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新工科建设背景下计算机技术在岩土工程中应用

作者:

关键词:

摘要：

马海春(1983-)，男，安徽滁州人，博士，讲师；

崔可锐(1956-)，男，安徽芜湖人，博士，教授，硕士生导师。

2017年,教育部启动了“新工科”发展研究工作[1]，并于当年2月18日形成了“‘新工科’即新兴、新型、新生建设复旦共识”[2]，4月8日形成了“‘新工科’行动路线(天大行动)”[3]。新工科建设具有三方面的含义，即新兴、新型、新生。目前，全国有92%以上的高等学校设置了工科专业，但各学校之间存在着服务面向、办学定位、学校类型、办学层次等诸多方面的差异，每个高校都在探寻适合自己的新工科建设发展道路[4-7]。

计算机技术的快速发展推动着岩土工程领域的发展[8-11]，对岩土工程专业教育提出了新的要求。地质勘探方面的辅助设计软件、数据库系统、地理信息系统等软件和计算机系统提高了地质勘探的准确度和效率；各种力学分析软件、辅助设计软件大大提高了岩土工程设计的合理性和效率[12-13]。为了满足社会生产和科学研究的需求，很多院校和科研院所都安排了岩土工程领域的计算机技术学习课程。但是，在课程内容和教学方式设置上依然存在很多的差异和难处，给岩土工程中的计算机应用教学带来挑战和机遇，特别是大量计算软件的存在让许多学生莫衷一是，不知所措。

结合新工科建设背景，本文根据计算机技术在岩土工程中应用教学发展趋势的特点，对教学的前期课程、教学内容和时间、考核方式等问题进行分析，阐述该课程要面对和解决的问题，分析课程相关内容的特点，以探寻更好的新工科教学形式，打破理论和实际的间隔，让学生能够积极主动学习分析各种不同条件下的岩土问题。

一、计算机技术在岩土工程中应用教学发展趋势

计算机和计算技术的发展促进岩土工程进入一个重要阶段, 工程实践和理论研究得到了数值方法的有效检验和支撑。计算土力学已成为很多院校和研究所的重要科研和教学内容，从教育来看, 目前岩土工程的从业人员的素质与实际要求还有较大的差距,这是因为很多教学实际案例脱离了实际背景，没有从实际出发抽象成计算机语言的过程，但很多行业从事者和学生对计算机技术的需求程度却日益高涨。因此，开展计算机技术在岩土工程相关课程中的应用有着重要的现实意义。现阶段此教学活动存在以下发展趋势：

(1) 数值理论基础教学的提高随着很多理论的日益成熟，有限差分法和有限元等理论广泛地被应用到数值分析中，因此，在学习如何利用程序软件前讲授其对应的理论基础是有必要的。只会利用软件而不懂理论，对于软件的理解和应用也势必有所限制。

(2) 数值程序软件专业性的提高岩土工程问题设计的软件很多种，近些年来，教学过程中采用的软件专业性不断提高。FLAC3D、ANSYS等软件作为岩土工程应用领域的知名软件，其本构模型和结构单元等都广泛应用于专业问题中，并且得到了良好的分析结果。

(3) 教学与实际结合程度不断提高实际工程中的具体问题很多都可以进行数值分析模拟。因此，结合具体实例讲解既能给学生提供工程背景，提高其学习兴趣，又能为学生提供对数值分析结果进行检验的途径。

(4) 教学互动性的提高在教学过程中，因为很多时候学生对一些问题的迫切性不了解，所以经常提出疑问，若不能及时解答，往往会造成学生的挫败感，从而严重影响学习效果。这就要求在教学过程中加强学生和老师之间的互动，使学生在得到老师的及时点拔之后豁然开朗，提升他们的“成就感”，进而增加他们在学习成效上自豪感，进一步地会提高学习效果。

二、前期课程

对于该门课程来说，首先，学生要掌握好相关的专业知识，主要包括土力学、岩石力学与岩体工程、水文地质学、工程地质学、工程力学等学科。这些相关课程可以帮助学生认识岩土工程试验和工程实际问题。例如边坡分析问题的计算机分析离不开常用的边坡稳定性分析理论。任何一种物理理论都是需要物理背景或者工程实践的支撑才会有实际意义，因此在各种分析理论中涉及的岩土工程问题既是计算机仿真的出发点，也是其回归处，依据实际问题建立模型，更要比对分析试验结果和模拟结果。例如对于岩土工程的侧限压缩试验，学生要首先通过前期课程了解试验的装置、试验的原理、模型设备、步骤、和可能的结果，否则空谈数值模拟没有任何的物理意义和实际工程背景。专业知识的储备是从事计算机应用解决实际问题的灵魂，专业知识和物理背景相结合的计算机技术是该教学课程的出发点和落脚点。其次，计算机技术离不开计算机相关知识的储备。计算机基础知识主要包括操作系统的应用和相关计算机编程语言的掌握。通过计算机语言的学习可以帮助学生更好地使用或开发程序和软件的延伸性。例如利用frotran语言及相关专业知识，可以简单编写边坡稳定性分析瑞典条分法的计算程序，并结合软件开发平台建立一个简单的边坡稳定性分析应用软件。

文章来源：《岩土工程学报》网址: http://www.ytgcxb.cn/qikandaodu/2020/1225/456.html