“土木工程材料”课程中实验和数值模拟结合的教学方法研究

［摘 要］ 实验和数值模拟结合的教学方法可以加深学生对理论的理解，提高学生的实践和科研能力。为研究实验和数值模拟结合的教学方法在“土木工程材料”课程中的应用，以培养学生对实验结果和理论的分析能力为目的，提出虚拟实验设计、实验数据处理和完善实验报告等教学要点。以钢材拉伸实验为例，从实验方案、数据处理、数值模拟和实验报告等方面，阐述了实验和数值模拟结合教学方法的具体内容。

［关键词］ 土木工程材料；实验；数值模拟

［基金项目］ 2022年度国家自然科学基金“基于三维损伤累积机理的高强钢对接焊接接头超低周疲劳性能研究”（52208138）

［作者简介］ 王苑佐（1994—），男，山西临汾人，博士，北京工业大学建筑工程学院讲师，主要从事土木工程材料与钢结构研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）44-0146-05 ［收稿日期］ 2023-11-10

引言

“土木工程材料”课程在土木工程专业中具有至关重要的地位。这门课程旨在教授各种土木工程材料（如混凝土、钢材和木材等）的性能、特性以及在实际工程中的应用（如图1所示）。对于土木工程专业的学生来说，深刻理解这些材料的行为和性能至关重要，因为他们未来将面临各种不同类型的工程项目，要求他们正确选择和使用材料以确保工程的安全性、耐久性和可靠性［1］。

随着科学技术的不断发展，材料科学和工程在土木工程领域中的应用也变得越来越广泛。“土木工程材料”课程的教学方法必须不断创新和改进［2-4］。传统的教学方法通常侧重于理论知识的传授，通过课堂讲授、教材阅读和小组讨论等方式向学生传递知识。尽管这些教学方法能帮助学生理解材料的基本概念和理论原理，但不能有效满足学生对材料行为和性能有更深入理解的期望。成功的“土木工程材料”课程不仅要教会学生理论知识，还需要培养他们的实际工程应用和研究能力［5］。因此，我们需要寻求创新的教学方法，以更好地满足学生的需求，从而帮助他们更好地准备面向未来的土木工程挑战［6］。

随着数值模拟技术的发展，我们有了更多的机会来探索新的教学方法，以更好地满足学生的学习需求［7-8］。实验和数值模拟是两种互补的方法，实验通过真实的材料样本和测试设备来获取数据，而数值模拟则使用数学模型来模拟材料的行为［9］。将这两种方法结合起来，可以为学生提供更全面、深入的理解［10］。将实验和数值模拟相结合的方法在“土木工程材料”课程教学中具有巨大的潜力，可以帮助学生更好地理解材料的行为，从而为他们的未来职业发展打下坚实的基础。

本文旨在研究“土木工程材料”课程中实验和数值模拟结合的教学方法的有效性，并探讨如何将实验和数值模拟相结合的方法应用于“土木工程材料”课程的教学中。为加深学生对实验结果的理解，提高学生理论分析能力，培养学生计算和模型建立技能。通过在实验课中引入数值模拟的教学方法，提出虚拟实验设计、实验数据处理和完善实验报告等教学要点。以钢材拉伸实验为例，从实验方案、数据处理、数值模拟和实验报告等方面，阐述了实验和数值模拟结合教学方法的具体内容。

一、实验与数值模拟结合教学的目的和要点

（一）在实验课程中引入数值模拟方法的目的

1.加深学生对实验结果的理解。实验和数值模拟相结合可以提供更深入的理解。实验提供了真实数据和观察，而数值模拟允许学生探索不同条件下的材料行为，从而获得更全面的知识。将实验与数值模拟结合的教学方法能够帮助学生把抽象的理论知识与实际的工程问题相结合［11］。传统的实验教学通常关注实验数据的收集和结果的观察，而数值模拟则通过计算和模拟来呈现材料行为。学生可以在虚拟环境中实际模拟材料的性能，从而更深入地理解理论公式和原理的应用。这种结合有助于学生建立直观的联系，提高他们的理解和记忆。

