颗粒流数值模拟分析技术应用于土力学的教学改革探析
文摘
教育
2024-10-31 09:05
云南
![]()
颗粒流数值模拟分析技术
应用于土力学的教学改革探析
农珍珍 刘 倩 高俊亮
（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，
江苏 镇江 212100）
【摘 要】在新工科建设背景下，各大高校应及时引入先进的教学方法，改变传统单一的课堂讲授式教学模式。土力学是研究土体的渗流、强度及变形等特性的一门应用学科，土体的碎散性和土的三相组成特性使其在变形、强度等力学性质上都与连续固体介质有着本质区别。颗粒流数值模拟分析技术在非连续介质力学问题研究方面应用广泛，将颗粒流数值模拟分析技术引入土力学学科教学中，分析土力学的学科特点及教学现状，探讨颗粒流数值模拟分析技术在土力学教学中的应用，以激发学生的学习兴趣，帮助学生深入理解土力学学科内容，提高学生的观察能力和实践能力。
【关键词】土力学；颗粒流数值模拟分析技术
中图分类号：G643 文献标识码：A
教育部于2017年正式启动新工科建设，深入推进以新理念、新结构、新模式、新质量和新体系为标志的新工科建设成为各大高校全面深化工程教育改革的理论研究与应用实践。[1]在此背景下，高校应及时引进新的教学方法，培养学生学以致用的能力，提高学生的综合素养，使学生能够更好地将理论知识应用到实际工作中。颗粒流数值模拟分析是一种基于非连续介质分析方法的颗粒离散元分析方法，通过计算机数值计算和图像显示的方法，可不受变形量控制、方便地处理非连续介质力学问题，体现多相介质的不同物理关系，也可有效模拟介质的开裂、分离等非连续现象，反映机理、过程、结果，从而达到揭示复杂条件下微、细观介质的累计损伤与破坏机理的目的。[2]本文以土力学学科教学为例，分析土力学的学科特点及教学现状，探讨颗粒流数值模拟分析技术在土力学教学中的应用，以提升学科教学质量，推进新工科建设。土力学是为了研究土的渗流、应力变形、强度和稳定性，以及与其有关的工程问题所建立的一门学科，是岩土工程中的基础学科。土体的碎散性和土的三相组成特性使其在变形、强度等力学性质上都与连续固体介质有着本质的区别和不同的内在机制，土力学理论体系是建立在材料力学、弹性力学、塑性力学等连续介质力学理论体系的基础上，与碎散性工程性质相结合而衍生出来的理论体系。基于土性质的复杂性，以及作为天然材料的不确定性和对环境的高度敏感性，土力学学科中基本概念较多，理想化和假设条件多，学习起来难度较大。[3]目前，土力学的学科教学通常采用教师课堂讲授土力学理论知识为主、基础课内实验为辅的传统教学模式，教学方法相对单一，难以调动学生学习的主动性，难以提高自主思考能力。土力学的知识体系很多都是基于工程经验提出的，抽象难懂，并且涉及对土的三相组成特性的理解，即构成土体的固相（土粒）、液相（土壤水）和气相（土壤空气）物质，对于工程经验不够丰富的学生而言，只通过课堂理论知识的学习和简单的实验操作，很难达到深刻理解并熟练运用知识的目的。新工科建设背景下，适应社会发展需要的教学内容和先进的教学手段必不可少。随着计算机技术的发展，颗粒流数值模拟分析技术已经成为岩土工程中求解科学问题不可或缺的技术手段。目前，教育领域已有众多学者对颗粒流数值模拟分析技术在相关领域的应用进行研究，如有学者基于二维离散单元法，利用颗粒流分析程序PFC2D对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟，从细观角度分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。[4]有学者认为结合土力学基础理论知识，借助颗粒流数值模拟分析技术将土体内部颗粒之间的接触关系可视化，解释土体的宏观力学特性，可以加深学生对土力学基本理论知识的理解，取得较好的教学效果。