简析教学改革工程数值法教学革新研究

摘要：
以“地质工程数值法”教学为例，针对工程数值方法的课程特点和目前教学中存在的典型问题，分析了教学改革的必要性，提出了教学改革的教学思想与教学理念，探讨了教学改革的实施方案，包括教学内容改革、学生能力培养和具体教学方法设计。最后分析了教学改革的成果，指出了其优点和注意事项。
关键词：工程地质；数值方法；教学改革；课程建设
10052909（2013）04008104
随着人类社会的进步和科学技术水平的提高，经济活动的规模也在扩大，工程建设逐渐向“高、深、大、难”发展，从而使工程地质学所面临的问题更加复杂和困难，这就迫切要求把计算机科学更广泛地引入到工程地质学领域。工程地质数值法以工程地质分析为主导，以数学、力学理论为基础，以计算机技术为手段，增强了人们解决工程地质问题的能力。但其传统的教学模式及授课内容已面临社会发展的严峻挑战，笔者结合近年来实际工程中与工程地质学有关的问题及多年在地质工程数值法中的教学经验， 以“地质工程数值法”的教学改革为例，分析目前高校工程数值法教学中存在的问题并提出改革方案与思路。

一、工程数值法教学中存在的问题及改革的重要性

(一)课程的学科特点

1. 与多学科相互交叉，综合性强，但教学时数相对较少

与工程数值法交叉的学科相当广泛，如地质工程数值法与地质学、数学、力学、物理、计算机科学等多门学科相关。学生在学习课程之前必须掌握微积分、常微分方程、弹性力学等基础课程，工程地质数值法还与工程地质密切相关，所以学生还需要掌握构造地质、土力学、岩体力学、地下水动力学、材料源于：毕业设计论文www.618jyw.com
力学、结构力学等专业基础课程，否则学生将很难深刻理解课程的教学内容。此外，该课程包含多种数值模拟方法，且有较多抽象的数学概念与力学理论，但教学课时却不多，有些算法和概念不可能细致地讲解，学生相应基础知识如果不扎实，听课效果就会较差。

2. 数值模拟方法多，相应数值模拟软件多

数值计算方法加强并拓宽了解决工程问题的能力，在对不同问题的解决分
析中
，产生了多种数值分析方法，目前常用的数值分析方法主要为有限元法、有限差分法、离散元法、数值流形方法和反分析法。此外，各数值分析方法相应的数值模拟软件较多，如有限元法软件有ANSYS，RFPA，ABAQUS，3D-σ 等。而目前主要的工程地质数值分析软件有ANSYS，ABAQUS，3D-σ，FLAC，UDEC，DDA，3DEC，PFC等。在实际工程实践中，如何根据不同工程问题选取不同的数值分析软件也是从业人员必须掌握的知识。

3. 实践性要求高，与实际工程联系紧密

地质工程数值法紧密结合工程实践中的工程地质问题，具有很强的实践性。工程地质数值计算需要对工程中可能存在和发生的地质问题进行模拟，提出不良地质现象的防治方案，保证工程建设顺利进行和人民生命财产安全。因此，在教学培养中，不仅要讲授基本的数值方法和原理，更重要的是要让学生利用这些方法和原理解决实际中的各种工程地质问题。

(二)目前教学中存在的问题

1. 学生前期课程知识不足

工程地质数值方法是通过综合应用多个学科知识来解决相应工程地质问题的，与地质工程数值法相关的学科广泛，学生需熟练掌握前期课程原理，才能深刻理解教学内容，比如，学习弹塑性有限元法，学生必须对张量、矩阵、弹性力学知识有一定的了解。此外，对不同的工程地质问题，采取的数值分析方法所涉及的交叉学科均不相同。因此，地质工程数值法是一门综合性很强的课程，要求学生熟练掌握前期课程原理并具备综合应用能力。教学实践中笔者发现，某些前期课程部分学生并未学习，如弹性力学、塑性力学，还有一部分学生基础知识不够扎实，无法对前期知识进行综合利用，对授课内容学生感觉晦涩难懂。因此，在教学过程中要注意巩固和拓宽学生的前期课程知识。

2. 教学内容更新缓慢

目前国内各大学使用的教材， 内容陈旧是很突出的问题， 越来越引起广大教学工作者的注意[3]。近年来，随着工程建设的增多和规模不断加大，越来越多工程地质问题出现，工程地质数值新方法也越来越多，教学内容的陈旧与落后更加凸显，滞后于实际工程的现场应用[3]。此外，教学内容复杂繁琐也是一个重要问题。现有课程体系的教学内容过于注重系统性、完整性，与高等应用型本科教育所突出的“应用型”要求存在一定的差距[4]。工程建设中最常用的数值分析方法是有限元法、有限差分法、离散元法、数值流形法和反分析法，这些分析方法的基本原理，应用范围以及相应的软件各不相同，教师若以大量课时讲解，则导致学生实践性学习不够。