2.提高学生理论分析能力。将实验和数值模拟结合的教学方法培养了学生的定量分析能力。学生需要学习如何处理实验数据，并将其输入数值模拟软件中进行比较和分析［12］。通过比较实验结果和模拟结果，学生能够更全面地了解材料行为的特点。这有助于他们将数据定量化，从而更好地评估材料的性能和行为［13］。

3.节约成本和资源。实验通常需要昂贵的实验设备和材料。通过数值模拟，学生可以多次进行模拟实验，探索不同参数的影响，而无须额外的物资和设备支持，避免了高额的实验成本。这有助于高校更有效地分配资源。

4.拓展实验范围，通过数值模拟。学生可以模拟各种不同条件下的实验，包括极端条件或难以复制的情况，从而拓展了实验的范围和深度［14］。结合实验和数值模拟的教学方法可以涵盖各种不同材料和情境。学生可以模拟不同材料的行为，包括混凝土、钢材、木材、土壤和复合材料等。这种多样性的案例研究帮助学生了解不同材料的特性和应用。

5.培养计算和模型建立技能。数值模拟通常需要学生编写代码或使用模拟软件来执行计算和分析。这有助于提高学生的计算和编程技能，这在现代工程实践和科学研究中非常重要。

（二）实验与数值模拟结合教学要点

1.实验数据验证：在进行数值模拟之前，学生应首先进行实验以获取真实数据，这些数据可用于验证数值模拟模型的准确性。

2.数值模拟参数调整：学生可以使用数值模拟来探索不同参数对材料性能的影响。通过调整模型中的参数，他们可以预测不同条件下的材料行为，并进行比较和分析。

3.虚拟实验设计：学生可以使用数值模拟来设计虚拟实验，模拟各种工程情境下的材料行为。这有助于他们理解材料在不同环境中的表现，从而优化工程设计。

4.完善实验报告：学生应将实验和数值模拟的结果结合在实验报告中，从而提供更全面的分析和结论。这有助于学生将两者相互关联，从而形成更深刻的理解。

5.课程项目和研究：将实验与数值模拟相结合的方法也可以应用于课程项目和研究项目中。学生可以选择特定的材料或工况，结合实验和数值模拟来进行深入的研究，从而提升他们的研究能力。

二、实验与数值模拟结合教学内容及实例

（一）实验与数值模拟结合教学内容

1.数值模拟方法教学。数值模拟软件可根据高校的软件使用权和实验类型进行选择。通过指导学生学习数值模拟软件，重点教学数值模拟软件中材料性能的设置方法，引导学生回顾各个材性指标的物理意义以及实验标定方法。

2.实验教学和预模拟教学工作。指导学生操作仪器和设备，以测试和测量不同材料的物理和力学性质。这些实验可以包括拉伸、压缩、弯曲、冲击和疲劳等测试。指导学生开展预模拟工作，用以指导实验设计。

3.数值模拟及扩展研究教学。学生自主处理实验数据，并标定数值模拟中所需的材性。学生自主模拟实验，教师引导学生通过模拟案例研究来理解材料行为。作为扩展研究，学生可以进一步利用数值模拟软件来开展参数分析工作，模拟不同条件下材料的力学行为。

4.数值模拟结果分析教学。培养学生在理论层面阐述模拟结果的能力。学生自主对比模拟与实验结果，说明其中的差异并给出解释，从而帮助学生加深对材料行为的理解。教师在这一过程中要重视对学生科研思维的培养。

（二）实例：钢材单调拉伸实验

钢材单调拉伸实验是工程材料力学性质研究的关键实验之一。传统的实验教学方法通常包括学生进行实验操作，测量应力—应变曲线并获取实验数据。结合数值模拟方法，可以培养学生深入理解材料行为的能力。

