阿发友，严世群，杨丽英

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

引言

近年来，研究生课程建设越来越受到教育部门的关注和重视，教育部相继出台多个文件关注研究生课程建设和改革。2013年发布了《关于深化研究生教育改革的意见》（教研〔2013〕1号），2014年发布了《教育部关于改进和加强研究生课程建设的意见》，2018年发布了《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》（教研〔2018〕5号）。在教育部相继发布的意见中，明确要求推进研究生课程改革，提高课程质量，重视课程教学在研究生培养中的作用。在相关意见的指导下，各省市教育主管部门高度重视和落实，各高校以培养研究生创新能力为目标，结合行业特色背景，加强推进高校研究生优质课程建设［1-4］。

2020 年，云南省研究生优质课程建设项目获批立项175 项，昆明理工大学47 门课程获批云南省研究生优质课程建设项目，其中地质工程专业研究生课程“地质工程数值模拟”入选建设项目，该课程经过2 年的建设，取得了较好的教学效果。

一、“地质工程数值模拟”课程教学的必要性和特殊性

（一）必要性

岩土是一种材料，也是一种地质体，它具有非连续、非均匀和非线性特性及复杂的加载条件和边界条件，这使得地质工程问题的分析计算通常无法简单求解。尤其在钢筋砼结构力学计算、土压力计算、挡土墙计算、堤坝计算、地基承载力计算、最终沉降量计算、基坑设计、边坡设计计算、桩基础、锚杆的设计、地铁、隧道工程、地下洞室、矿山开采等都涉及大量的复杂运算问题，这些复杂运算中均存在以下难题：（1）有很多问题无法建立解析方程，即使建立了解析方程，也无法求得解析解；（2）试验方法费时费力，同时受地形、地质和施工条件限制，实验结果不具代表性；（3）有很多无法或很难进行试验等。

近年来，我国各类工程建设如火如荼，300米级高坝、500米级高边坡、10千米以上深埋长隧道、西部地形急变带及极端条件下的交通工程、长距离跨流域调水、跨海大桥、跨海峡隧道等大型和巨型工程建设在我国屡见不鲜，面临的地质工程问题也复杂多样。数值模拟的作用在分析解决这些地质工程问题中逐渐凸显，它不但能模拟岩体复杂结构特性，进行工程地质条件的定量化及岩土体赋存环境的模拟，还能进行工程动力地质现象及过程的模拟研究、工程岩土体应力场和位移场的分析和岩土体稳定性的模拟。因此，对于地质工程专业研究生培养，“地质工程数值模拟”课程教学是非常必要的，是从事地质工程相关科研和生产实践的重要工具［5］。

（二）特殊性

“地质工程数值模拟”课程在众多研究生课程体系中有其特殊性，主要体现在以下几个方面：（1）地学是基础。作为本专业的学生，扎实的地学基础是学好“地质工程数值模拟”课程的基础。首先，对地质体本身的认识正确与否是建立地质模型的关键，关系到为后续数值模拟模型的建立提供符合实际的几何模型、岩土参数及分区、荷载条件和边界条件；其次，扎实的地学专业基础是分析解释模拟结果的保证，学习本课程需要结合地貌学、矿物岩石学、构造地质学、水文地质学、土力学、岩石力学、工程地质分析原理等学科知识，合理解释模拟结果。（2）软件是手段。各种商业软件是实现地质工程数值模拟的手段，随着数学、基础力学和计算机科学技术的发展，各种工程数值模拟商业软件也层出不穷。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法包括有限单元法（ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC）、边界元法（Examine2D、Examine3D）、离散单元法（UDEC、3DEC、PFC）、有限差分法（FLAC3D、FLAC2D）等。各种方法各有优劣，适用条件也各有不同，可依据地质体的材料特性选取适合的模拟软件。例如，结构小变形等分析计算可选用有限单元法软件，均质材料和线性性态情况可选用边界元法软件，非连续介质模拟可选用离散单元法软件，有限差分法为专门的岩土工程模拟软件。（3）综合性强。“地质工程数值模拟”课程是一门综合性很强的课程，不但需要扎实的力学基础和地学专业基础，还需要依靠计算机和软件等现代技术手段进行综合分析和处理，任何一个环节薄弱，都可能给课程的学习带来很多困难。

二、“地质工程数值模拟”课程建设存在的问题

虽然“地质工程数值模拟”研究生课程建设在以往已经取得了一些成果，但由于各个学校生源和本科教学环节的差异，目前在课程建设中还存在着一些不足。（1）课程对研究生的实践能力有很高的要求。由于学校本专业生源参差不齐，非本专业或跨专业研究生较多，学生基础薄弱，实践能力较差。地质工程问题要求理论结合实践进行综合分析，对此难度更大。（2）缺乏网络资源建设，课程考评方式依据课程特点有待改进。

