桥梁工程专业“工程软件与应用”课程教学探讨

董创文+陈得良

摘要：针对某独立学院桥梁工程专业“5+1+2”人才培养模式下学生的现状，对选修课“工程软件与应用”的课程教学进行探讨。分析先修课程、并行课程，比较现有常用软件，确定课程教学的工程软件为ANSYS;以桁架、梁、板为基本对象，以静力、稳定性为主要知识点，以经典ANSYS算例及工程实例为载体，结合讲课、上机与课外习题，通过学生自学、老师答疑、老师提问的形式，激发学生学习兴趣和动力，实现学生理论水平、应用能力、自学能力的提高。

关键词：工程软件;ANSYS;工程实例;自学能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）22-0150-02

近年来，在我国交通土建大发展的环境下，某独立学院坚持“全面发展，突出专长，强化实践，着重应用”的人才培养目标，实施“5+1+2”的人才培养模式[1]，扎实培养学生的基础素质和实践能力，努力造就适应21世纪社会经济发展需要的应用型高级工程技术人才和管理人才。为实现这一目标，学院鼓励学生了解工程、进入现场、理论联系实践，推荐学生选修与工程紧密相关的《工程软件与应用》课程。

一、课程简介

“工程软件及应用”是一门理论与实践相结合的应用型专业课，课程教学目的为：通过对一种大型通用有限元工程软件的系统学习与了解，达到使学生能够利用本软件独立的解决实际工程中的力学问题，并对相关的力学知识作更深入的巩固。通过本课程的学习，应熟练掌握该软件的使用方法，并能运用该软件解决相关的桥梁力学分析。

根据专业培养计划，“工程软件及应用”设置在第六学期，为选修课。课程总学时24，其中讲课10，上机14;分12周，每周2学时。

二、学习现状分析

根据专业培养计划，“工程软件及应用”先修的相关课程主要有：大学计算机基础、Fortran语言、理论力学、材料力学、结构力学、画法几何与土木工程制图、土木工程概论、建筑材料、土力学、结构设计原理、钢结构基本原理等;并行的相关课程为桥梁工程、桥梁电算、桥梁施工、专业英语等。

受限于课程设置，理应先修的计算力学课程没有开设，学生的有限元概念和理论有所欠缺;理应先修的桥梁工程、桥梁施工、专业英语等课程同期开设，学生的桥梁专业知识还没有完全建立，专业英语水平较差。因此，在学习本课程的时候，学生将会面临基础较弱、难度较大的问题。

三、教学设计

1.工程软件的选择。目前，我国桥梁工程最常用的大型通用有限元软件工程软件有ANSYS和MIDAS。

ANSYS由目前世界上最大的有限元分析软件公司——美国ANSYS公司开发，该公司成立于1970年，创始人为美国著名力学专家John Swanson博士[2]。该软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。软件提供了超过100种的单元类型和用户自定义单元接口，提供了参数化设计语言APDL（ANSYS Parametric Design Language），可以满足工程各种要求，广泛应用于各个工业领域[3]。

MIDAS于1989年由韩国POSCO集团开始开发。MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析，能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计[4]。

考虑到ANSYS发展时间更久，其理论基础、工程验证、帮助文件等更加完善，其参数化设计APDL语言便于编程且基于先修课程Fortran语言，较适合初学者学习，故本课程确定其作为主修软件。

