孫文靜,　劉　珂,　張孟喜,　秦愛芳,　孫德安

(上海大學 土木工程系，上海 200444)

0　引　言

土力學是土木工程專業(yè)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，而實驗教學又是土力學教學中必不可少的實踐性環(huán)節(jié)，對學生更好地理解、掌握土力學的基本理論知識至關(guān)重要。學生只有通過足夠的驗證性實驗和大量綜合性實驗,才能更透徹地理解和掌握該學科的理論知識,才能培養(yǎng)實際動手能力。因此,有必要進一步增開綜合性實驗項目,不斷改革實驗教學方法[1]。

土力學的實驗教學課時大約占總課時的25%，其重要性可見一斑。土力學理論教學中，穿插進土工實驗學習可以幫助學生深入了解土力學基本概念、基本原理；同時，熟悉土工實驗操作方法，有利于培養(yǎng)學生的工程意識，為今后從事土木工程專業(yè)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有的實驗教學條件難以很好地滿足實驗教學需求。主要原因包括：

(1) 學生多儀器設(shè)備少。儀器設(shè)備是實驗的物質(zhì)保證,為保證實驗的開設(shè)質(zhì)量,需要多套運行良好的儀器設(shè)備。同時，還需有足夠?qū)挸ǖ膶嶒炇铱臻g。雖然，隨著高校實驗室建設(shè)投入的增大，實驗經(jīng)費緊張、實驗儀器設(shè)備有限的問題得到緩和，然而，高校擴招又導致學生人數(shù)不斷增長，學生多和儀器設(shè)備少的矛盾依然存在。目前，主要通過增設(shè)課外課時達到減少分組人數(shù)的目的，但還是無法實現(xiàn)每位學生都能真正獨立操作的教學目標，且指導教師也無法準確評估每個學生的掌握程度[2]。

(2) 實驗時間長而實驗課時安排少。土力學課程中部分實驗所需時間較長，如黏性土的固結(jié)試驗、三軸試驗，每級荷載穩(wěn)定所需時間很長。引起了真實實驗時長與課程實驗課時設(shè)置過短的矛盾，通常采用演示實驗來折中處理，這樣不利于學生對實驗原理的理解，無疑會影響實驗教學效果。

(3) 實驗教學內(nèi)容和方法的系統(tǒng)性有待加強。土工實驗項目穿插于土力學課程間，與土力學知識形成一個綜合、有機的整體，每個實驗項目之間環(huán)環(huán)相扣，自成體系。但目前大多土工實驗教學內(nèi)容相對獨立，且安排在理論教學后，初學的本科生較難發(fā)現(xiàn)每個實驗之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此，處于被動學習的狀態(tài)，沒有全局觀[3]。另外，對于傳統(tǒng)的演示型、驗證性實驗教學項目，形式刻板、教學方法單一，難以滿足本專業(yè)理論教學、實踐教學、行業(yè)發(fā)展和學生自主創(chuàng)新的需求，而且很難激發(fā)學生學習的興趣和主動性。

上述實驗教學存在的問題，影響了土工實驗教學服務(wù)土力學課程教學?，F(xiàn)代計算機技術(shù)給巖土工程學科教學改革提供了動力，也創(chuàng)造了發(fā)展條件。近年來，虛擬仿真技術(shù)作為一種新的工具極大地改變了傳統(tǒng)的認識方法，變革了科學試驗方式，擴大了認識領(lǐng)域[4]。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實驗體系成為當前越來越有價值的重要課題。該技術(shù)引入實驗教學中，在一定程度上改變了傳統(tǒng)的教學模式，緩解了上述提及的實驗教學矛盾。國內(nèi)外許多專家學者[5-8]研究了基于虛擬仿真的土力學實驗建設(shè)與應(yīng)用。

這些研究促進了虛擬仿真的土力學實驗建設(shè)的發(fā)展，但以理論學習為導向的定位弱化了虛擬仿真實驗的推廣。同時，以上虛擬仿真程序都未與實驗結(jié)果后處理相關(guān)聯(lián)，無法更好而又全面地為教學服務(wù)。至今還沒有形成有效的實驗仿真教學體系，缺乏對土力學試驗進行系統(tǒng)全面的仿真模擬[9-10]。

為此，本文提出基于互聯(lián)網(wǎng)+的虛擬仿真土力學實驗教學平臺的研發(fā)，該平臺包括實驗儀器的組裝模塊，實驗過程模塊，實驗結(jié)果輸出、導入模塊，實驗數(shù)據(jù)后處理及后臺數(shù)據(jù)匹配模塊4大虛擬模塊；涵蓋土力學實驗的物性、滲透、變形及強度實驗，可以呈現(xiàn)每個實驗的全過程。使用該程序，學生可進行虛擬常規(guī)性及設(shè)計性土工實驗，并借助程序中的實驗數(shù)據(jù)后處理模塊，進行數(shù)據(jù)處理；同時，指導教師也可以通過后臺數(shù)據(jù)匹配，準確了解每個學生對實驗的掌握情況[11]。另外，該虛擬仿真平臺可以借助互聯(lián)網(wǎng)+的模式實現(xiàn)更快捷傳播[12]。既對實體實驗進行有益補充，又符合現(xiàn)代測試和實驗技術(shù)的發(fā)展方向。

