隧道工程毕业设计中数值仿真模块策略

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摘要：本文针对本科生隧道工程毕业设计中数值仿真模块完成质量不高的问题，从教师怎样培养学生的角度，研究得出了提升数值仿真质量的若干策略，并进行了详细阐述。建议教师在先修的教学内容中融入数值仿真技术的相关知识点；对于已经找到工作或已经确定考上研究生的学生，采取不同的措施提高学生深入学习数值仿真技术的积极性；因人而异布置毕业设计中的数值仿真任务。实践表明应用这些策略可明显提升学生的数值仿真完成质量。

关键词：隧道工程；毕业设计；数值仿真；质量提升策略

我国目前正在深入推进新型城镇化建设，需要大量从事隧道建设的高素质人才，本科毕业设计在隧道工程人才培养中具有非常重要的作用。为了使本科生掌握先进的隧道修建技术，很多隧道工程毕业设计的内容不仅有传统的解析计算模块，还有数值仿真模块。其中的数值仿真模块对学生的要求：根据有限单元法、有限差分法等数值分析方法，利用数值仿真软件，首先在计算机上建立反映实际工程情况的数值模型，然后计算出隧道的位移与内力等，最后分析数值仿真结果，从而为确定隧道的设计方案与施工措施提供重要的参考意见[1-4]。

一、数值仿真模块存在的问题

笔者作为隧道工程本科毕业设计的指导教师，发现学生在完成数值仿真模块的过程中，存在一些问题：学生前期的准备工作不足，导致看不懂毕业设计中的数值仿真任务，无法制定适合自己的工作步骤；学生对毕业设计中的数值仿真任务不感兴趣，完成数值仿真任务的积极性不高，能拖就拖；学生对本科毕业设计中的数值仿真难度没有正确的认识，要么认为数值仿真任务太难而丧失了自己完成的信心，转而寻求抄袭过关；要么认为数值仿真任务太容易了，自高自大，浅尝辄止，不能深刻地掌握数值仿真技术；学生弄不懂数值仿真的原理，不考虑自己的隧道特点，而是胡乱套用数值仿真软件中的例题，敷衍了事。这些问题如果不及时解决，就会导致本科毕业设计中数值仿真模块的完成质量不高甚至低劣，达不到培养人才的目的。因此，本文针对本科生的隧道工程毕业设计，正视数值仿真模块完成质量不高的问题，从教师怎样培养学生的角度，研究得出了提升数值仿真质量的若干策略，以下进行详细阐述。

二、数值仿真模块的质量提升策略

（一）在先修的教学内容中融入数值仿真技术的相关知识点

目前，有的学校在本科阶段开设了类似于“土木工程数值仿真”的课程，但课时太少，一般不会超过24个学时，而且放在第7学期开课，此时很多学生忙着找工作或是复习考研究生，投入这门课的学习时间少；偏偏数值仿真技术作为一门技术课，与一般的理论课程不同，数值仿真技术与多门课程都密切相关，数值仿真技术的基础知识不仅多，而且杂；如果本科生没有良好的数值仿真基础，单纯依靠在这门课上学习数值仿真技术并不会取得好的效果，很有可能无法完成本科毕业设计中对应的任务。因此，笔者建议学生适当提前开始学习数值仿真技术，可选择在第4学期的期末开始学习，并采取“由表及里、缓慢上升”的方法学习数值仿真技术。相应地，笔者也建议教师把数值仿真技术的一些知识点融入到先修的教学内容中，并且讲授给学生，为学生今后学习数值仿真专业课与完成毕业设计打下良好的基础：1.学生在学习数值仿真这门课程之前，先要学习土力学、岩体力学、隧道工程等一些先修的理论课程。教师在讲授这些先修的理论课程时，可以找出这些课程中与数值仿真密切相关的知识点，在课堂上讲清楚这些知识点与数值仿真的关系，并且让学生在书中做好标记，方便以后查阅。例如：对于第5学期开设的岩体力学课程中的如图1所示的这一知识点[5]，笔者建议任课教师讲清楚这个知识点与数值仿真的关系：对于深埋圆形隧道，弹性状态下隧道开挖后围岩中的应力分布如图1所示，当数值模型的四周边界至洞室圆心的距离r达到洞室开挖半径r0的5倍时，数值模型边界上的围岩应力σr与σθ均趋于稳定，洞室开挖对此边界之外围岩应力的影响可以忽略不计，这正是确定数值模型最小尺寸的理论依据。2.建议教师在先修的实践教学内容中，有意地掺入数值仿真的相关知识点，鼓励学生提前学习数值仿真技术。例如：教师在给学生联系认识实习与顶岗实习的单位时，优先联系大型施工企业，因为目前很多大型隧道施工工地有宣传展厅，里面会把隧道的施工过程采用“数值仿真技术+BIM技术”的方式展示给学生，这样学生在实习时就可以深入理解数值仿真技术是如何应用到实践工程中的。再例如，教师在布置地下建筑结构的课程设计任务时，把采用解析计算手段分析结构内力作为必修任务，而把采用数值仿真手段分析结构内力作为拓展的选修任务。尽管学生是否完成数值仿真的任务并不影响课程设计的成绩，但这样无形之中就可以引导学生去了解去熟悉数值仿真技术。另外，指导教师可利用学生们参加“大学生结构设计竞赛”等相关竞赛的机会，引导学生提前开始数值仿真的学习；一些数值仿真软件公司，比如迈达斯软件公司，在寒暑假都允许学生免费使用软件学习数值仿真技术，教师可以把相关的网址发送给学生，提醒学生利用这些机会提前熟悉数值仿真软件，从而为今后学习数值仿真专业课与完成毕业设计打下良好的基础。

