夏英杰 趙丹晨 唐春安 梁正召 張永彬

摘要：新冠肺炎疫情背景下，為保障師生生命健康安全，教育部下發(fā)了“停課不停教、停課不停學(xué)”的教學(xué)指導(dǎo)意見(jiàn)。針對(duì)疫情期間高校實(shí)驗(yàn)課程線(xiàn)上教學(xué)難度大、學(xué)生參與率低、學(xué)習(xí)效果差等問(wèn)題，提出了基于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的高校實(shí)驗(yàn)課創(chuàng)新教學(xué)方法。該方法有效地解決了工學(xué)實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程枯燥乏味問(wèn)題，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率;通過(guò)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)數(shù)值計(jì)算軟件的學(xué)習(xí)與操作，有效地提高了學(xué)生認(rèn)識(shí)和解決工程問(wèn)題的能力;通過(guò)對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的總結(jié)，提高了學(xué)生的科研素質(zhì)，為其科研道路發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新冠肺炎疫情;工學(xué);數(shù)值計(jì)算;云平臺(tái);教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：TU45;G642.0?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1005-2909（2022）03-0188-10

2020年1月，新冠肺炎疫情暴發(fā)并向全國(guó)蔓延，疫情呈現(xiàn)傳播速度快、傳染性強(qiáng)以及波及范圍廣等特點(diǎn)。為解決疫情期間高等學(xué)校學(xué)生課程學(xué)習(xí)問(wèn)題，教育部于2020年2月5日印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線(xiàn)教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求在政府主導(dǎo)、高校主持、社會(huì)參與的努力下，共同實(shí)施并保障高等學(xué)校在疫情防控期間線(xiàn)上教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[1]。

在對(duì)教育部指導(dǎo)意見(jiàn)貫徹過(guò)程中，許多高校教師針對(duì)相關(guān)課程特點(diǎn)，開(kāi)啟了廣泛的線(xiàn)上教學(xué)活動(dòng)，并對(duì)線(xiàn)上教學(xué)方式、方法進(jìn)行改革，取得了較好的教學(xué)效果。例如，左秋娟等[2]通過(guò)分析目前網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)形式，對(duì)西藏地區(qū)的線(xiàn)上教學(xué)模式進(jìn)行了深入調(diào)研，提出了構(gòu)建教育云平臺(tái)的設(shè)想;張輝等[3]系統(tǒng)分析了目前成人高等學(xué)歷教育所存在的問(wèn)題，提出了網(wǎng)絡(luò)教育、業(yè)余教育與函授教育相融合模式，在混合培養(yǎng)方式的基礎(chǔ)上搭建了在線(xiàn)教育云平臺(tái)，極大地促進(jìn)了成人高等學(xué)歷教育的進(jìn)步與發(fā)展;黃文敏[4]認(rèn)為在教育云平臺(tái)的建設(shè)過(guò)程中，教師資源整合十分重要，需要將傳統(tǒng)教師轉(zhuǎn)化為云系統(tǒng)線(xiàn)上教師;王輝等[5]針對(duì)二維碼容量小以及信息滯后等問(wèn)題，構(gòu)建了基于數(shù)字活碼技術(shù)的高校教育云平臺(tái)，采用該平臺(tái)可方便獲取相關(guān)教育信息，對(duì)教育云平臺(tái)的相關(guān)服務(wù)實(shí)現(xiàn)了有效管理;覃健誠(chéng)等[6]構(gòu)建了采用雙層虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的“慧眼云”技術(shù)，通過(guò)對(duì)該技術(shù)在廣東地區(qū)試點(diǎn)的應(yīng)用情況分析，證明了相關(guān)技術(shù)的有效性;馬良棟等[7]提出了BIM研究與實(shí)踐創(chuàng)新云服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)思路，并總結(jié)了BIM研究與實(shí)踐創(chuàng)新云平臺(tái)的建設(shè)方案，為BIM技術(shù)納入建筑與土木工程專(zhuān)業(yè)的課程體系提供借鑒;劉國(guó)光等[8]開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)，建立了機(jī)場(chǎng)道面損傷狀況動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，方便本科生識(shí)別道面損傷類(lèi)型、評(píng)判道面損傷程度等。

