隧道工程畢業設計中數值仿真模塊策略

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摘要：本文針對本科生隧道工程畢業設計中數值仿真模塊完成質量不高的問題，從教師怎樣培養學生的角度，研究得出了提升數值仿真質量的若干策略，并進行了詳細闡述。建議教師在先修的教學內容中融入數值仿真技術的相關知識點；對于已經找到工作或已經確定考上研究生的學生，采取不同的措施提高學生深入學習數值仿真技術的積極性；因人而異布置畢業設計中的數值仿真任務。實踐表明應用這些策略可明顯提升學生的數值仿真完成質量。

關鍵詞：隧道工程；畢業設計；數值仿真；質量提升策略

我國目前正在深入推進新型城鎮化建設，需要大量從事隧道建設的高素質人才，本科畢業設計在隧道工程人才培養中具有非常重要的作用。為了使本科生掌握先進的隧道修建技術，很多隧道工程畢業設計的內容不僅有傳統的解析計算模塊，還有數值仿真模塊。其中的數值仿真模塊對學生的要求：根據有限單元法、有限差分法等數值分析方法，利用數值仿真軟件，首先在計算機上建立反映實際工程情況的數值模型，然后計算出隧道的位移與內力等，最后分析數值仿真結果，從而為確定隧道的設計方案與施工措施提供重要的參考意見[1-4]。

一、數值仿真模塊存在的問題

筆者作為隧道工程本科畢業設計的指導教師，發現學生在完成數值仿真模塊的過程中，存在一些問題：學生前期的準備工作不足，導致看不懂畢業設計中的數值仿真任務，無法制定適合自己的工作步驟；學生對畢業設計中的數值仿真任務不感興趣，完成數值仿真任務的積極性不高，能拖就拖；學生對本科畢業設計中的數值仿真難度沒有正確的認識，要么認為數值仿真任務太難而喪失了自己完成的信心，轉而尋求抄襲過關；要么認為數值仿真任務太容易了，自高自大，淺嘗輒止，不能深刻地掌握數值仿真技術；學生弄不懂數值仿真的原理，不考慮自己的隧道特點，而是胡亂套用數值仿真軟件中的例題，敷衍了事。這些問題如果不及時解決，就會導致本科畢業設計中數值仿真模塊的完成質量不高甚至低劣，達不到培養人才的目的。因此，本文針對本科生的隧道工程畢業設計，正視數值仿真模塊完成質量不高的問題，從教師怎樣培養學生的角度，研究得出了提升數值仿真質量的若干策略，以下進行詳細闡述。

二、數值仿真模塊的質量提升策略

（一）在先修的教學內容中融入數值仿真技術的相關知識點

目前，有的學校在本科階段開設了類似于“土木工程數值仿真”的課程，但課時太少，一般不會超過24個學時，而且放在第7學期開課，此時很多學生忙著找工作或是復習考研究生，投入這門課的學習時間少；偏偏數值仿真技術作為一門技術課，與一般的理論課程不同，數值仿真技術與多門課程都密切相關，數值仿真技術的基礎知識不僅多，而且雜；如果本科生沒有良好的數值仿真基礎，單純依靠在這門課上學習數值仿真技術并不會取得好的效果，很有可能無法完成本科畢業設計中對應的任務。因此，筆者建議學生適當提前開始學習數值仿真技術，可選擇在第4學期的期末開始學習，并采取“由表及里、緩慢上升”的方法學習數值仿真技術。相應地，筆者也建議教師把數值仿真技術的一些知識點融入到先修的教學內容中，并且講授給學生，為學生今后學習數值仿真專業課與完成畢業設計打下良好的基礎：1.學生在學習數值仿真這門課程之前，先要學習土力學、巖體力學、隧道工程等一些先修的理論課程。教師在講授這些先修的理論課程時，可以找出這些課程中與數值仿真密切相關的知識點，在課堂上講清楚這些知識點與數值仿真的關系，并且讓學生在書中做好標記，方便以后查閱。例如：對于第5學期開設的巖體力學課程中的如圖1所示的這一知識點[5]，筆者建議任課教師講清楚這個知識點與數值仿真的關系：對于深埋圓形隧道，彈性狀態下隧道開挖后圍巖中的應力分布如圖1所示，當數值模型的四周邊界至洞室圓心的距離r達到洞室開挖半徑r0的5倍時，數值模型邊界上的圍巖應力σr與σθ均趨于穩定，洞室開挖對此邊界之外圍巖應力的影響可以忽略不計，這正是確定數值模型最小尺寸的理論依據。2.建議教師在先修的實踐教學內容中，有意地摻入數值仿真的相關知識點，鼓勵學生提前學習數值仿真技術。例如：教師在給學生聯系認識實習與頂崗實習的單位時，優先聯系大型施工企業，因為目前很多大型隧道施工工地有宣傳展廳，里面會把隧道的施工過程采用“數值仿真技術+BIM技術”的方式展示給學生，這樣學生在實習時就可以深入理解數值仿真技術是如何應用到實踐工程中的。再例如，教師在布置地下建筑結構的課程設計任務時，把采用解析計算手段分析結構內力作為必修任務，而把采用數值仿真手段分析結構內力作為拓展的選修任務。盡管學生是否完成數值仿真的任務并不影響課程設計的成績，但這樣無形之中就可以引導學生去了解去熟悉數值仿真技術。另外，指導教師可利用學生們參加“大學生結構設計競賽”等相關競賽的機會，引導學生提前開始數值仿真的學習；一些數值仿真軟件公司，比如邁達斯軟件公司，在寒暑假都允許學生免費使用軟件學習數值仿真技術，教師可以把相關的網址發送給學生，提醒學生利用這些機會提前熟悉數值仿真軟件，從而為今后學習數值仿真專業課與完成畢業設計打下良好的基礎。

