基于MidasCivil软件应用的网络课程教学实践探索——以《桥梁工程》课程为例

达娃扎西

（吉林建筑大学，吉林长春 130000）

在互联网涌起的浪潮之下，混合教学的形式逐渐丰富，尤其是在疫情等特殊情况下，面对面教学模式失去了原有的优势，而在各种优质网络课程教学资源平台和实验资源平台的支持和带动中，线上教学逐渐趋于普及。 软件，网络，教学，3 个看似无关的领域却很好地结合起来了。

1 传统教学与有限元软件网络教学的特点

1.1 传统教学特点

在土木工程传统课堂教学中，虽然师生能够面对面教学，但在板书上常以正视图、侧视图、俯视图等二维视角来展现三维模型，存在着不够直观、形象、生动的缺点，减少学生们对模型的整体感和学习兴趣，增加学习难度。工程类课程，内容繁多课时较少。在实际授课中，侧重概念理解而缺少实际操作，学生掌握程度差的现象普遍存在，理论与实际难以结合。

1.2 有限元软件网络教学特点

有限元软件模型能够灵活展现三维结构的特征。 在教学中添加有限元软件模型使得在电脑中理解一些抽象的结构，明晰各类参数概念，所以能有直观印象，增加学生学习兴趣，有效提升学习效果。 有限元软件应用于网络课程，既能提高时效性而且还能高效分类并整合信息资源。在工程领域中，数据量大，关联性强，运用有限元软件进行计算，提高准确度的同时，节省人工手算的时间，精力并且能够灵活控制，统一修改。例如，在进行桥梁工程课程设计时，利用有限元软件技术建模之后，计算行车道板有效宽度，能快速得出答案，通过三维模型对工程的实际构造有所了解，教师可以对教学重点进行突出讲解，让学生对整个知识体系有更好的了解[1]。与传统课堂不同，在线教学时，学生们能对自己有所疑虑的问题大胆反馈，与教师积极交流，避免了上课只有教师讲，学生埋头听的现象。 通过交流与探讨，将各科的知识点串联起来，构成学生自己的知识库，增强学生对知识综合利用的能力。

1.3 MIDASCIVIL 简介

MIDASCIVIL 软件作为通用的空间有限元分析软件和桥梁软件的完美结合，广泛地应用于土木工程领域。 该软件单元类型包括梁单元、桁架单元、只受压或只受拉单元、索单元、平面应力单元、平面应变单元、非线性连接单元等，几乎涵盖了结构分析时所有的单元类型[2]。为了更好解决桥梁工程网络教学任务所出现的一些问题，引入MIDAS 作为设计工具，结合电算和对承载能力手算复核，从而让学生真正认识到实际工程的应用和掌握解决问题的方法，同时对结构进行更新改进，与时俱进，理论结合实际，达到学有所用的目的。

2 基于MidasCivil 应用的网络课程教学探索

关于桥梁在有限元软件中建模的设计流程如图1 所示。

图1 有限元软件在桥梁建模中的流程

有限元基本思想：是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。在设计时，必须遵照适用、安全、美观的基本原则[3]。利用Midas/Civil 创建信息模型。 首先要定义结构刚度，边界条件和施加荷载。模型建立出来之后即可进行对变形，反力，内力和应力结果的分析。 网络教学课程在此过程中，优势在于各个阶段的问题在网络平台中以不同的板块陈列，及时给予学生参考和指导，并且网络教学的内容不受时间，空间限制，更加方便的满足学生对学习知识的需求。

定义材料时，要选择规范定义：混凝土，D3362-2018、JTG04 等。 钢 材：D3362-18、JTG04、GB、JTGD64-2015 等。 组合材料：包括上述混凝土和钢材；也可以直接选择测量得到的实际数据进行用户定义，包括弹性模量，泊松比，线膨胀系数和容重。在截面的定义有程序自带截面：设计截面和数据库/用户截面与CAD 导入建立截面，包括了CAD 文件为“.dxf”格式，截面计算器导出“.sec”格式和设计-设计用数值截面。其中，变截面的设置是单一截面采用什么样的截面形式，变截面就采用什么样的截面形式。“.sec”文件可以直接导入软件，因此在网络教学中，可以将不同的文件进行对比，将正确的示例分享给大家，解决学生的建立截面时的细节问题。