教师将颗粒流数值模拟分析技术应用于土力学学科教学中，如在教学中对PFC（Particle Flow Code）软件的使用方法进行演示，教授学生使用PFC软件的流程，引导学生主动利用网络资源、数值模拟仿真软件学习土力学知识，能够加深学生对土力学基础理论知识的理解，养成良好的自主学习习惯。对三轴剪切实验进行数值模拟，直观地展现实验过程中土颗粒位置迁移、力链网络变化等试样结构变化，能够帮助学生从实验背后的细观机理角度理解三轴剪切过程中应力、应变等宏观力学问题。因此，将颗粒流数值模拟分析技术应用于土力学学科教学中具有重要意义。土力学是土木工程及港口航道与海岸工程等相关专业的一门重要的学科基础必修课程。通过本课程的学习，使学生系统地掌握土的物理性质、土体的渗透性、土的强度与变形特性，掌握土体稳定分析原理与方法，掌握浅基础与桩基础的设计计算方法，能够分析复杂工程实例中土工结构相关问题，能够根据特定工程问题提出解决方案，设计满足特定工程需求的土工结构，初步具备解决复杂土工问题的能力。通过本课程的学习，要求达成以下教学目标： （1）掌握土的物理性质，能够计算土的物性指标和确定土的分类。
（2）掌握土的渗流理论、变形理论和强度理论，能够分析土的渗透稳定，能够选择合适的压缩性指标计算地基沉降量和土体的固结度，计算不同实验方法的土体强度指标并确定其适用的工程问题。
（3）掌握挡土结构物、土坡稳定的分析方法，掌握浅基础地基承载力和桩基础承载力的计算方法，能够应用土力学基础知识分析土工结构的稳定性。
（4）掌握土的基本物理性质指标的室内实验方法、土的压缩性指标的实验测定方法、土的强度指标的实验测定方法，具备开展常规土工实验的能力，能够对实验结果进行分析，提出供工程设计、施工应用的指标及建议。
土力学强调理论与实践相结合，学生除了要掌握土力学基础理论知识，还需要掌握利用软件进行数值模拟分析的技能。在教学过程中，教师应与时俱进，根据教学内容和学生的学习情况持续更新教学手段，及时调整教学进度，使学生通过学习，学会灵活运用知识；通过课后练习，及时巩固土力学这门课的学习成果；通过工程项目实践，提高工程分析设计能力。
教学开始前，教师应将课程教学大纲和授课计划上传至网络教学平台，如中国大学MOOC（慕课）、国家虚拟仿真实验教学项目共享平台等，向全体学生公开，并介绍课程目标、教学内容、教学进程、考核方法和考核节点等。学生可利用网络教学平台了解颗粒流数值模拟分析技术，自主预习课堂教学内容，完成教师布置的课程案例和实践项目等，为后续教学的开展奠定基础。
理论教学过程中，一方面，教师可以采用多媒体与板书相结合的教学模式，将课程内容与可视化的图片、视频信息结合起来，为学生提供必要的资源、工具和指导，让学生通过解决真实的工程问题，更好地理解土力学基本知识。另一方面，教师可以演示颗粒流数值模拟软件的操作过程，使学生熟悉颗粒流数值模拟的分析方法和流程。然后选取典型案例，通过案例讲解引出将要讲授的知识点，使学生对教学内容有大致的了解，并带领学生利用颗粒流数值模拟分析技术开展基于项目的学习，使学生掌握数值模拟分析的要点，以及土力学学科中需要重点掌握的知识点，锻炼学生的思维能力、项目组织规划能力。实践教学过程中，实验指导教师需要依据实验教学内容，科学设置工程实践项目，引导学生将理论知识应用于实际工程中，[5]培养学生的实践动手能力。具体而言，可采用分组形式，多个学生组成一个项目团队，以自主选题的方式，利用颗粒流数值模拟分析软件共同完成工程实践项目模拟分析并形成项目报告。报告中需体现选题背景、资料查阅情况、数值模拟分析过程、结果分析、小组成员分工情况等内容，教师通过批阅项目报告、查看小组成员贡献度等，了解学生的工程实践项目参与及完成情况。同时，理论任课教师需与实践指导教师协调配合，全程参与并指导学生开展工程实践，通过观察学生的实践操作过程，对课内理论教学、实践教学各相关环节做出持续改进，共同推进课堂教学扎实开展。[6]教学结束后，教师应认真批阅学生提交的工程实践项目报告，并分别对项目总体设计的合理性、计算分析方法和模型的正确性、设计图纸的准确性和项目总体报告的完整性作出评价，针对学生普遍存在的问题点进行统一解答，并及时优化教学内容、调整授课计划，在后续教学过程中针对性强化薄弱点。