線(xiàn)上教育開(kāi)展主要涉及教師、學(xué)生以及教學(xué)平臺(tái)三個(gè)主體[9]，其中教師和學(xué)生分別是線(xiàn)上教育的主體和客體，而線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)則是連接主體與客體的直接“橋梁”。高校工學(xué)巖石力學(xué)以及高等巖石力學(xué)課程作為土建類(lèi)本科及研究生的重要基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、涉及相關(guān)概念多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論課程作為巖石力學(xué)專(zhuān)業(yè)中理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有重要作用[11]。然而，目前巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在以下不足，且在疫情背景下呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為以下幾方面：（1）疫情背景下，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程由于無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，一些高校雖然采用錄制課件方式進(jìn)行，但由于教與學(xué)過(guò)程缺少及時(shí)交流，

使學(xué)生不能及時(shí)理解

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的知識(shí)內(nèi)容，教學(xué)效果較差;（2）學(xué)生數(shù)量大，且由于巖石力學(xué)試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，成本較高，無(wú)法滿(mǎn)足每個(gè)學(xué)生單獨(dú)操作試驗(yàn)機(jī)的機(jī)會(huì)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中主要靠實(shí)驗(yàn)教師講解與操作演示[12];（3）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證為主，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為經(jīng)典曲線(xiàn)，缺少創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本雷同;（4）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，物理演示實(shí)驗(yàn)雖然直觀(guān)，但巖石試件在破壞過(guò)程中的應(yīng)力、位移、能量等信息無(wú)法直觀(guān)顯示，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解不深。

數(shù)值仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)是近些年以電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)興起的相關(guān)技術(shù)。其中，數(shù)值仿真技術(shù)基于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)對(duì)有限元等數(shù)值計(jì)算方法、圖像處理技術(shù)與方法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程、物理等問(wèn)題的直觀(guān)研究。 云計(jì)算技術(shù)以并行處理技術(shù)、分布式處理技術(shù)以及網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)應(yīng)用軟件和虛擬仿真相關(guān)技術(shù)組成新型基礎(chǔ)架構(gòu)[13]。云計(jì)算技術(shù)的本質(zhì)在于采用虛擬化的技術(shù)和面向用戶(hù)的架構(gòu)模式，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群資源及其處理能力進(jìn)行整合，進(jìn)而為用戶(hù)提供安全、有效、便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)[14]。云計(jì)算技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于任何地方用戶(hù)，都可以利用網(wǎng)絡(luò)終端對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)在高校巖石力學(xué)相關(guān)課程中應(yīng)用。一方面，不僅可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室演示實(shí)驗(yàn)中的直觀(guān)顯示問(wèn)題，而且還可以避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的多次重復(fù)，進(jìn)而降低實(shí)驗(yàn)成本，并極大提高學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)與參與度;另一方面，

在云平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)值仿真的過(guò)程中，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，可以降低數(shù)值仿真軟件對(duì)硬件設(shè)備的要求，解決普通個(gè)人電腦無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)值仿真計(jì)算和疫情期間高等學(xué)校巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)上課難的問(wèn)題。因此，本文通過(guò)對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的綜合應(yīng)用實(shí)踐，探討基于高校工學(xué)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的創(chuàng)新教學(xué)方法，旨在為相關(guān)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供參考。

一、基于數(shù)值仿真軟件的高校工學(xué)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)

（一）數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

在結(jié)構(gòu)組成上，數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)主要包括數(shù)值計(jì)算軟件和云計(jì)算平臺(tái)兩部分。其中，數(shù)值計(jì)算軟件根據(jù)所采用的計(jì)算方法，可以分為有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、流行元法、拉格朗日法、不連續(xù)變形法以及無(wú)網(wǎng)格法等。相比個(gè)人電腦端的數(shù)值計(jì)算軟件程序，安裝在數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的數(shù)值計(jì)算軟件需滿(mǎn)足相應(yīng)的平臺(tái)環(huán)境配置，具體則視不同數(shù)值計(jì)算軟件的運(yùn)行環(huán)境而定。云計(jì)算平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，主要包括應(yīng)用層、平臺(tái)層、資源層、管理層與用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層五種，如圖1所示。其中，資源層是將大量相同或相近類(lèi)型的資源，構(gòu)成相同結(jié)構(gòu)或者近似相同結(jié)構(gòu)的資源池，如數(shù)據(jù)資源池、物理資源池等;平臺(tái)層可以為用戶(hù)提供對(duì)資源層相關(guān)服務(wù)的封裝，并在此基礎(chǔ)上使用戶(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各功能