2.难点对策。针对学生的学习现状，采取以下对策。（1）回顾矩阵位移法，引入有限元。所设先修课程中，仅有结构力学的“矩阵位移法”与有限元有共同的总体思路和类似的做法，故第一节课重点介绍矩阵位移法的总体思路“化整为零—集零为整”，介绍节点、单元、节点力、节点位移、边界条件、刚度、刚度矩阵等基本概念，介绍一道简单且经典的算例的做法，以便建立已有知识和本课程的桥梁。（2）结合亲身经历，介绍ANSYS在桥梁工程中应用。作者自参加工作以来，已参与近十座桥梁的施工监控。在第二节课中，选取几座典型桥梁：自锚式悬索桥——佛山平胜大桥、地锚式悬索桥——湖南张家界至花垣高速公路澧水大桥、斜拉桥——浙江嘉绍大桥、钢管混凝土拱桥——湖南张家界至花垣高速公路猛洞河大桥、钢混组合体系拱桥——长沙市福元路湘江大桥主桥、钢混组合连续梁桥——长沙市福元路湘江大桥引桥，结合实桥图片，重点介绍各桥设计概况、施工过程、有限元模型及关键结果，扩充学生的桥梁视野，激发学生学习ANSYS的兴趣。（3）选择经典专题，融合力学原理与ANSYS操作。从理论力学、材料力学和结构力学入手，根据结构类型和问题性质，选择四个专题：平面桁架静力、平面梁静力、平面应力板静力、杆系稳定。每个专题均以经典算例为主线展开，ANSYS经典算例选择其帮助文件自带的VM1、VM2、VM3、VM4、VM21、VM34、VM127、结构教学算例等;桥梁工程典型算如铁路桁架桥、顶推连续梁、临时墩、主梁悬臂施工的挂篮系统、塔柱施工的爬模系统等。以ANSYS经典算例为基础，结合实际桥梁工程，将力学原理与ANSYS软件操作方法融于一体，由浅入深，循序渐进，激发学生学习ANSYS的动力。（4）针对软件操作，介绍对应中文。目前，ANSYS均为英文版本，其界面、按钮、帮助文件等均为英文。讲解ANSYS操作时，针对常用的英文或英文缩写，着重介绍其中文意义并适当扩展;同时让学生同步操作、亲身体验，以便减少学习的语言障碍。

3.基本教学内容。根据学生学习现状，结合ANSYS特点，确定本课程知识单元、知识点及学时分配，见表1。

4.考核方式。本课程考核分为两部分：知识考核和能力考核。知识考核占总成绩的60%，主要采用上机考试的方式评定。能力考核占总成绩的40%，主要根据学生提问、老师质疑、师生互动、课外大作业等评定。

上机考试时，设置三道题：平面桁架、平面梁、杆系稳定各一道。考题均由平时练习题的稍加变化而得，其变化或为几何参数，或为材料参数，或为荷载参数。

四、教学特点

1.以上机为主，以课堂讲授为辅。该课程重点在于锻炼学生的动手操作能力，故课时安排上，7/12的课时安排在机房上机。上机时，要求学生反复练习基本算例，直至熟练。上机结束时，要求学生将课堂练习成果存盘并以电子邮件的方式发送到老师邮箱，老师回复邮件作为批改。

2.鼓励学生问答。讲授课堂中，每节课至少提问2～3次，考查学生对基本概念的理解。上机课中，老师不停巡视，鼓励学生提问，老师当场答疑，手把手指导;同时针对学生正在进行的操作提问，当场评述回答。

3.设置课外学习内容，增强学生自学能力。从表1可见，本课程设置的课外学时18，平均每周1.5学时，其重点内容为知识点的巩固和扩充。老师给出课外内容的纲要，具体内容由学生自主确定、自学完成，通过课堂答问和作业的质量体现其效果。

4.布置灵活的课外大作业。本课程布置一道课外大作业：如图1所示，带悬臂的等截面简支梁ABCD，仅考虑自重，求使梁端转角为零的a/L;要求成果有理论推导、模型CAD图、命令流、结果、总结或体会。该题源于顶推平台上带拼钢箱梁节段的无应力拼接状态，可综合考察力学推导、CAD作图、ANSYS交互式操作、APDL参数化命令等。

五、教学效果

通过教学设计和实践，学生对ANSYS兴趣浓厚，在讲课课堂上能积极主动地思考和回答，在上机课能积极地动手、提问，在课外能对自动查阅参考资料完成课外自学内容;部分同学则更为深入，与教师探讨并提出解决问题的多种途径。最后，全部学生都能够在规定时间内完成上机考题;上交的课外大作业中，思路灵活，结果正确。

总之，通过24学时的互动，学生们在有限元理论水平、ANSYS应用能力、综合分析能力和自学能力等方面有所提高，对ANSYS已入门。endprint