陳國周，錢曉麗，張建勛

福建工程學(xué)院 土木工程系，福建 福州 350108

巖土工程教學(xué)中加強(qiáng)手算訓(xùn)練的研究與實(shí)踐

陳國周，錢曉麗，張建勛

福建工程學(xué)院 土木工程系，福建 福州 350108

計(jì)算機(jī)軟件在巖土工程設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用，學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)的水平有很大提高，但手算能力有下降趨勢。為提高學(xué)生手算能力，我們從夯實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)，在課堂大作業(yè)中突出手算訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)手算訓(xùn)練，畢業(yè)設(shè)計(jì)電算手算相結(jié)合等方面進(jìn)行改進(jìn)。

巖土工程 高等教育 計(jì)算能力

利用計(jì)算機(jī)軟件來計(jì)算工程問題，已在巖土工程中得到廣泛應(yīng)用，一般被稱為“電算”，與之對(duì)應(yīng)的則是傳統(tǒng)的“手算”，即“手工計(jì)算”。現(xiàn)有的巖土工程軟件有適用于研究的如FLAC,Geoslope,Plaxis,MIDAS/GTS，有適用于工程設(shè)計(jì)的如理正、啟明星、JCCAD等[1]。這些軟件的應(yīng)用，使計(jì)算時(shí)間減少很多，原先手算無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜力學(xué)模型也可以求解出來。但從人才培養(yǎng)的角度來看，同時(shí)也帶來負(fù)面影響，那就是學(xué)生的手算能力被削弱了，用人單位的反饋意見也證實(shí)了這點(diǎn)。所以筆者認(rèn)為在巖土工程教學(xué)中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)學(xué)生手算訓(xùn)練。我們在巖土專業(yè)方向的學(xué)生中進(jìn)行加強(qiáng)手算訓(xùn)練的嘗試，取得較好的教學(xué)效果。

一、手算與電算的關(guān)系

關(guān)于手算與電算，哪個(gè)更有用，巖土工程界一直存在爭論。早在20多年前，同濟(jì)大學(xué)的俞調(diào)梅教授對(duì)計(jì)算機(jī)的作用提出了不要“Garbage into,garbage out”(垃圾進(jìn)，垃圾出）的警世名言[2]。

電算以計(jì)算機(jī)作為工具，從計(jì)算速度、解決問題的復(fù)雜程度比較，無疑比手算更具有先進(jìn)性[3]。但是電算時(shí)所使用的程序也有它的局限性，如果設(shè)計(jì)人員電算操作失誤時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更是相差甚遠(yuǎn)。沒有堅(jiān)實(shí)的手算基礎(chǔ)，就無法對(duì)電算結(jié)果做出正確的判斷。

雖然現(xiàn)在巖土工程研究領(lǐng)域數(shù)值分析蔚為大觀，研究者很多，發(fā)表的相關(guān)論文也很多，但實(shí)際工程中的巖土師大多卻是對(duì)數(shù)值分析持不信任態(tài)度，尤其年紀(jì)較大的更是這樣。他們更注重概念，不拘泥于數(shù)字運(yùn)算，認(rèn)為首先要從整體上把握好方案，其次才是計(jì)算問題，也就是“定性分析為先，定量計(jì)算為輔”[4]。因此他們往往更習(xí)慣于手算，即使有了電算結(jié)果，一般也要用在手算中積累起來的經(jīng)驗(yàn)校核一下。

筆者認(rèn)為可以總結(jié)為一句話:手算是基礎(chǔ)，電算是提高。沒有手算作為基礎(chǔ)，電算只能是無本之木，玩數(shù)學(xué)游戲。而如果只拘泥于手算，拒絕先進(jìn)的計(jì)算手段，則在效率上跟不上時(shí)代發(fā)展。

二、現(xiàn)在巖土工程專業(yè)學(xué)生手算能力偏弱

巖土電算設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程中得到廣泛應(yīng)用，如設(shè)計(jì)院用理正軟件來計(jì)算邊坡加固、用JCCAD來計(jì)算樁基等等。電算能力成為衡量畢業(yè)生能力的一個(gè)重要指標(biāo)，畢業(yè)生的求職簡歷上都會(huì)列出他們所掌握的計(jì)算機(jī)軟件名稱，以增加就業(yè)競爭砝碼。他們在校時(shí)所受到的電算訓(xùn)練，可以幫助工作后較快適應(yīng)崗位，這點(diǎn)是頗受用人單位歡迎的。

然而在教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生手算能力偏弱，這點(diǎn)會(huì)制約電算能力的提高。在學(xué)習(xí)巖土電算軟件時(shí)，部分學(xué)生只關(guān)心軟件能否運(yùn)行計(jì)算下去，不關(guān)心軟件的計(jì)算模型，對(duì)計(jì)算結(jié)果文件的分析也滿足于淺嘗輒止[5-6]。比如基坑計(jì)算滿足于判斷有沒有發(fā)生破壞，對(duì)影響因素不了解，想了解也不知道從何下手，這樣就難以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