三、课程目标及专业人才培养中的地位

（一）课程目标

该课程目标是使得研究生掌握“地质工程数值模拟”的基本方法和理论，为分析地质工程问题更加广泛，研究课题更加深入奠定基础。以提升研究生综合分析能力为导向，以解决实际工程地质问题为核心，深入分析各种地质工程问题，掌握各种“地质工程数值模拟”方法的基本理论、适用条件，并具备至少一种软件的实际操作能力，培养综合性地质工程人才。

（二）专业人才培养中的地位

在地质工程学科的研究过程中，遇到了很多难题。例如，有很多问题无法建立解析方程，即使建立了解析方程，也无法求得解析解，虽然部分地质工程问题可以采用试验方法，但试验方法费时、费力，并且有很多情况，无法或很难进行试验。随着计算机技术的发展，为数值方法的发展提供硬件和软件保证，数学建模为计算提供有力的工具。因此，“地质工程数值模拟”解决了很多前人所不能解决的工程地质问题。这种方式理论与方法并重，试验、数值计算与工程实践相互检验，使得地质工程问题的解决更加广泛，研究的课题更加深入，有力地推进了地质工程学科的定量化进程。作为地质工程专业的研究生，学习“地质工程数值模拟”课程，是深入研究工程地质问题的重要手段之一。因此，掌握各种“地质工程数值模拟”方法的基本理论、适用条件和软件操作，是地质工程专业研究生学习中非常重要的一个环节。

四、课程教学方法与改革措施

（一）模拟分析的程序

“地质工程数值模拟”不是一个简单的运算过程，而是一个涉及从“野外工程地质条件调查—室内岩土体物理力学性质试验—地质模型的概化—计算模型的建立—计算条件（计算参数、初始条件和边界条件）的选择—计算结果的检验及综合应用”等一系列问题的复杂系统。具体流程如图1。

图1 “地质工程数值模拟”分析程序

（二）课程教学方法与手段

以全面提升学生综合分析地质工程问题为导向，紧密结合地质工程人才培养的特点，采用多种教学方法与手段进行教学。

1.实验室现场实践分析操作和指导的教学模式。实验室每个学生配备一台电脑，进行地质工程数值模拟实际操作，教师全程指导和辅导。

2.典型案例分析考核方式。不进行传统的考试考核，而是以完成一个具体问题的综合模拟分析为最终考核成绩，提高了学生的自主学习能力和综合分析问题的能力，学习效果显著。

3.信息化教学手段的融合。2019—2020学年以来，由于受到大环境的影响，本课程有一段时间采用在线直播教学的方式进行。由于研究生基本上人人自备笔记本电脑，可以安装相关学习软件，在学习各种“地质工程数值模拟”方法的基本理论、适用条件的基础上，依托雨课堂和腾讯会议等在线课堂手段，也达到人人参与教学、人人会模拟的效果。教师在直播教学的同时，给学生录制教学视频，以便学生课后进一步熟悉相关教学内容。这样一来，每名学生在了解各种工程地质数值模拟方法的基础上，具备了一定的实际操作能力，线上学习期间同样达到了很好的学习效果。

（三）教学改革措施

以全面提升学生综合分析地质工程问题为导向，紧密结合国家基础设施建设、“一带一路”建设和城市地质的发展需求，在坚持创新人才培养定位的基础上，开展地质工程数值模拟课程体系改革和建设，主要措施如下。

1.以国家经济建设需求为导向，修订课程教学大纲。目前，国家大型基础设施建设如火如荼，高速铁路、城市地铁、深长隧道和深海隧道等建设过程中，各种工程地质问题突出；城市地下空间的发展，为工程地质学科发展提出了新的挑战。地质工程数值模拟是分析和解决这些地质工程问题的重要手段，结合国家基础设施建设需要调整课程教学中的教学内容，满足学生个性化学习和社会发展需要。

2.坚持理论与实践结合的教学方法。地质工程作为一门应用型学科专业，注重基础地质、力学、数学等课程学习的同时，更加注重学习知识在实践中的应用和综合问题的分析能力，将典型案例分析融入地质工程数值模拟的整个教学过程，以学生实践操作和分析为主要教学手段，真正实现理论与实践相结合。

3.建设和丰富典型案例库，逐步实现在线慕课。目前，课程典型案例库正在建设和完善，包括边坡工程案例、滑坡案例、锚杆支护案例等。逐步实现典型案例分析在慕课平台共享，方便广大相关专业研究生参与学习和交流。

结语

研究生优质课程建设是一个长期的过程，如何建设“地质工程数值模拟”研究生优质课程，提高研究生的能力培养和长远发展，仍然任重而道远。必须结合地质工程学科专业特征，结合各个学校各自的生源质量和学生专业基础，以国家经济建设需求为导向，实时调整课程建设内容，加强理论结合实际和案例库建设。