网络课程教学能够共享有瑕疵的电子表格，对节点定义就是坐标输入，EXCLE 表格输入，复制节点和CAD 导入的方式，在课程结束后让学生算出正确的电子表格，以动手修改的方式，增加学习兴趣。其他的定义也是如此，例如，单元的定义：主菜单功能建立单元与CAD 导入的方式，其中前者还包括连接节点建立单元扩展方式建立和复制方式建立；与此同时要建立相应的结构组。边界条件类型有支撑、连接、其他类型。在此之后，就得考虑到荷载作用，因为“桥梁工程”作为一门专业课程，它与“材料力学”“结构力学”“结构设计原理”和“基础工程”等具有很大的连贯性，因此，在“桥梁工程”课程设计设置和选题时必须综合考虑这些课程在整个设计计算过程中的作用[4]。定义荷载包括自重，梁单元荷载，节点荷载和定义预应力荷载，其中定义预应力荷载包含设置钢束特性值，设置钢束形状，设置钢束预应力。 温度荷载的定义是：系统温度和温度梯度。 系统温度：一年中最高最低有效温度作用，温度梯度：竖向日照温度梯度，温度梯度升温和温度梯度降温，温度梯度降温是温度梯度升温的-0.5 倍，加载方式详见《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）。 定义移动荷载流程是选择规范：国内均是选择中国规范。定义交通车道线或面：车道线对应的是梁单元，车道面对应的是板单元。 定义车辆：根据计算要求，如整体计算则定义的是车道荷载； 车辆荷载适用于桥梁结构的局部加载、涵洞等计算；定义移动荷载工况：其目的是将车道和车辆组合，并且考虑车道折减系数；设置移动荷载分析数据：主要是考虑冲击系数，可根据简支、连续、斜拉桥、悬索桥设置。 定义施工阶段通过激活和钝化结构组、边界组和荷载组来实现。通过定义必要的施工阶段，可以考虑各施工工序及时间依存特性（收缩徐变）等对桥梁结构的影响。

施工阶段的定义是通过激活和钝化结构组、边界组和荷载组来实现。 每个施工阶段设置相应的结构组、边界组和荷载组，组成几何不变的临时结构，其定义方式通过 “荷载＞施工阶段＞定义施工阶段”来实现。 这个过程比较复杂，理论内容比较多，加上学生设计经验有限，无法将理论知识和实践内容充分结合起来，从而导致学习枯燥的现象。 网络教学中，可以结合教学内容变换使用不同教学形式，从而可以达到良好的教学效果。例如，在课堂上设计教学内容，引导师生之间以合作形式完成任务，灵活使用教学内容，激发学生学习热情，使得学生可以积极主动参与到教学中，灵活使用教学内容，强化知识使用能力，从根本上提升利用Midas 进行桥梁工程课程设计教学的实效性[5]。

结果查看中的承载能力极限状态概念是整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。 结果查看中正常使用极限状态概念是对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。对结构进行分析计算，即按照现行的规范，对各种荷载进行组合并进行分析，结果（后处理），即导出设计成果、出图等操作。 在此过程中，网络教学更有利于促进学生之间的检验和互动，完善过程，完成最佳设计方案，其教学内容是指MIDAS/Civil 在进行配筋计算与验算后，可以得到结构的内力、 位移图形与表格并且根据各种验算结果判断是否通过设计规范[6]，其教学目的是使学生的实践能力由基本操作技能向实际应用能力提高。