1　互聯(lián)網(wǎng)+土力學實驗虛擬仿真平臺的整體構(gòu)思

土力學實驗虛擬仿真平臺是面向?qū)W生、聚焦課程、強調(diào)融合與創(chuàng)新的先進教學平臺，該平臺涵蓋了土力學課程的大部分的常規(guī)實驗，包括物性、滲透、變形、強度實驗四部分[13]，其中物性實驗包括密度、含水率、土粒比重、顆粒分析、界限含水率、砂的相對密度和擊實實驗；滲透實驗包括常水頭滲透、變水頭滲透和滲流模型實驗；變形實驗包括固結(jié)、濕陷、膨脹和收縮實驗；強度實驗包括無側(cè)限抗壓強度、直剪和三軸實驗[14]。

通過平臺建設(shè)，將土力學課程的大部分實驗內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，形成一個整體，讓學生有一個全局觀，擺脫原來只見樹葉、不見森林；只顧局部、不見整體的弊端，更加注重宏觀方面的思維，讓學生融會貫通[15]。

每個常規(guī)實驗項目又包括實驗儀器組裝、實驗過程設(shè)置、實驗原始數(shù)據(jù)輸出、學生計算結(jié)果再輸入、學生數(shù)據(jù)生成及后臺數(shù)據(jù)匹配等幾個環(huán)節(jié)。經(jīng)過這一套流程，學生可以清晰地了解實驗的儀器、安裝、調(diào)試，實驗的操作步驟，學會并自己動手去進行實驗數(shù)據(jù)的處理[16]。通過后臺數(shù)據(jù)的匹配，平臺可以給出“通過”與“不通過”的判斷，學生可以據(jù)此判斷自己的學習情況，有的放矢地進行查詢資料及學習、上機操作；指導教師也可據(jù)此判斷學生實際掌握情況，進行客觀評價，解決因“學生多、教師少”造成的指導教師無法準確評估每個學生的掌握程度。同時，該平臺設(shè)計環(huán)環(huán)相扣，學生自己動手處理數(shù)據(jù)并導入程序的步驟是必經(jīng)環(huán)節(jié)，加強學生的數(shù)據(jù)處理能力，并強調(diào)了學生對數(shù)據(jù)處理的重視程度，避免以往填寫紙質(zhì)實驗指導書延滯與倦怠效應(yīng)發(fā)生。

除了常規(guī)性實驗項目，還含有創(chuàng)新性、設(shè)計性實驗項目。創(chuàng)新性、設(shè)計性實驗是在學生掌握了常規(guī)試驗后進行的能力拓展項目，可以面向?qū)W生競賽、畢業(yè)設(shè)計及研究型選題項目等綜合性實驗項目[17]。利用虛擬仿真技術(shù)，通過可重復(fù)性試驗，選擇最佳設(shè)計方案[4]，開展創(chuàng)造性試驗項目。該設(shè)計性項目還包含虛擬仿真平臺專有、填補實體實驗空白的實驗項目。此類土力學試驗項目涉及到場地、試驗條件和設(shè)備限制，由于成本原因在一般高校的實驗室中幾乎無法開設(shè)。該類實驗室項目的設(shè)置是為了支持以復(fù)雜應(yīng)力條件下和現(xiàn)場原位測試類為主要內(nèi)容的綜合實踐教學。

該教學平臺與因特網(wǎng)資源對接，可以查詢土力學知識內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)資源，如試驗相關(guān)文獻、資料、試驗操作流程、視頻等，從而增加了平臺的深度與廣度，將單一的實驗教材知識，拓展到廣闊的互聯(lián)網(wǎng)世界。同時，借助互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，將模塊化虛擬設(shè)計實驗平臺共享成網(wǎng)絡(luò)版，通過內(nèi)容、時間、空間的融合創(chuàng)新，打造虛擬仿真實驗共享平臺，讓知識更快捷地傳播[18]。該共享模式，拓展了教育學本來的物理空間，突出強調(diào)交互式學習，增強了師生間、新老學生、高低年級學生、學生與管理員、學生與互聯(lián)網(wǎng)的互動。得到授權(quán)的師生隨時可以通過手機終端遠程訪問共享教學資源，基于互聯(lián)網(wǎng)的開放、實時、互動特點，可以方便地在業(yè)余時間進行學習與溝通，實現(xiàn)了教學資源的師生共享、提高了教學資源的利用率。