的應(yīng)用;應(yīng)用層可以為用戶(hù)提供軟件使用服務(wù);管理層可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有層次云計(jì)算平臺(tái)的管理功能，如安全管理、服務(wù)目錄管理、服務(wù)使用計(jì)量、服務(wù)使用管理、部署管理以及運(yùn)行監(jiān)控等;用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層可以為用戶(hù)提供云計(jì)算所需的各種支撐體系，針對(duì)不同層次的云計(jì)算服務(wù)提供相應(yīng)需要的接口。

云計(jì)算平臺(tái)的本質(zhì)在于以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，對(duì)相應(yīng)用戶(hù)提供計(jì)算服務(wù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件與云計(jì)算平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算軟件在云計(jì)算平臺(tái)中的功能搭載，和對(duì)數(shù)值計(jì)算軟件的云應(yīng)用。

（二）RFPA數(shù)值計(jì)算軟件

真實(shí)巖石破裂過(guò)程數(shù)值計(jì)算分析系統(tǒng)（Realistic Failure Process Analysis，RFPA），是基于有限元計(jì)算方法與統(tǒng)計(jì)損傷理論，在充分考慮巖石材料的非均勻性和巖體結(jié)構(gòu)缺陷隨機(jī)性的基礎(chǔ)上，將巖體材料相關(guān)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)與有限元數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合[15，16]。在力學(xué)邊界條件的加載下，對(duì)滿(mǎn)足相應(yīng)強(qiáng)度準(zhǔn)則的有限元單元進(jìn)行破壞處理，使得具有非均勻性特征材料的破壞過(guò)程能夠以數(shù)值仿真的方法得以實(shí)現(xiàn)。由于RFPA數(shù)值計(jì)算方法考慮到巖體材料的非均勻特性，使其能夠解決巖土工程中多數(shù)模擬軟件無(wú)法進(jìn)行破壞模擬的問(wèn)題，如巖體邊坡失穩(wěn)、隧洞開(kāi)挖、水工高壩安全穩(wěn)定性分析等。

RFPA系列數(shù)值計(jì)算軟件，在解決以上巖體工程相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，更為直觀(guān)地呈現(xiàn)巖體相關(guān)模型在加卸載等力學(xué)邊界條件下的破壞過(guò)程，加深了學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)課程中理論知識(shí)的理解[17]。此外，基于RFPA數(shù)值計(jì)算軟件，不同研究問(wèn)題方面已有大量相關(guān)“可視化”研究成果，這些成果可直接應(yīng)用于對(duì)巖石力學(xué)相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)成果的輔助教學(xué)。將RFPA數(shù)值計(jì)算軟件與云計(jì)算平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)RFPA數(shù)值計(jì)算軟件在云計(jì)算平臺(tái)上的搭載，可以使學(xué)生在疫情期間及正常教學(xué)期間完成對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。通過(guò)登錄云計(jì)算平臺(tái)，解決普通個(gè)人電腦端對(duì)于數(shù)值計(jì)算模型單元數(shù)量受限的問(wèn)題，使學(xué)生在疫情期間對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)課程學(xué)習(xí)能夠

擺脫時(shí)間、空間、設(shè)備、硬件等條件限制。學(xué)生個(gè)體依托云平臺(tái)進(jìn)行RFPA數(shù)值計(jì)算模擬，使巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有參與化、去地域化、直觀(guān)化等特點(diǎn)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。

二、基于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的教學(xué)方法改進(jìn)——以云平臺(tái)RFPA 3D為例

（一）教學(xué)方法創(chuàng)新思路

新冠疫情背景下，基于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的教學(xué)改革總體思路，如圖2所示。首先，通過(guò)線(xiàn)上課堂教學(xué)，分別對(duì)高校工學(xué)巖石力學(xué)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查情況、巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)方法、云平臺(tái)數(shù)值試驗(yàn)方法以及相關(guān)學(xué)科的交叉融合知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行介紹，目的是讓學(xué)生了解巖石力學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容，并對(duì)巖石力學(xué)課程有一定的總體認(rèn)識(shí)。其次，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)基本試驗(yàn)，對(duì)巖石力學(xué)課程中巖石單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)等進(jìn)行演示。疫情期間直接開(kāi)展巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)的教學(xué)難度較大，可以采用錄制+講解的方法，提前給出相關(guān)試驗(yàn)的要點(diǎn)。再次，