3. 实践能力培养不足

工程数值法终归是为实际工程服务，实践性强。课程难，课时较少，课堂教学时间长，导致实践性教学时间大幅度减少，学生分析问题、解决问题能力难以得到培养。而传统教学以传授书本知识为主，以课堂教学为中心的教学模式忽视了对学生实践能力的培养，难以跟上目前的国际化、信息化、全球经济化的发展趋势。针对社会对信息型、复合型人才要求，专业教师在教学中，不能拘泥于理论知识的讲解，更要想方设法鼓励学生多动手、多实践，以培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

(三)教学改革的重要性

近年来数值模拟在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径[5]。
作为地质工程、岩土工程、地下工程、水利工程、采矿工程等诸多学科的专业基础课，地质工程数值方法被广泛应用于采矿工程、岩土工程、石油工程、水利工程、交通运输工程和地下工程等众多工程学科，而且随着工程建设的增多和规模不断加大，将给工程地质学带来许多新的复杂课题。因此，高等学校工程数值模拟教学情况，在一定程度上影响高校相关专业人才在实际工程中解决相应问题的能力，而过去传统的教学模式以及教学内容将很难跟上日益发展的工程建设需要，教学改革势在必行，同时也对相关专业人才的培养具有重要作用。 源于：论文的标准格式www.618jyw.com
四、结语
工程数值方法需要综合运用多门学科知识，解决实际工程地质问题，其研究的内容丰富，这对该学科的教学造成一定困难，也为课程教学改革创造了条件。因此，在今后的教学过程中，必须顺应现代工程地质与计算机科学的发展，改变传统的教学模式，着重加强基础知识的教学，提高学生的实际能力，使学生既有较好的理论分析基础，又具较强的解决实际工程地质问题的能力。
文章以“地质工程数值法”为例，针对课程特点和目前教学中存在的典型问题，提出了教学改革的思想与理念，实施了改革方案。改革实践的结果证明，新的培养模式下地质工程数值法课程的教学效果有了明显提高，学生的分析能力、解决问题能力、实际动手能力和计算机应用能力都得到明显提升。例如：为验证数值模拟结果的正确性，有的学生算出了数值问题的理论解，有的通过其他数值模拟软件进行相互验证，这些进一步巩固了学生相应知识的学习与应用，也促进了学生自主学习相关内容以
解决相应问题。
教学改革是一场持久战，存在许多问题，需要不断地进行改进和完善，笔者目前正在建立相应的数值法教学案例库，随着案例库的完善，能为后人教学提供很大便利，把工程数值方法教学推上一个更高的台阶。
参考文献：
黄云飞， 冯静. 计算工程地质学[M].北京：兵器工业出版社，1992.
何满潮. 工程地质数值法[M]. 北京： 科学出版社，2006.
[3]黄明奎. 岩石力学课程教学改革与思考[J].高等建筑教育，2008，17（4）：82-84.
[4]王忠福.高等学校地质工程数值法课程教学改革的研究[J].中国科教创新导刊，2010，（16）：67-67.
[5]杨世浩，郑明燕.土木工程数值模拟及应用教学的改革与实践[J].中国水运，2006，6（8）：66-67.
[6]张锋. 计算土力学[M]. 北京： 人民交通出版社，2007.
[7]黄雨，卞国强，叶为民. 土木工程专业“工程地质学”双语教学改革试探[J].高等建筑教育，2009，18（2）：97-101.
Teaching reform on engineering numerical methods： a case study in numerical methods of geological engineering
HUANG Yua，b，LIU Chengweia
（a. Department of Geotechnical Engineering， College of Civil Engineering；b.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 200092， P.R. China）
Abstract：
To the teaching problems in engineering numerical methods， a reform necessity of teaching activities is firstly analyzed by a case study of numerical methods of geological engineering. Then， based on the characteristics of this course， a series of reform concepts and measures are proposed， which includes the teaching contents， training of students’ ability and the design of specific teaching method. Finally， some suggestions and attentions are pointed out for the reference of teaching reform.
Keywords： engineering geology； numerical method； teaching reform； course construction 摘自：本科生毕业论文范文www.618jyw.com