該平臺還設(shè)置了后臺數(shù)據(jù)庫更新功能，不斷將新的工程實驗數(shù)據(jù)及新的實驗方法添加到教學資源中，實現(xiàn)了教學資源與實際工程技術(shù)同步發(fā)展，彌補了土力學實驗教學與工程實踐可能脫節(jié)的問題。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬仿真實驗，采用虛實結(jié)合的教學模式。學生首先在虛擬平臺上進行完整的實驗，對實驗有一個準確的認識和整體把握；然后，學生進入實驗室，自已動手完成實驗，對實驗儀器、操作步驟等有直觀的認識；同時，利用虛擬試驗平臺的可重現(xiàn)、可共享性，在現(xiàn)場實驗結(jié)束后，可以重新溫習，加深對知識的理解與掌握，避免以往學生做實驗走過場、不求甚解的現(xiàn)象發(fā)生。這種虛實結(jié)合的教學模式，可以使虛擬環(huán)境與現(xiàn)場實驗相互補充、相互促進[19]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+虛擬仿真平臺的新的教學模式如圖1所示。該虛擬仿真平臺著重突出試驗設(shè)計思想及實驗數(shù)據(jù)后處理分析特點，能夠達到豐富學生感性認識、加深對實驗教學內(nèi)容理解的目的[20]。

圖1　虛擬仿真土力學實驗教學模式

另外，在虛擬教學中，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，以“問題”為線索，帶著問題有的放矢地進入實驗室，進行實驗操作，去實際感受和探求在虛擬中的困惑。同時，通過現(xiàn)場實驗，分析問題、解決問題，解開在實驗?zāi)M環(huán)節(jié)中遇到的疑惑。這種以問題驅(qū)動為核心的教學方法，盡量讓學生主動發(fā)現(xiàn)問題，引導學生通過發(fā)現(xiàn)問題來鞏固知識，養(yǎng)成良好的學習習慣。

2　平臺應(yīng)用——以固結(jié)實驗為例

固結(jié)實驗是土力學實驗教學中一個非常重要的實驗內(nèi)容，下面結(jié)合固結(jié)實驗，詳細地說明該虛擬仿真實驗平臺的功能。

首先，由用戶認證登錄界面(見圖2)進入到虛擬仿真平臺的主頁面(見圖3)，實驗課程分為物性、滲透、變形、強度和設(shè)計5類實驗，每大類實驗又可分幾個具體實驗項目，分類標準依據(jù)土工試驗方法標準(GB/T50123—1999)。固結(jié)實驗屬于變形實驗大類。

圖4所示為虛擬仿真平臺上固結(jié)實驗的操作流程，主要包括實驗儀器組裝(圖4a)，實驗過程設(shè)置(圖4a)，實驗過程(圖4b)，實驗原始數(shù)據(jù)輸出(圖4b)，學生計算結(jié)果再輸入(圖4c)，學生數(shù)據(jù)生成及后臺數(shù)據(jù)匹配(圖4c)等環(huán)節(jié)。

(1) 實驗儀器組裝。先輸入固結(jié)實驗土樣的參數(shù)，如密度、含水量、土粒比重及土樣的初始高度，同時，按應(yīng)力加載路徑逐一輸入設(shè)置的應(yīng)力值。左下側(cè)的配件為固結(jié)儀容器的配件，學生需按順序?qū)⑴浼?次拖入工作窗口進行組裝。組裝完成后，將固結(jié)儀容 器拖拉至右側(cè)的固結(jié)儀上放好。點擊“開始實驗”進入實驗。

圖2　用戶認證登錄界面

圖3　平臺主頁面

(2) 實驗過程裝置。圖4(b)左側(cè)顯示了加載過程中土樣變形的二維動畫，右側(cè)為原始數(shù)據(jù)表格，即每級應(yīng)力穩(wěn)定時對應(yīng)的位移計讀數(shù)的變化量。點擊“導出表格”即可導出實驗原始數(shù)據(jù)表格，見圖5。表格中的空格是需要計算的數(shù)據(jù)，學生需要結(jié)合專業(yè)知識，對原始數(shù)據(jù)進行處理，完善輸出的表格。依次點擊“導入表格”“生成e-p曲線”按鈕，顯示e-p曲線，點擊“驗證”按鍵，在e-p曲線上會顯示后臺數(shù)據(jù)庫匹配的結(jié)果，學生和指導教師可以第一時間評判試驗的掌握情況。

上述虛擬仿真流程結(jié)束后，學生可以對固結(jié)試驗從儀器安裝、加卸載、試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)后處理的整個流程有了非常清晰的認識。

3　結(jié)　語

基于互聯(lián)網(wǎng)+的思維以及虛擬仿真新技術(shù)，對土力學實驗的教學方法進行了探索，跨學科合作，探索人才培養(yǎng)新模式。初步搭建了土力學實驗虛擬仿真平臺，解決了教學中的難題，降低了教學成本，提高了學生學習興趣，提升了教學質(zhì)量。

該平臺包含土力學實驗的物性、滲透、變形及強度 實驗，通過模擬程序可以呈現(xiàn)每個實驗的全過程，包括 實驗儀器組裝、實驗過程和實驗結(jié)果后處理。該虛擬仿真程序?qū)⑼亮W實驗串聯(lián)成一個整體的系統(tǒng)，增強了學生的全局概念。運用虛實結(jié)合的教育模式，將虛擬仿真平臺與實體實驗有機結(jié)合，增強學生的感觀認識，學生在興趣中進行自我練習與考核，達到良好的實驗教學效果。

(a)實驗儀器組裝

(b)實驗過程及數(shù)據(jù)導出

(c)實驗數(shù)據(jù)后處理

圖5　輸出的表格

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