采用視頻教學(xué)加云平臺(tái)上機(jī)操作相結(jié)合的方式，開(kāi)展基于巖石力學(xué)理論模型讓學(xué)生開(kāi)展云平臺(tái)巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)。通過(guò)不斷改變數(shù)值試驗(yàn)中模型的邊界條件、幾何條件以及力學(xué)參數(shù)等，在對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上得到云平臺(tái)數(shù)值計(jì)算所需計(jì)算參數(shù)。最后，根據(jù)巖土、采礦工程學(xué)科工程實(shí)際，基于云平臺(tái)數(shù)值試驗(yàn)方法所獲取的巖石力學(xué)參數(shù)，對(duì)具體工程問(wèn)題進(jìn)行模型建立，根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，并給出具體工程指導(dǎo)。

在以上教學(xué)方法創(chuàng)新思路中，云平臺(tái)巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)與具體工程問(wèn)題分析是教學(xué)方法的要點(diǎn)。通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)與線(xiàn)上教學(xué)方法的結(jié)合，使學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的結(jié)果，對(duì)巖土工程相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，加深學(xué)生對(duì)巖土工程實(shí)際問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，達(dá)到對(duì)巖石力學(xué)知識(shí)理解與掌握的目的。

（二）數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)使用方法——以云平臺(tái)RFPA 3D為例

數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)使用主要包括云平臺(tái)登錄和RFPA 3D數(shù)值計(jì)算軟件應(yīng)用兩個(gè)方面。對(duì)于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，首先需登陸云數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，并安裝圖形插件。在平臺(tái)下載中心，根據(jù)自己的操作系統(tǒng)選擇相關(guān)的圖形插件進(jìn)行下載與安裝。圖形插件下載安裝后，點(diǎn)擊連接即可登錄至數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)，然后開(kāi)始數(shù)值建模、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理以及分析等工作，所建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

對(duì)于RFPA 3D數(shù)值計(jì)算軟件的基本原理與具體使用，可以參考RFPA 3D云平臺(tái)用戶(hù)手冊(cè)（中文版），在這里不再進(jìn)行贅述[18]。

（三）數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)使用指導(dǎo)

在新冠肺炎疫情期間，為加強(qiáng)對(duì)學(xué)生數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)指導(dǎo)，建立了相關(guān)線(xiàn)上交流群，對(duì)學(xué)生在云平臺(tái)數(shù)值計(jì)算學(xué)習(xí)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)答疑。在問(wèn)題的解決過(guò)程中加深學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)課程基本概念、數(shù)值計(jì)算方法的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，真正實(shí)現(xiàn)“停課不停學(xué)”的教學(xué)目的。

三、高校工學(xué)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)教學(xué)效果評(píng)析

（一）以數(shù)值試驗(yàn)方法加強(qiáng)探索式學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)巖石力學(xué)課程教學(xué)中，主要通過(guò)單/三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)以及彎曲試驗(yàn)等方法的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)建立相關(guān)理論模型與破壞準(zhǔn)則。然而，這些經(jīng)典理論和判斷準(zhǔn)則，大多數(shù)以數(shù)學(xué)公式的形式進(jìn)行展現(xiàn)，其學(xué)習(xí)過(guò)程極為枯燥，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在巖石力學(xué)理論課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，開(kāi)展RFPA 3D數(shù)值試驗(yàn);通過(guò)數(shù)值計(jì)算模型的建立，將巖石試樣從微破裂至宏觀(guān)破壞的過(guò)程顯現(xiàn)出來(lái)，并具體給出巖石試樣在破壞過(guò)程中的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。

在對(duì)云平臺(tái)基本數(shù)值計(jì)算方法掌握的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變不同的巖石試樣幾何模型、力學(xué)邊界條件、巖石基本力學(xué)參數(shù)以及非均勻性程度，開(kāi)展無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案的巖石力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)，

避免了學(xué)生課后作業(yè)完成過(guò)程中互相抄襲的問(wèn)題，改善了學(xué)生課后學(xué)習(xí)效果。另外，通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn)，有效地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)巖石在破壞過(guò)程中的相關(guān)機(jī)理理解。

