占玉林，岳凡凡，葉華文，馮 嵐，徐騰飛，鄧開來

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，土木工程國家級實驗示范教學(xué)中心，四川 成都 610031）

虛擬仿真實驗教學(xué)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需要，必將對高等教育質(zhì)量的提升和實驗教學(xué)改革的深化，產(chǎn)生積極而重要的影響[1-2]。目前，國外很多大學(xué)均開設(shè)有交互式虛擬仿真實驗，根據(jù)各實驗的特點和要求，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的虛擬實驗室，為學(xué)生開展實踐性學(xué)習提供實驗條件，很多大學(xué)也早已實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程虛擬教學(xué)；在國內(nèi)，教育部于2013年 3 月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，對高等教育信息化建設(shè)提出了發(fā)展目標與基本要求，國內(nèi)高校也逐漸重視教育信息化建設(shè)，而具有代表性的虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)也正處在初步發(fā)展階段，未來仍要面臨很多的挑戰(zhàn)[3-5]。

實驗課程作為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)在這一過程中起到重要的作用，對于學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)尤為重要。結(jié)合土木工程類專業(yè)的實踐能力培養(yǎng)要求，相關(guān)的實驗教學(xué)有理論性強、實操性高、動手頻繁等特征[6]。在土木工程大類培養(yǎng)方案中，“土木工程試驗與量測技術(shù)”課程是一門重要的實驗教學(xué)課程，而“簡支鋼桁架靜載非破壞實驗”又是極其重要的一個環(huán)節(jié)，同時該環(huán)節(jié)又是“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”“鋼橋”等課程的實踐環(huán)節(jié)。然而，由于簡支鋼桁架靜載非破壞性實體荷載實驗具有體量大、實驗準備時間長、危險性高及測試內(nèi)容多等特點，限制了學(xué)生對實驗的參與度，導(dǎo)致學(xué)生在實體實驗中缺失了對結(jié)構(gòu)荷載實驗很多重要環(huán)節(jié)的了解和認識[7-13]。同時，該實體實驗服務(wù)對象眾多，師資相對缺乏，且實驗對象較為固定單一，而“簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺建設(shè)”可以有效地解決這一矛盾，與實體實驗形成良好的互補。因此，有必要構(gòu)建簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺，使學(xué)生能夠運用所學(xué)課本知識在平臺上獨立進行虛擬仿真實驗，之后再進行典型或者分組實體實驗，以“虛實結(jié)合、能實不虛”為總目標開展虛擬仿真實驗，從而大大提高實驗教學(xué)的伸縮性和擴展性，加快了高校土木工程類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容

1.1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建原理

該實驗系統(tǒng)的基本原理主要是依托土木工程專業(yè)的兩門重要課程——“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”中的桁架計算理論和“土木工程試驗與量測技術(shù)”中的靜載試驗理論，同時還涉及 “建筑材料”“鋼橋”及“橋梁建造技術(shù)”等課程的相關(guān)知識?；谡n程的理論知識，運用多媒體技術(shù)，利用計算機對多媒體信息進行處理從而構(gòu)建逼真的二維和三維場景，運用可視化技術(shù)將大量數(shù)據(jù)以圖形或圖像的形式在屏幕上展現(xiàn)出來，運用虛擬仿真技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建“虛擬現(xiàn)場”和“虛擬環(huán)境”，為學(xué)生提供一種身臨其境的感受。虛擬仿真實驗平臺從原理上真正落實了“虛實結(jié)合、能實不虛”的中心思想，增強學(xué)生的實驗體驗，加深學(xué)生對實體實驗的認識和理解，進一步推動土木工程類大型不易操作的實體實驗的開展。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)架總體思路如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)架總體思路

1.2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的內(nèi)容

結(jié)合土木工程培養(yǎng)方案和課程大綱，簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺建設(shè)的主要內(nèi)容框架如圖2 所示。該實驗系統(tǒng)主要包括：

（1）構(gòu)件理論計算。根據(jù)“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”“鋼橋”課程中所學(xué)的計算理論知識完成桁架特征計算，包括構(gòu)件的弦桿荷載、腹桿荷載、控制斷面的應(yīng)變和撓度計算及變形形態(tài)分析等。

