俞 設(shè)

(江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分，它具有實(shí)踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，主要注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和實(shí)踐能力[1]。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容可以分為三個(gè)層次[2]：第一層次為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，如應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變儀的使用等；第二層次為綜合性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如鋼筋混凝土梁的正截面受彎實(shí)驗(yàn)、斜截面受剪實(shí)驗(yàn)等；第三層次為探索性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、裝配式預(yù)制構(gòu)件實(shí)驗(yàn)等。在混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，這三個(gè)層次的內(nèi)容循序漸進(jìn)、相互補(bǔ)充，構(gòu)成了一個(gè)立體的教學(xué)體系。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中也存在諸多不足[3]，如應(yīng)變片粘貼技術(shù)、應(yīng)變儀的使用、裂縫寬度測(cè)量等都是實(shí)驗(yàn)中必須要掌握的技術(shù)，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)有限，往往無(wú)法很好的掌握。同時(shí)，以鋼筋混凝土梁正截面加載實(shí)驗(yàn)為代表的綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中投入大、耗時(shí)長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜，從準(zhǔn)備材料、綁扎鋼筋、澆筑養(yǎng)護(hù)到最后的加載破壞至少需要一個(gè)月的時(shí)間，有些學(xué)校因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法讓學(xué)生進(jìn)行全周期的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能參與最后的加載實(shí)驗(yàn)，部分學(xué)校的加載實(shí)驗(yàn)也只能進(jìn)行演示性的。

2 虛實(shí)結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

2.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是利用計(jì)算機(jī)建立三維數(shù)字模型產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境的仿真，虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性的特征[4]。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)根據(jù)我校鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)搭建了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)交流平臺(tái)作為基礎(chǔ)，學(xué)生可利用該平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、考試、操作實(shí)驗(yàn)、與老師互動(dòng)等。該平臺(tái)包含三個(gè)模塊的內(nèi)容，分別是基礎(chǔ)模塊、綜合模塊和提高模塊，各模塊設(shè)計(jì)包含的實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)際教學(xué)中的作用

2.3.1強(qiáng)化基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

在虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，基礎(chǔ)模塊主要作為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的熟悉、強(qiáng)化訓(xùn)練、考核的途徑。老師在理論課時(shí)，即可通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)形象的向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)的原理和操作過(guò)程；在學(xué)生實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前，讓學(xué)生利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬，提前熟悉操作的每個(gè)環(huán)節(jié)；同時(shí)，該系統(tǒng)可以讓每個(gè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生親自動(dòng)手操作機(jī)會(huì)有限的問(wèn)題；在實(shí)驗(yàn)考核時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的考核模塊將問(wèn)題穿插在學(xué)生的操作過(guò)程中，理論與實(shí)際緊密結(jié)合。

2.3.2彌補(bǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)的不足

在綜合模塊中該系統(tǒng)配合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包含鋼筋籠制作、鋼筋應(yīng)變片布置、澆筑混凝土、試件裝配、傳感器布置連接和實(shí)驗(yàn)加載這6個(gè)環(huán)節(jié)，全過(guò)程的模擬了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁從制作到加載破壞的各個(gè)環(huán)節(jié)。由于本校的實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生只分組進(jìn)行鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的加載破壞實(shí)驗(yàn)，無(wú)法參與實(shí)驗(yàn)梁的制作過(guò)程，虛擬仿真系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了這個(gè)不足，虛實(shí)結(jié)合，讓學(xué)生對(duì)于這類綜合性實(shí)驗(yàn)可以全過(guò)程參與。

2.3.3搭建探索性實(shí)驗(yàn)的新平臺(tái)

虛擬仿真系統(tǒng)的提高模塊設(shè)計(jì)了裝配式建筑虛擬建造仿真實(shí)驗(yàn)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)，其中裝配式建筑虛擬建造仿真實(shí)驗(yàn)主要由我校主研裝配式建筑的專業(yè)團(tuán)隊(duì)打造。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是通過(guò)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)對(duì)裝配式建筑的生產(chǎn)和施工環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬建造仿真實(shí)驗(yàn)，包含了裝配式建筑施工準(zhǔn)備、裝配式建筑施工測(cè)量技術(shù)、PC構(gòu)件制作工序流程、現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)施工工藝、裝配式建筑混凝土施工技術(shù)、裝配式建筑套筒灌漿施工技術(shù)、裝配式建筑構(gòu)件支撐技術(shù)這7個(gè)主要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)契合了當(dāng)下裝配式建筑在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的新時(shí)機(jī)，彌補(bǔ)了學(xué)生難以在真實(shí)項(xiàng)目環(huán)境中實(shí)習(xí)實(shí)踐的不足，為學(xué)生搭建了學(xué)習(xí)探索裝配式建筑建造技術(shù)的新平臺(tái)。

3 師生對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)的反饋和持續(xù)改進(jìn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)和配套的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在試運(yùn)行后，參與的師生以問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)該系統(tǒng)的體驗(yàn)進(jìn)行了反饋。從反饋結(jié)果看，全部參與調(diào)查的師生都對(duì)這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式表示歡迎，認(rèn)為虛擬仿真系統(tǒng)使理論教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)、更易于接受，利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)使實(shí)際操作的步驟更加清晰、操作要點(diǎn)更加明確。師生的問(wèn)卷中也反饋了該系統(tǒng)的不足，主要有以下幾個(gè)方面需要持續(xù)改進(jìn)：

1)實(shí)驗(yàn)對(duì)象單一，如應(yīng)變片粘貼技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸挥嗅槍?duì)鋼筋表面的實(shí)驗(yàn)，缺少在其他材料表面粘貼的實(shí)驗(yàn)；

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單一，在鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁正截面受彎承載力實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)于每種形式的梁只有1個(gè)配筋設(shè)計(jì)，學(xué)生無(wú)法根據(jù)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行配筋選擇；

3)實(shí)驗(yàn)的多路徑模擬、“試錯(cuò)”模擬不足，系統(tǒng)在各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置中只有對(duì)正確的操作過(guò)程的模擬，學(xué)生無(wú)法通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)未知、非可行情況的嘗試與探索。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用為學(xué)生提供了一個(gè)逼真、生動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程更加形象，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。針對(duì)目前系統(tǒng)的不足，有必要進(jìn)一步完成軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，力圖為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)更加強(qiáng)大、實(shí)用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。