現(xiàn)在的巖土工程設(shè)計(jì)軟件，界面友好，操作簡單，有“傻瓜機(jī)”的特點(diǎn)。在使用軟件計(jì)算時(shí)，只需點(diǎn)擊“下一步”，最終可以得到所有想要的結(jié)果，包括彎矩圖、剪力圖、鋼筋布置圖，連計(jì)算書都是自動(dòng)生成。如果學(xué)生對(duì)巖土的基本性質(zhì)不夠了解、對(duì)軟件所依據(jù)的計(jì)算模型不夠了解，他們往往迷信這些電算結(jié)果的精確性，認(rèn)為它是萬能的，可以處理幾乎所有的工程問題。比如某位學(xué)生的計(jì)算書中，普通的黏性土坡，穩(wěn)定系數(shù)竟然是好幾萬。這顯然是計(jì)算錯(cuò)誤，可能是參數(shù)的輸入出現(xiàn)問題，而學(xué)生對(duì)此結(jié)果卻缺少敏銳的糾錯(cuò)能力。盲目信賴電算結(jié)果，不作進(jìn)一步的分析，在實(shí)際工程中可能導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)，或者出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)失誤。

因此，我們提出要在教學(xué)中加強(qiáng)手算訓(xùn)練。因?yàn)槭炙阍谟?jì)算過程中有明確的計(jì)算理論、計(jì)算模型，以及相應(yīng)的計(jì)算方法和步驟，便于檢查，易于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

三、教學(xué)中加強(qiáng)手算能力訓(xùn)練的措施

巖土工程相對(duì)其他土建類的專業(yè)而言，顯得更為龐雜，而且隨著時(shí)代發(fā)展被不斷賦予新內(nèi)容。以前只是淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，后來樁基大量使用使得樁基設(shè)計(jì)也要掌握；高層建筑帶來的深基坑開挖，使基坑支護(hù)計(jì)算成為必須掌握內(nèi)容；開山造路則要求邊坡加固；現(xiàn)在城市發(fā)展地下空間，又要求計(jì)算地下結(jié)構(gòu)。這些內(nèi)容都有大量的計(jì)算方法可學(xué)，而課時(shí)有限，只能是挑最主要也是工程中最常用的來進(jìn)行教學(xué)。我們從下面四個(gè)方面來加強(qiáng)學(xué)生手算能力訓(xùn)練:

1.夯實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)

不僅巖土工程，整個(gè)大土木專業(yè)學(xué)習(xí)都依賴于堅(jiān)實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)。巖土工程中的計(jì)算，很多力學(xué)模型都是在力學(xué)課程中需要掌握的。比如，基坑支護(hù)的靜力平衡法和等值梁法，就是結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容；基坑支護(hù)的土抗力法，就是矩陣位移法的內(nèi)容。力學(xué)基礎(chǔ)打好，才可以對(duì)手算中所用的計(jì)算方法有深入理解，才可以在電算中正確選用計(jì)算軟件、正確分析電算結(jié)果。我們從培養(yǎng)大綱上對(duì)學(xué)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，與力學(xué)教研室教師溝通，保證力學(xué)課時(shí)滿足后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)需要。力學(xué)教學(xué)中，不求計(jì)算精確，而更側(cè)重于力學(xué)模型的正確判斷。

2.在課堂大作業(yè)中突出手算訓(xùn)練

在專業(yè)課教學(xué)中，教師不能滿足于概論式的介紹，而要深入技術(shù)核心，要讓學(xué)生掌握計(jì)算方法。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過課堂大作業(yè)的方式，對(duì)學(xué)生的手算訓(xùn)練很有裨益。比如，邊坡穩(wěn)定分析中的“傳遞系數(shù)法”，由于該方法的實(shí)用性，在實(shí)際工程中經(jīng)常被采用。而該方法計(jì)算參數(shù)較多，學(xué)生如果自己不做過一遍，難以理解這個(gè)計(jì)算式，因此在課堂上留出部分時(shí)間讓學(xué)生完成例題的手算是必要的。再比如地基沉降計(jì)算的分層總和法，計(jì)算步驟較多，學(xué)生要扎實(shí)掌握這方法，也要?jiǎng)邮肿鲞^一遍。課堂大作業(yè)的優(yōu)勢在于，學(xué)生計(jì)算過程中有問題可以通過討論得到解決，而教師可以很準(zhǔn)確地了解學(xué)生對(duì)問題的掌握程度。

3.課程設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)手算訓(xùn)練

我們開設(shè)有專門的“巖土工程軟件應(yīng)用”課程，對(duì)學(xué)生電算能力的訓(xùn)練是比較系統(tǒng)的，因此在課程設(shè)計(jì)中主要強(qiáng)調(diào)手算訓(xùn)練，而不強(qiáng)調(diào)應(yīng)用電算。課程設(shè)計(jì)是專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用，受學(xué)時(shí)所限，設(shè)計(jì)題目應(yīng)該典型，一定要適合手算復(fù)核，讓學(xué)生通過做課程設(shè)計(jì)，了解實(shí)際巖土工程的計(jì)算步驟流程，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。適合作為課程設(shè)計(jì)的題目如樁基設(shè)計(jì)計(jì)算、基坑支護(hù)計(jì)算等。