（2）實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)。根據(jù)計算的桁架特征值，并按照“土木工程試驗與量測技術(shù)”課程中的相關(guān)理論知識設(shè)計實驗加載方案和量測方案。加載方案的設(shè)計需要考慮確定桁架的正常使用極限荷載，量測方案應(yīng)包括弦桿及腹桿的應(yīng)變測點布置、節(jié)點區(qū)附近的桿件應(yīng)變測點布置以及撓度測點布置等。

（3）實驗準備環(huán)節(jié)。實驗準備環(huán)節(jié)涉及了“建筑材料”“鋼橋”及“橋梁建造技術(shù)”課程中的施工知識和材料強度試驗知識以及“土木工程試驗與量測技術(shù)”等課程的結(jié)構(gòu)變形測試的相關(guān)知識。首先，通過視頻及圖片演示桁架制作流程，包括對設(shè)計圖紙的解析、型材下料加工、桁架焊接、實測材料強度等過程。構(gòu)件制作演示視頻結(jié)束后，學(xué)生在交互式的操作系統(tǒng)下完成安裝構(gòu)件及加載設(shè)備（包括支墩、支座、構(gòu)件、分載梁、千斤頂、荷載傳感器等）、粘貼電阻應(yīng)變計、連接應(yīng)變量測儀器、布置安裝撓度測點及測試儀器等任務(wù)。

（4）實驗加載測量環(huán)節(jié)。在交互式操作環(huán)境下，按照既定的實驗加載方案以虛擬仿真方式操作千斤頂加載系統(tǒng)對桁架施加荷載，并測量和記錄應(yīng)變、撓度等數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)分析處理及評定。根據(jù)“土木工程試驗與量測技術(shù)”課程中相關(guān)的數(shù)據(jù)處理分析及工作性能評定等理論知識對測試的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到能夠評定結(jié)構(gòu)性能的相關(guān)參數(shù)，并通過計算數(shù)據(jù)對構(gòu)件的安全性等指標進行評定。

圖2 虛擬仿真實驗平臺主要內(nèi)容

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的功能

圖3 桁架設(shè)計

簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺能夠體現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)實驗的所有環(huán)節(jié)，涵蓋了從實驗方案設(shè)計到實驗構(gòu)件安裝和實驗加載及數(shù)據(jù)采集，直至最后的實驗數(shù)據(jù)處理分析及工作性能評定的全過程。該實驗系統(tǒng)為綜合設(shè)計型，最大的特點是高真實度地再現(xiàn)了實驗場景，學(xué)生可以在實驗系統(tǒng)中體驗到身臨其境的感覺。而且，在交互式實驗操作過程中，學(xué)生通過操作鍵盤及鼠標等，真實模擬安裝構(gòu)件及加載設(shè)備過程，模擬應(yīng)變、撓度等測試儀器的安裝、調(diào)試、測試過程，并模擬加載及數(shù)據(jù)采集過程。通過虛擬仿真實驗，學(xué)生能夠全面了解和掌握大型結(jié)構(gòu)實驗的全過程，充分體會結(jié)構(gòu)實驗各個環(huán)節(jié)在整個實驗中所起的重要作用，將“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”“建筑材料”及“土木工程試驗與量測技術(shù)”等課程與虛擬仿真實驗有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”，完成從理論認知到創(chuàng)新應(yīng)用的質(zhì)變。學(xué)生實驗前預(yù)習整個實驗流程，并對實驗對象進行理論計算，完成預(yù)習報告；上機后首先完成實驗的規(guī)劃：桁架尺寸的確定、構(gòu)件的選擇、材料強度選擇和加載方式的設(shè)計。然后，學(xué)生進入實驗的安裝及操作環(huán)節(jié)：安裝支座、防沖擊保護裝置、桁架、加荷裝置千斤頂、撓度測試儀器、應(yīng)變測試傳感器和連接設(shè)備。最后，學(xué)生進入測試環(huán)節(jié)：按設(shè)計的加載程序加載、讀取撓度值和應(yīng)變值，循環(huán)加載過程，直到實驗完成。學(xué)生完成虛擬仿真實驗后，再進行實體實驗，通過虛實結(jié)合，相輔相成地系統(tǒng)掌握結(jié)構(gòu)靜載實驗全過程。最后，結(jié)合實體實驗獲得的真實的靜載測試數(shù)據(jù)，并對其進行分析計算，評定結(jié)構(gòu)的工作性能及安全性能，完成完整的實驗報告，提交教師審核并綜合評分。