（二）提高学生深入学习数值仿真技术的积极性

尽管从第4学期的期末开始，教师就利用各种机会向学生介绍学习数值仿真技术的重要性，但因为不同学生的认识程度并不相同，还有不少同学并没有深刻认识到学习数值仿真技术对自身发展的重要性，采取浅尝辄止的态度敷衍了事，深入学习数值仿真技术的积极性不高。在第8学期，当学生开始隧道工程本科毕业设计的数值仿真部分时(约在4月份或5月份)，大部分学生已经找到工作了或已经确定考上研究生了，这时候很多学生已经明确了自己今后的人生发展方向。作为本科毕业设计的指导教师，可以抓住这个时机，采取以下措施提高学生深入学习数值仿真技术的积极性：1.对于已经找到工作的学生，指导教师首先问询得知学生毕业后的工作单位名称，然后请同一工作单位的工程师告诉学生，在工作中要用到数值仿真技术；或者指导教师在网上搜索这个工作单位使用数值仿真软件的相关信息，把有关网页发给学生并让学生认真阅读。这样学生就会深刻地认识到：毕业之后去了工作单位会实打实地用到数值仿真技术，这事关自己的“饭碗”，认真完成毕业设计中的数值仿真部分不仅可以顺利拿到毕业证，还能学到将来工作中用到的数值仿真技术，一举两得。这样自然会提高学生深入学习数值仿真技术的积极性。2.对于已经考上研究生并且计划从事隧道与地下工程研究方向的同学，指导教师可以找学生进行深入地谈心谈话，让学生深刻地认识到以下注意事项并采取相应措施，可以提高学生深入学习数值仿真技术的积极性：在研究生一年级会开设类似于“土木工程数值仿真”的一门必修课，如果学生利用本科毕业设计的机会就已经学习了一些数值仿真技术，打下了一定的基础，这非常有利于理解研究生这门课中那些抽象的概念，这门课就能取得个好成绩；在很多情况下，研究生完成硕导安排的科研任务会用到数值仿真技术，而且硕士学位论文中的一章就是采用数值仿真技术进行计算分析，因此尽早学习数值仿真技术，非常有利于自己在今后顺利拿到硕士学位。

（三）因人而异布置毕业设计中的数值仿真任务

通过采取以上策略，在数值仿真技术的学习效果方面，学生相比自身有了提高，但不同学生之间的差距依然较大。当指导教师给学生布置隧道工程本科毕业设计的任务时，建议因人而异布置数值仿真的任务，基础差的学生的数值仿真难度相对低，而基础好的学生的数值仿真难度相对高。因为对于基础差的学生，如果数值仿真的任务太难，反而会挫伤学生的学习积极性，学生可能认为反正也做不出来，不如抄一抄算了；而对于基础好的学生，如果数值仿真的任务太简单了，容易使学生产生“浅尝辄止”的不良学习风气，也不能督促学生深刻掌握数值仿真技术。例如，可参考表1，因人而异布置矿山法隧道毕业设计的数值仿真任务，从而使不同基础的学生都达到适合自己的学习效果。

三、总结

本文针对本科生的隧道工程毕业设计，正视数值仿真模块完成质量不高的问题，建议教师可采取如下策略以提升学生数值仿真的质量：在先修的教学内容中融入数值仿真技术的相关知识点；对于已经找到工作或已经确定考上研究生的学生，采取不同的措施提高其深入学习数值仿真技术的积极性，因人而异布置毕业设计中的数值仿真任务。实践证明：应用这些策略可明显提升学生的数值仿真完成质量，这对于培养高素质的隧道人才是非常重要的。

参考文献

[1]赵畅.互联网+背景下智慧课堂教学模式设计与应用[J].才智,2021(03):71-73.

[2]柳军修,马巍,肖博文.地下建筑结构数值教学平台建设与研究[J].教育现代化,2020(44):7-9.

[3]陈成,芮瑞,王智德,等.岩土工程专业课程与数值模拟应用的融合创新及实践[J].水利与建筑工程学报,2021,19(04):210-214.

[4]安永林,陈秋南,岳健,等.朝花夕拾,似曾相识—隧道工程教学融入相关课程知识提高学生素质[J].才智,2019(26):32-32.

[5]阳生权,阳军生.岩体力学[M].北京:机械工业出版社,2014.

作者:岳健 朱铁环 安永林 王志斌 单位:湖南科技大学土木工程学院