3 对Midas Civil 网络课程建设的进一步思考

对教学方式而言，Midascivil 有限元软件对桥梁工程中的一些构件的分析运算涉及了大量的知识面，如三大力学(理论力学，材料力学，结构力学)和结构设计原理等课程，数学以及计算机相关的知识，并且将他们融合运用于规范。因此，在传统教学的基础上，加以多媒体辅助的网络教学方式能够最有效地发挥出对这种典型的多交叉学科课程的教学目的。原因在于此类课程和大多专业课程和通识课程一样，有着在教学课时的限制，利用网络课程方式，采用音频、视频、3D 动画进行真实模拟有关的课程内容，能够在较短时间内集中体现大量信息。而对学生来说，在提高学习的兴趣的同时能够对枯燥的公式推导及规范条文的理解有一个更为直观，更为生动认识，不仅知其然而且能够知其所以然，实现知识点的各个突破，达到良好的教学效果。

对教学内容而言，有关Midascivil 有限元软件的课本多种多样，但课程内容，原理大同小异，所以可以给予学生根据自身情况相适应的选择方案，灵活选择教材。与开放式和互动式的教学方式相结合，教学内容以学生为中心而展开，教师统一集体上课，但课下开设网络上的不同内容相适应的不同教学专区和答疑专区，加之学生对教学内容和问题难度评级制度。教师在留言反映和投票反映较为典型，难以理解的知识区域进行集中答疑和讲解，众所周知，提出一个好问题比解答一个问题更有价值，在有学生提出了相关的专业问题经过审核后施行学习奖励制度，进行发放电子版奖状和学习积分，设置提问达人专区，放置提问学生照片和奖励内容，公开表扬，积分达到一定程度可以赢得专业书本奖励或者其他奖励等。 在有学生经过搜集资料和学习后解答了提问达人称号的学生的问题后，也应该设置回答达人专区，进行公开表扬和类似的奖励，实行分块交流但能够统一管理。这样一来，既能使得教师工作在没有更加繁杂的情况下，兼顾每一位学生学习情况，一些问题可以在学生内部得到解决从而减轻教师工作量。这样的过程非常有利于提高学生的参与度和组织感，增强综合能力，学习由被动变为主动学习。

理论联系实际，强调工程应用“有限元分析”课程是一门实践性较强的课程，课堂教学应当与工程实践问题结合起来。 针对有限元算法求解的复杂性，教学过程结合大量的设计案例来进行。 比如，超静定桁架结构的有限元求解、轴承座应力分析、盘式制动器温度场分析、 工程车受载荷应力分析等。 理论联系实际，使学生加强感 性认识，掌握有限元分析的理论和基本方法。利用开放实验室，让学生自主设计相关的有限元程序，并与传统计算方法进 行比较，检验自己设计的准确性。 鼓励学生参加“有限元分析” 相关的设计大赛，并应用于工程实践中，比如运用有限元方法 对“大学生方程式赛车”的结构件进行强度分析，提高了学生的综合素质[7]。 课程设计及作业可以分为课本习题作业和实际建模作业，考查学生对知识的理解和吸收方面双管齐下。 纸质版的作业由教师统一布置，根据细则给予学生评分。有关模型建立方面学生可以上传模型至交流区进行相互比较，相互批改，取长补短，最后由教师提出建议，指导和要求。

学校可以发挥校园网优势构建教学平台，充实并且共享教学资源。 网络课程可以将教师们的想法和课件上传到学校的资料库中，实行取长补短，对教学经验的累积有很大作用。例如，在Midas 软件中的钢束布置设计中，如何理论结合经验，得出既安全又经济的方案。学校也可以通过校企合作的方式，在网络平台组件试题库，针对不学生生的不同疑惑，进行相对专业的，给学生提供在线答题和测试机会，使得学生可以更牢固地掌握专业知识，设计出更好的作品并给企业提出软件使用方面的反馈和建议。

4 结语

综上所述，MIDAS 软件在桥梁工程课程网络教学中的应用，将有限元软件与网络教学应用到建模计算中去，与传统的手算方式相结合提高授课过程中学生对知识的吸收程度。 能够将桥梁工程的结构的力学行为机理直观地描述出来、 帮助学生更好的理解复杂结构荷载作用，并能锻炼学生的创新能力。