2.1 學(xué)生交互性操作步驟說明

（1）進入實驗系統(tǒng)，登錄個人用戶；

（2）進入實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計桁架（不同尺寸、不同型材），確定實測材料強度，如圖3 所示；

（3）設(shè)計加載程序，如圖4 所示；

（4）選擇自己的實驗分組號；

（5）實驗方案完成后進入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.2 實驗準備及實施環(huán)節(jié)

實驗環(huán)節(jié)的操作界面是真實實驗環(huán)境的虛擬界面，如圖5 所示。該界面可實現(xiàn)人機交互，通過使用鼠標、鍵盤控制虛擬場景中的“自己”，如圖6 所示，完成一系列的人物動作，包括行走、轉(zhuǎn)向、抬頭、低頭、拿起、搬運、放下、校位、按鈕、粘貼、連線、加載、讀數(shù)等，學(xué)生通過交互式操作系統(tǒng)自行完成整個實驗流程。該環(huán)節(jié)為整個實驗的中心環(huán)節(jié)，包含的操作步驟多達數(shù)十個。

圖4 材質(zhì)確定及設(shè)計加載程序

2.3 實驗主要步驟

（1）觀看構(gòu)件制作視頻。

（2）構(gòu)件及加載設(shè)備安裝，安裝順序為支墩、支座、構(gòu)件、分配梁支座、分配梁，其中包括支墩及分配梁支座的定位，如圖7 所示。

（3）測量儀器的布置與連接（步驟順序不分前后，可交叉進行）：①應(yīng)變測試的測點布置及儀器連接，主要包括布置應(yīng)變測點、布置補償測點，測點布置完成后連接應(yīng)變儀等，如圖8 所示；②撓度測量儀器的安裝，主要包括百分表支架及百分表的安裝。

圖5 實驗整體操作環(huán)境

圖6 操作控制方式

圖7 實驗加載設(shè)備安裝

圖8 位移傳感器布置及應(yīng)變儀的連接

（4）打開壓力傳感器及應(yīng)變儀開關(guān)。

（5）按照加載程序進行加載并測讀應(yīng)變、撓度，主要包括：①點擊加載千斤頂，按設(shè)定的加載程序進行加載，如圖9 所示；②對于應(yīng)變、撓度的觀測（順序不分前后），點擊應(yīng)變測試主機屏幕，讀取應(yīng)變數(shù)據(jù)并記錄，點擊所有百分表，讀取數(shù)據(jù)并記錄，如圖10所示；③重復(fù)以上兩個步驟直至完成所有級別加載。

圖9 加載控制界面

圖10 應(yīng)變測試撓度觀測示意

（6）在用戶完成了整個加載程序，或者直接終止了實驗后，系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)至實驗結(jié)果界面。該界面主要由系統(tǒng)通過智能分析操作數(shù)據(jù)、讀取結(jié)果等得出，如圖11所示。至此，已完成實驗的主要步驟，如圖12 所示。

圖11 實驗結(jié)果界面示意

2.4 實體實驗及成績評定

完成虛擬仿真實驗后進行實體實驗，學(xué)生對實測數(shù)據(jù)進行分析計算，評定結(jié)構(gòu)工作性能，完成并上傳實驗報告。簡支鋼桁架非破壞性實驗的最終成績組成及考核標準見表 1。教師根據(jù)學(xué)生的實驗出勤、課堂測試、虛擬仿真實驗、實體實驗及提交的實驗報告進行綜合評分。

圖12 實驗主要步驟

表1 簡支鋼桁架非破壞性實驗成績組成及考核標準

3 虛擬仿真實驗教學(xué)項目的應(yīng)用效果

通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學(xué)生能夠了解和掌握“土木工程試驗與量測技術(shù)”課程中所涉及的實驗與檢測理論知識和儀器設(shè)備的使用方法，全面認識結(jié)構(gòu)荷載實驗的全過程，并通過實驗中的構(gòu)件進行計算分析，以及實驗方案設(shè)計，從感性上更深刻地掌握“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”中所涉及的理論知識，最后結(jié)合實體實驗獲得真實的靜載測試數(shù)據(jù)（特別是在虛擬仿真系統(tǒng)下無法真實模擬的節(jié)點區(qū)附近對桿件應(yīng)變的影響的觀測結(jié)果），并對其進行分析計算，評定結(jié)構(gòu)的工作性能及安全性能，完成完整的實驗報告。簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺按照規(guī)劃的實驗教學(xué)建設(shè)框架，面向土木工程學(xué)院土木大類專業(yè)3 年級及以上學(xué)生，注重理論結(jié)合實踐和師生之間的互動，實現(xiàn)高危、無法進行的實驗和生產(chǎn)實習。2018 年，本項目成果獲批國家級虛擬仿真項目，初期受益學(xué)生約1 500 人，隨后逐年遞增。該實驗系統(tǒng)應(yīng)用中體現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢有以下幾點：