4.畢業(yè)設(shè)計(jì)電算手算相結(jié)合

由于巖土工程強(qiáng)調(diào)地質(zhì)區(qū)域性的特點(diǎn)，這和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，因此我們畢業(yè)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格實(shí)行“一人一題”，并且和學(xué)生的畢業(yè)實(shí)習(xí)聯(lián)系起來。學(xué)生在5周的畢業(yè)實(shí)習(xí)中，從實(shí)習(xí)單位收集相關(guān)的地質(zhì)工程資料，在12周的畢業(yè)設(shè)計(jì)中根據(jù)這些資料進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)論文要求電算與手算相結(jié)合。比如同一基坑設(shè)計(jì)中可能要采用多種支護(hù)方法，這就要求學(xué)生對(duì)各種支護(hù)方式的計(jì)算理論和技術(shù)規(guī)范比較熟悉，會(huì)使用計(jì)算軟件如理正或MIDAS等進(jìn)行電算，再用手算進(jìn)行復(fù)核比較。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

1.在校生的評(píng)教

加強(qiáng)手算訓(xùn)練的課程，得到較高的評(píng)價(jià)，如“邊坡加固”、“高層建筑地基基礎(chǔ)”評(píng)分在90分以上。這可能是因?yàn)閷W(xué)生認(rèn)為掌握了詳細(xì)的計(jì)算方法，而且經(jīng)過自己親自計(jì)算，有“成就感”。也有部分學(xué)生反映，由于加強(qiáng)了手算訓(xùn)練，“很有壓力”，因?yàn)樗麄儾荒芡ㄟ^死記硬背來通過考試，而要憑扎實(shí)熟練的計(jì)算能力。這些課程采用開卷考試，但沒有學(xué)生會(huì)提前交卷，因?yàn)橹攸c(diǎn)考核學(xué)生計(jì)算能力，計(jì)算量較大。

2.畢業(yè)生的訪談

對(duì)已畢業(yè)參加工作的學(xué)生訪談，他們大都認(rèn)為手算訓(xùn)練對(duì)較快適應(yīng)工作崗位有很大幫助，尤其在參加注冊巖土工程師考試中得到體現(xiàn)。同時(shí)，他們也提出學(xué)校開設(shè)的部分課程存在“概論化”的傾向，沒有講授相應(yīng)的計(jì)算方法，更談不上手算訓(xùn)練，這些內(nèi)容畢業(yè)后只能靠自己補(bǔ)課，希望能夠改進(jìn)。

3.用人單位的反饋意見

用人單位反饋意見認(rèn)為較優(yōu)秀的我校畢業(yè)生，很快可以上手，力學(xué)概念清晰，有的甚至很快就“挑大梁”，得到工作單位的一致好評(píng)。但有些學(xué)生則顯得訓(xùn)練不夠，缺少工程師基本的計(jì)算能力。

五、結(jié)束語

巖土工程專業(yè)的學(xué)生過分依賴于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，手算能力偏弱，這對(duì)于他們畢業(yè)后的進(jìn)一步發(fā)展不利。我們在教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生手算能力訓(xùn)練，從學(xué)生及用人單位的反饋意見表明具有一定成效，但是還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

[1] 曹丹平.勘查技術(shù)與工程專業(yè)計(jì)算機(jī)課程教育模式的研究與實(shí)踐[J].中國地質(zhì)教育，2010，(2):61-63.

[2] 高大釗.關(guān)于巖土力學(xué)新分析方法的回顧與思考[J].工業(yè)建筑，2006，36(l):58-61.

[3] 趙成剛.土力學(xué)的現(xiàn)狀及其數(shù)值分析方法中某些問題的討論[J].巖土力學(xué)，2006，27(8):1361-1364.

[4] 王新華.建筑結(jié)構(gòu)電算結(jié)果的合理性判斷[J].湖南城建高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，11(3):12-14.

[5] 林伊方，徐志恒，沈漢樺，等.基坑支護(hù)設(shè)計(jì)若干問題的研究與探討[J].工程質(zhì)量，2002，(4):41-45.

[6] 李永梅，孫國富，董崢，等.結(jié)構(gòu)電算在土木工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2009，18(5):112-115.

Research and Practice of Improving Calculating Ability of Geotechnical Engineering Students

CHEN Guo-zhou, QIAN Xiao-li, ZHANG Jian-xun
Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China

Computers have been applied widely in geotechnical engineering.The ability of students to apply computer have been improved high, but their calculating ability on hand is weaken.Some methods are used to improve the calculating ability on hand of students.The methods include raising mechanics course quality, emphasizing calculating ability on hand in course homework and course design, and combining computer software and calculate ability on hand in thesis.

geotechnical engineering; high education; calculating ability

G642

A

1006-9372 (2011）02-0093-03

2011-02-02。

中國建設(shè)教育協(xié)會(huì)項(xiàng)目(200904）；福建工程學(xué)院教研項(xiàng)目 (GJ-K-08-14)。

陳國周，男，副教授，從事巖土工程教學(xué)與應(yīng)用工作。