（二）數(shù)值試驗(yàn)方法與巖體工程實(shí)際相結(jié)合

巖石力學(xué)相關(guān)理論方法以及解決問(wèn)題的目的都來(lái)源于具體工程實(shí)踐，在不斷改進(jìn)和完善的基礎(chǔ)上，對(duì)其他工程建設(shè)起到指導(dǎo)作用。因此，在巖石力學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中，要注意將巖石力學(xué)理論與工程實(shí)際相結(jié)合，幫助學(xué)生增強(qiáng)對(duì)工程中“巖體”相關(guān)概念的認(rèn)知，使巖石力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)際緊密結(jié)合。針對(duì)巖石力學(xué)課程與油氣開(kāi)發(fā)、工程地質(zhì)、巖土工程、采礦工程等相關(guān)學(xué)科及工程實(shí)際的結(jié)合點(diǎn)，通過(guò)云平臺(tái)數(shù)值試驗(yàn)可以獲得水力壓裂、采場(chǎng)、邊坡等工程在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞過(guò)程，如圖5所示。學(xué)生在此過(guò)程中，可以清晰地觀(guān)察石油開(kāi)采過(guò)程中水力壓裂裂縫的萌生、貫通、擴(kuò)展以及延伸過(guò)程，并且能夠模擬出巖體能量場(chǎng)演化過(guò)程，這些都是在傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程上難以進(jìn)行并觀(guān)測(cè)的。同時(shí)，學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)于工程實(shí)際模型及力學(xué)邊界條件的掌握情況，對(duì)更加復(fù)雜的工程問(wèn)題進(jìn)行模型建立和力學(xué)邊界條件加載，從而進(jìn)行更為深入的數(shù)值試驗(yàn)，最終達(dá)到指導(dǎo)工程的目的。

巖石力學(xué)課程與水電工程建設(shè)密切相關(guān)。例如，在白鶴灘水電站的壩基、給水洞、排水洞等關(guān)鍵工程部位都廣泛分布有柱狀節(jié)理巖體，如圖6所示[19，20]。由于柱狀節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)特殊性，使其具有明顯的各向異性特征，了解和掌握柱狀節(jié)理巖體的相關(guān)力學(xué)特性對(duì)于水電站的設(shè)計(jì)、施工及安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)都具有十分重要的意義。另外，如此大規(guī)模的工程建設(shè)，所遇到的巖石力學(xué)問(wèn)題眾多，則是進(jìn)行巖石力學(xué)課程教學(xué)的優(yōu)秀案例。

然而，由于白鶴灘水電站遠(yuǎn)在四川省與云南省的交界處，且路程艱險(xiǎn)，無(wú)法要求學(xué)生到達(dá)工程現(xiàn)場(chǎng)，讓學(xué)生切身感受工程建設(shè)的壯觀(guān)及其在建設(shè)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，可以使學(xué)生真正了解相關(guān)工程建設(shè)，如白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖除具有玄武巖柱體以及柱間節(jié)理面等結(jié)構(gòu)外，還具有廣泛分布的緩傾角結(jié)構(gòu)面以及隱微裂隙等知識(shí)內(nèi)容[21]。一般對(duì)于天然柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室物理試驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算方法，都是將柱狀節(jié)理巖體簡(jiǎn)化為規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此所得到的力學(xué)特性及其變化規(guī)律與巖體實(shí)際會(huì)有所不同[22，23]。

另外，通過(guò)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，還可以建立基于不同結(jié)構(gòu)的柱狀節(jié)理巖體模型。如圖7所示，分別基于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)建立含隱微裂隙結(jié)構(gòu)的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體模型、不含隱微裂隙結(jié)構(gòu)的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體模型以及柱狀節(jié)理巖體概化模型，通過(guò)對(duì)比三種數(shù)值模型在相同力學(xué)邊界條件下的破壞模式及聲發(fā)射特征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)柱狀節(jié)理巖體的破壞模式及聲發(fā)射特征的探討，分析影響巖體破壞模式的主要原因，進(jìn)而為工程建設(shè)提供針對(duì)性建議。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，將高校工科巖石力學(xué)的教學(xué)與具體工程實(shí)踐相結(jié)合，大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)提高了學(xué)生對(duì)于巖體力學(xué)相關(guān)工程問(wèn)題的認(rèn)識(shí)與理解，從而改善了巖石力學(xué)課程教學(xué)效果。

（三）通過(guò)課程學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力

教學(xué)與科研共同提高、相互促進(jìn)是高?？蒲信c教育發(fā)展的永恒主題。以科研促進(jìn)教學(xué)、以教學(xué)培養(yǎng)人才是“雙一流”建設(shè)的重要指標(biāo)。在教學(xué)過(guò)程中，充分利用數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)及其他相關(guān)設(shè)備，將最新的科學(xué)研究成果或者工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、物理試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算科研成果融合于課堂教學(xué)，特別是在疫情背景下通過(guò)線(xiàn)上課堂的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行講授與演示，則為高校工科巖石力學(xué)相關(guān)課程提供新的教學(xué)方法、注入新的活力，提高學(xué)生對(duì)于課程學(xué)習(xí)的熱情，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，進(jìn)而增強(qiáng)了學(xué)生在工程實(shí)踐方面的創(chuàng)造性思維和以科學(xué)研究角度進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的能力。