1.实验前准备。（1）向学生展示钢厂出具的钢材检测证书，引导学生回顾相关概念，介绍实验钢材的基本材性，包括屈服强度、拉伸强度和伸长率等。（2）向学生介绍实验设备，包括拉伸实验机、试样夹具、引伸计和位移计等。介绍引伸计和位移计的功能和适用范围。介绍当前更先进的数字图像相关监测技术，可以无接触监测试件表面的变形情况，如图2所示。（3）指导学生查阅GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸实验第1部分：室温实验方法》等相关规范性文件，自主设计标准拉伸试样，确保它们的尺寸和几何形状符合实验标准且与实验设备匹配。根据钢材检测证书中的基本材性数据，在有限元软件中开展预模拟工作，预估实验中试件的承载力和变形情况。（4）指导学生在预模拟过程中理解和分析钢材拉伸实验中常见的颈缩现象（图3）。学生自主分析颈缩后试件承载力的变化、试件颈缩区域的变形情况等。（5）指导学生学习实验安全指导书。学生在实验开始前，应接受必要的安全培训和操作指导。

2.实验流程。（1）学生根据实验指导书的步骤，在拉伸实验机上安装试样；（2）学生调整实验机的设置，包括加载速率和实验结束条件；（3）学生开始拉伸实验，并在实验过程中记录实时数据，包括载荷和试样的伸长量；（4）实验结束后，学生停止实验机，并记录试样的断裂位置和外观特征。设备条件满足的情况下，可以使用电镜扫描试件断面，观察断面特征，如图4所示。

3.数据分析（1）学生收集实验数据，包括载荷—伸长曲线、屈服强度、拉伸强度和伸长率等；（2）学生计算机工程应力—应变曲线，并针对试件的颈缩，基于塑性体积不变等原理计算得到真实应力—应变全曲线（图5）；（3）学生计算和讨论关键参数，以评估材料的性能。

4.数值模拟。（1）指导学生使用数值模拟软件（如ABAQUS、ANSYS等）。创建拉伸实验的数值模型，包括定义试样几何、加载条件等；（2）在材性定义中，指导学生明确弹性模量、真实应力—应变的概念和输入方法；（3）学生记录并分析模拟结果，包括荷载—位移曲线、屈服点和峰值承载力等；（4）指导学生利用数值模拟手段继续开展扩展研究。模拟并研究不同条件下材料的力学行为或在构件层面研究材料性能对构件力学性能的影响（图6）。

5.研究报告。（1）学生自主对比实验和数值模拟的结果，讨论模拟与实际之间的差异，并分析其原因，如材料模型的准确性、试样尺寸和加载条件的影响；（2）学生自主探讨模拟结果的敏感性，在数值模拟环节中扩展研究，研究材料性质参数和荷载工况对结果的影响。

6.结果评价。（1）学生根据实验结果和数值模拟的分析撰写实验报告和模拟结果分析报告；（2）教师评估学生的实验技能、数据分析能力以及对材料行为的理解，这可以通过报告的质量和学生的参与程度来评估，具体评价项目和细则见表1。此外，教师还可以鼓励学生之间的互评和自评，以促进学生的自我反思和学习成长。

结语

传统的教学方法通常侧重于理论知识的传授，通过课堂讲授、教材阅读和小组讨论等方式向学生传递知识。尽管这些方法对于理解材料的基本概念和理论原理非常有效，但它们往往无法满足学生对于材料行为和性能更深入理解的期望。

本文明确了在实验课中引入数值模拟教学方法的目的，提出虚拟实验设计、实验数据处理和完善实验报告等教学要点。以钢材拉伸实验为例，从实验方案、数据处理、数值模拟和实验报告等方面，阐述了实验和数值模拟结合教学方法的具体内容。本文提出的实验与数值模拟相结合的教学方法，可以帮助学生更全面地理解土木工程材料的性能和行为。这种综合方法不仅加强了学生的实验技能和数据分析能力，还培养了他们的模型建立和问题解决能力，为学生未来的土木工程职业发展提供了坚实的基础。同时，学生通过编写详细的实验报告，能够将实验和数值模拟相结合，从而对课堂知识形成更深刻的理解，培养了他们的学术研究能力与工程应用能力。

参考文献

［1］曾刚，李峥，王元元，等.基于科教协同理念的土木工程材料课程教学改革实践［J］.高等建筑教育，2022，31（6）：146-152.

［2］王圣贤.基于应用型需求的土木工程材料实验课程改革［J］.当代教育实践与教学研究，2018（2）：74-75.