（二）提高學生深入學習數值仿真技術的積極性

盡管從第4學期的期末開始，教師就利用各種機會向學生介紹學習數值仿真技術的重要性，但因為不同學生的認識程度并不相同，還有不少同學并沒有深刻認識到學習數值仿真技術對自身發展的重要性，采取淺嘗輒止的態度敷衍了事，深入學習數值仿真技術的積極性不高。在第8學期，當學生開始隧道工程本科畢業設計的數值仿真部分時(約在4月份或5月份)，大部分學生已經找到工作了或已經確定考上研究生了，這時候很多學生已經明確了自己今后的人生發展方向。作為本科畢業設計的指導教師，可以抓住這個時機，采取以下措施提高學生深入學習數值仿真技術的積極性：1.對于已經找到工作的學生，指導教師首先問詢得知學生畢業后的工作單位名稱，然后請同一工作單位的工程師告訴學生，在工作中要用到數值仿真技術；或者指導教師在網上搜索這個工作單位使用數值仿真軟件的相關信息，把有關網頁發給學生并讓學生認真閱讀。這樣學生就會深刻地認識到：畢業之后去了工作單位會實打實地用到數值仿真技術，這事關自己的“飯碗”，認真完成畢業設計中的數值仿真部分不僅可以順利拿到畢業證，還能學到將來工作中用到的數值仿真技術，一舉兩得。這樣自然會提高學生深入學習數值仿真技術的積極性。2.對于已經考上研究生并且計劃從事隧道與地下工程研究方向的同學，指導教師可以找學生進行深入地談心談話，讓學生深刻地認識到以下注意事項并采取相應措施，可以提高學生深入學習數值仿真技術的積極性：在研究生一年級會開設類似于“土木工程數值仿真”的一門必修課，如果學生利用本科畢業設計的機會就已經學習了一些數值仿真技術，打下了一定的基礎，這非常有利于理解研究生這門課中那些抽象的概念，這門課就能取得個好成績；在很多情況下，研究生完成碩導安排的科研任務會用到數值仿真技術，而且碩士學位論文中的一章就是采用數值仿真技術進行計算分析，因此盡早學習數值仿真技術，非常有利于自己在今后順利拿到碩士學位。

（三）因人而異布置畢業設計中的數值仿真任務

通過采取以上策略，在數值仿真技術的學習效果方面，學生相比自身有了提高，但不同學生之間的差距依然較大。當指導教師給學生布置隧道工程本科畢業設計的任務時，建議因人而異布置數值仿真的任務，基礎差的學生的數值仿真難度相對低，而基礎好的學生的數值仿真難度相對高。因為對于基礎差的學生，如果數值仿真的任務太難，反而會挫傷學生的學習積極性，學生可能認為反正也做不出來，不如抄一抄算了；而對于基礎好的學生，如果數值仿真的任務太簡單了，容易使學生產生“淺嘗輒止”的不良學習風氣，也不能督促學生深刻掌握數值仿真技術。例如，可參考表1，因人而異布置礦山法隧道畢業設計的數值仿真任務，從而使不同基礎的學生都達到適合自己的學習效果。

三、總結

本文針對本科生的隧道工程畢業設計，正視數值仿真模塊完成質量不高的問題，建議教師可采取如下策略以提升學生數值仿真的質量：在先修的教學內容中融入數值仿真技術的相關知識點；對于已經找到工作或已經確定考上研究生的學生，采取不同的措施提高其深入學習數值仿真技術的積極性，因人而異布置畢業設計中的數值仿真任務。實踐證明：應用這些策略可明顯提升學生的數值仿真完成質量，這對于培養高素質的隧道人才是非常重要的。

參考文獻

[1]趙暢.互聯網+背景下智慧課堂教學模式設計與應用[J].才智,2021(03):71-73.

[2]柳軍修,馬巍,肖博文.地下建筑結構數值教學平臺建設與研究[J].教育現代化,2020(44):7-9.

[3]陳成,芮瑞,王智德,等.巖土工程專業課程與數值模擬應用的融合創新及實踐[J].水利與建筑工程學報,2021,19(04):210-214.

[4]安永林,陳秋南,岳健,等.朝花夕拾,似曾相識—隧道工程教學融入相關課程知識提高學生素質[J].才智,2019(26):32-32.

[5]陽生權,陽軍生.巖體力學[M].北京:機械工業出版社,2014.

作者:岳健 朱鐵環 安永林 王志斌 單位:湖南科技大學土木工程學院