（1）實驗方案設(shè)計思路。依托虛擬仿真技術(shù)，打通大型工程結(jié)構(gòu)實驗全路徑教學(xué)過程。原型工程結(jié)構(gòu)尺度數(shù)十米，傳統(tǒng)實物縮尺模型實驗存在體量大、周期長、風險高、單次實驗服務(wù)對象有限、對指導(dǎo)教師依賴嚴重等缺點。虛擬仿真平臺的建設(shè)立足二十余年教學(xué)積累，依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了在有限課時內(nèi)讓學(xué)生參與到實際大型工程結(jié)構(gòu)模型實驗的“方案設(shè)計、構(gòu)件制備、設(shè)備安裝、測點準備、加載實施、數(shù)據(jù)測試、實驗復(fù)位、分析評價、報告編制”全過程。

（2）教學(xué)方法。采用交互式技術(shù)，實現(xiàn)多任務(wù)、可重復(fù)式操作，提升學(xué)生實驗參與度。傳統(tǒng)實物模型實驗準備周期長、大型設(shè)備動用多、學(xué)生組建團隊及自行指揮整個實驗流程難度大。以我校每年級600 名土木學(xué)生的規(guī)模為例，學(xué)生真正動手參與的環(huán)節(jié)受限。本項目中全過程使用人機交互技術(shù)，學(xué)生可完成裝配、貼片、加載、讀數(shù)等多任務(wù)操作，并能多次反復(fù)使用程序訓(xùn)練結(jié)構(gòu)試驗技能，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了“人人動手、全面參與”的教學(xué)目標。

（3）評價體系。構(gòu)建層次化模塊結(jié)構(gòu)，多方位訓(xùn)練土木工程核心實踐能力。在我校土木人才的培養(yǎng)中，專業(yè)核心能力的訓(xùn)練已從“測、繪、算”拓展為“測、繪、算、研、管”5 大核心能力。本項目中設(shè)置有“實驗設(shè)計、實驗準備、加載測試及分析評定”4 大模塊，除基本的撓度測試、應(yīng)變測試外，對實驗方案研究、實驗方案繪制、實驗實施組織管理、實驗加載參數(shù)計算和實驗結(jié)果分析、實驗現(xiàn)象分析和研究、結(jié)構(gòu)性能評定等能力均實現(xiàn)了有效訓(xùn)練，全面對接培養(yǎng)創(chuàng)新型土木人才的目標要求。

（4）傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。貫徹“能實不虛”，突出“虛實結(jié)合”，有力引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新思維。學(xué)生借助虛擬仿真項目開展實驗的“預(yù)習、實操、復(fù)習”過程，并有多維度實驗評分作參考。結(jié)合課內(nèi)4 學(xué)時實物實驗，在虛實結(jié)合模式中提升了學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)測試知識的理解。4 年多的教學(xué)應(yīng)用效果反饋，學(xué)生實現(xiàn)了從單純“完成實驗學(xué)分”到更深入“思考實驗現(xiàn)象”“創(chuàng)新實驗方案”的轉(zhuǎn)變。本項目依托國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心教學(xué)平臺實現(xiàn)了開放運行，促進了學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)項目具有實驗條件便利、安全性高和實驗成本低的優(yōu)勢，在高校實驗教學(xué)中具有越來越重要的地位。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)以“虛實結(jié)合、能實不虛”為總目標，具有開發(fā)靈活、擺脫時間與空間的各種限制等優(yōu)點，在高校經(jīng)費投入有限的條件下，通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)實驗資源共享、人盡其才、財盡其力、物盡其用，不僅是推動高校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向、優(yōu)化實驗教學(xué)資源結(jié)構(gòu)的重要途徑，也是高等學(xué)校實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢。