习难度，提高学生的学习兴趣。课程反馈表明，基于计算可视化的工程地质课程教学方法是提高工程地质课程教学效果的有效手段。

参考文献

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