教师可以采用布置课后练习等形式了解学生理论知识的掌握情况，每一章节课程教学结束后，教师需及时批改学生的课后练习，针对学生的练习完成情况提出反馈意见，督促学生在后续学习中不断改进。此外，学生可以通过QQ、微信等工具，以及面谈等多种形式，将自己在课程学习中遇到的难点、问题点及对课程的思考等信息及时反馈给任课教师。学生可以通过学校的网上评教系统，客观公正地对课程教学活动的开展、教师的课堂教学进行评价，帮助教师更全面、及时、准确地了解课堂教学的真实状况和学生对教师教学的满意度，认真分析课程目标的达成情况，根据学生提出的反馈意见及时调整教学进度和教学内容，在下一轮教学中持续改进。传统的课程考核主要考查学生的知识掌握情况，对学生实践能力、综合素质的考查不够重视。新工科建设背景下，课程考核应当以学生自主学习能力、团队协作能力和积极创新能力的考核为重点。土力学的基本概念和基础知识是高校土木工程及相关专业学生需要重点学习和掌握的内容，可以将土力学课程考核分为平时考核（30％）、课内实验考核（10％）和期末考试（60％）三部分。其中，平时考核应该注重学生的学习过程，主要考查点包括预习复习情况、作业完成情况、课堂表现及出勤情况等；课内实验考核主要考查学生参与工程实践项目的情况，主要考查点包括实验准备、实验结果、实验报告等；期末考试采用闭卷笔试的形式，时间为120分钟，满分100分，试题包含填空题、简答题和应用计算题，填空题考查学生对土力学基本概念的掌握情况，简答题考查学生对土力学基础知识和基本理论的掌握情况，应用计算题考查学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力。各教学单元主要考查的知识点如下表所示。各教学单元主要考查的知识点汇总表
![]()
土力学是土木工程及港口航道与海岸工程专业一门重要的学科基础必修课程。以工程应用为导向，以课堂讲授和实验教学为基础，通过利用颗粒流数值模拟分析技术开展课程教学活动，能够加深学生对土力学基础理论知识的理解，帮助学生掌握颗粒流数值模拟分析的基本思路和方法，有利于提高学生的自主学习能力、实践操作能力和研究能力，培养学生的创新素质，使学生初步具备解决复杂土工问题的能力，以适应现代社会对相关专业人才的需求。
基金项目：教育部产学合作协同育人项目“思政元素融入海洋工程专业课程建设——以《海洋工程流体力学》为例”（项目编号：221001616061842）；江苏省高等教育教改研究重点课题“新工科背景下基于OBE理念的海洋工程类专业本科生创新能力培养体系构建与实践”（项目编号：2023JSJG058）。
作者简介：农珍珍（1987—），女，博士，助理研究员，研究方向：砂土液化及软土地基力学特性；刘倩（1987—），女，博士，副教授，研究方向：海洋动力过程；高俊亮（1988—），男，博士，教授，研究方向：水波动力学教学。
通信作者：农珍珍。
[1]顾佩华．新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）
[2]石崇，张强，王胜年．颗粒流（PFC5.0）数值模拟技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2018
[3]曾玲玲，王月娇，卞夏，等．“土力学”科教融合课程建设探讨[J].教育教学论坛，2023（52）
[4]张家铭，邵晓泉，王霄龙，等．沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究[J].岩土力学，2015（1）
[5]曾永庆，刘晓红，胡卫东，等．新工科背景下土木工程专业土力学课程实践教学的探讨[J].创新创业理论研究与实践，2023（24）
[6]边晓亚，段坤，陈旭勇，等．课程思政元素融入“土力学”的思考与探讨[J].教育教学论坛，2023（40）