對(duì)于石油開(kāi)采中砂巖層和泥巖層水力壓裂的問(wèn)題，在前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了不同殘余強(qiáng)度系數(shù)條件下砂巖和泥巖巖芯在單軸壓縮條件下的數(shù)值試驗(yàn)，利用云數(shù)值計(jì)算平臺(tái)獲取砂巖和泥巖巖芯的破壞過(guò)程及應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，以研究不同種類(lèi)巖石材料的特征強(qiáng)度及破壞過(guò)程，為不同巖層油氣開(kāi)采的水力壓裂施工提供指導(dǎo)，部分?jǐn)?shù)值試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在云平臺(tái)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)目前水力壓裂過(guò)程的前沿問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)查找資料、閱讀文獻(xiàn)，將數(shù)值試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通與破壞整個(gè)演化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述，進(jìn)而對(duì)巖芯在破壞過(guò)程中的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。另外，鼓勵(lì)學(xué)生將所研究發(fā)現(xiàn)的成果以科研論文的形式進(jìn)行發(fā)表，可極大地提高學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)與水平。

由于基于RFPA系列數(shù)值計(jì)算軟件的云計(jì)算平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性高等特點(diǎn)，對(duì)于巖石力學(xué)和高等巖石力學(xué)等課程中的多數(shù)試驗(yàn)，都可以在該平臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)教學(xué)。在新冠疫情期間，該數(shù)值計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)在大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、成都理工大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等高校使用，教學(xué)效果顯著。

四、結(jié)語(yǔ)

新冠肺炎疫情期間，針對(duì)高校工科實(shí)驗(yàn)課程線(xiàn)上教學(xué)所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效率低、理解難度大以及教學(xué)效果差等難題，利用云數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，對(duì)疫情背景下巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)方法進(jìn)行了思考和創(chuàng)新，并付諸實(shí)踐，取得了較好教學(xué)效果。

（1）基于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的高校工學(xué)巖石力學(xué)教學(xué)新方法，通過(guò)疫情期間實(shí)踐驗(yàn)證，證明該方法可以有效解決巖石力學(xué)線(xiàn)上理論課枯燥乏味的問(wèn)題，極大地提高了學(xué)生的參與度，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率有效提高，保證了疫情期間“停課不停學(xué)”的教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，云平臺(tái)的簡(jiǎn)易操作特性也使其在相關(guān)高校進(jìn)行線(xiàn)上教學(xué)實(shí)踐成為可能。

（2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)的使用，使工學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程與工程建設(shè)、物理試驗(yàn)相結(jié)合，解決了傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程以演示為主，無(wú)法滿(mǎn)足所有學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)數(shù)值計(jì)算軟件的實(shí)際操作，極大地提高了學(xué)生認(rèn)識(shí)、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

（3）在云計(jì)算平臺(tái)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)相關(guān)工程中存在的具體問(wèn)題進(jìn)行探索，并將探索結(jié)果以科研論文的形式進(jìn)行發(fā)表，極大地提高了學(xué)生的科研素質(zhì)與科研水平，為其科研道路發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：

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The innovation of teaching method based on cloud computing

platform under the background of COVID-19 epidemic

XIA Yingjie1， ZHAO Danchen1， TANG Chun’an1， LIANG Zhengzhao1， ZHANG Yongbin2

（1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology，

Dalian 116024， P. R. China; 2. Dalian Mechsoft Co.， Ltd.， Dalian 116000， P. R. China）

Abstract：

Under the background of COVID-19 epidemic， to protect the health and safety of teachers and students， the Ministry of Education issued the guidance on “classes suspended but learning continues”. In view of the problems such as the difficulty of online teaching， the low participation of students and the poor learning effect of experimental courses in colleges and universities， the innovative teaching method of experimental courses in colleges and universities based on the cloud platform of numerical calculation is proposed. The method solves the boring problems of engineering experimental courses during the epidemic period effectively， and improves students’ interest and learning efficiency. Through the actual operation of the cloud computing platform and numerical calculation software， it improves students’ ability to understand and solve engineering practical problems. In addition， based on the summary of engineering practical problems， it improves students’ scientific research quality and lays a good foundation for the development of their scientific research path.

Key words：

COVID-19 epidemic; engineering; numerical simulation; cloud computing platform; teaching mode

（責(zé)任編輯 崔守奎）