金韶霞 張敏花 張云蓮

(浙江科技學院中德工程師學院 浙江杭州 310023)

瀝青混合料作為道路工程的重要材料，其性能的優(yōu)劣直接影響瀝青路面的使用性能和壽命[1]。所謂瀝青混合料，是指將粗集料、細集料和填料按合理配合比設(shè)計組成的礦質(zhì)混合料與適量瀝青拌和而成的混合物。瀝青混合料馬歇爾實驗是《建筑材料》課程中不可缺少的實驗內(nèi)容，也是中德合作辦學土木工程專業(yè)重要的實踐環(huán)節(jié)。中德合作辦學土木工程專業(yè)的特殊性在于在專業(yè)基礎(chǔ)學習階段不區(qū)分專業(yè)方向，工民建、道橋、水利工程等課程均會涉及，到了高年級可選擇專業(yè)方向進行深入學習?！督ㄖ牧稀纷鳛閷I(yè)基礎(chǔ)階段的課程設(shè)置32學時的實驗學時，瀝青混合料實驗是該門課程的重要內(nèi)容之一。國內(nèi)除了道路工程專業(yè)注重瀝青混合料的學習并開設(shè)實驗，一般土木工程專業(yè)由于受到學時限制不開設(shè)該實驗，建筑材料實驗學時從8學時到20學時不等，側(cè)重混凝土實驗教學。

在現(xiàn)實教學中，由于受到實驗教學資源與課堂時間的限制，學生只能分組完成實驗，無法做到人人動手參與實驗的各個步驟。虛擬仿真實驗可以讓學生隨時隨地開展實驗，不受時間、場地的限制[2-3]。此外，在制備瀝青混合料試樣過程中，需將瀝青進行高溫加熱，高溫下的瀝青及其煙氣對人體有害，對皮膚粘膜具有刺激性、有光毒作用和致癌作用，為了更好地保證師生健康，特開發(fā)瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗平臺。高校實驗室作為學生實踐能力培養(yǎng)的重要場所，實驗室安全是教學活動順利開展的基本保障，也是師生生命安全的必要條件[4-5]。趙毅等人研發(fā)了瀝青混合料車轍虛擬仿真系統(tǒng)，解決了重慶交通大學瀝青混合料車轍試驗傳統(tǒng)教學過程中學生實踐操作不足的問題[6]。孫艷娜等人結(jié)合同濟大學瀝青實驗教學實際情況開發(fā)了瀝青性能虛擬仿真實驗[7-8]，沒有涉及瀝青混合料實驗。馬登成等人以長安大學瀝青混合料拌制過程為主線，進行了瀝青混合料拌和虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)，以期提高學生對瀝青混合料拌制過程與拌和站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解[9]。

目前開發(fā)的有關(guān)瀝青混合料虛擬仿真的實驗有瀝青混合料拌和與車轍實驗，尚未有馬歇爾穩(wěn)定度實驗。該虛擬仿真實驗平臺結(jié)合浙江科技學院中德工程師學院土木工程專業(yè)《建筑材料》實驗課程的實際情況，讓學生通過操作更好地了解瀝青混合料馬歇爾實驗的流程包括瀝青混合料的拌和、馬歇爾試塊的制備、脫模、測量與稱重、馬歇爾穩(wěn)定度和流值的測定等。通過虛實結(jié)合的方法，完善課程體系中缺失的讓每位學生動手實操的環(huán)節(jié)，通過人機交互激發(fā)學生的學習興趣，提高實驗學習效率的同時提升學生的動手能力。

1 瀝青混合料馬歇爾實驗的特點

瀝青混合料屬于《建筑材料》的課程內(nèi)容，作為重要的路面材料，其配合比設(shè)計及測試其性能的馬歇爾實驗也是要求土木工程專業(yè)學生掌握的重點內(nèi)容。比起混凝土，以瀝青混合料作為路面的優(yōu)勢在于無需設(shè)置施工縫和伸縮縫、施工方便、工期短、行車舒適度高[10]。在低溫條件下瀝青混合料的強度較高，而高溫條件下會低很多，因此需要對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行測試?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2019）規(guī)定，通過馬歇爾穩(wěn)定度實驗對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行評價，也可為瀝青混合料的配合比設(shè)計提供依據(jù)[11-13]。

馬歇爾實驗是確定瀝青混合料最佳油石比的實驗，其實驗過程是將試件在規(guī)定溫濕度條件下標準擊實，測定瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值等指標，通過計算繪制油石比與穩(wěn)定度、流值、密度、空隙率、飽和度的關(guān)系曲線，從而確定瀝青混合料的最佳油石比[14-15]。實驗過程中測得的荷載最大值即為試樣的穩(wěn)定度，而最大荷載時試樣的垂直變形值即為流值。相較于《建筑材料》其他實驗來說，馬歇爾實驗在準備與操作過程中存在以下難度。

（1）石油瀝青質(zhì)量與氣味問題。馬歇爾實驗的原材料之一石油瀝青采購困難，每次采購的瀝青質(zhì)量不一，很難達到預期的實驗效果。此外，在制備瀝青混合料前需將瀝青置于烘箱中進行預熱，高溫下的瀝青氣味難聞，不利于人體健康，實驗室雖配備了通風設(shè)備與專用口罩也無法完全避免。

（2）實驗溫度難以保證。制備馬歇爾試塊前需將礦料與瀝青預熱至拌和溫度或以上，在之后的整個實驗操作過程中均需保證瀝青混合料的溫度，否則就得重做。在實驗操作過程中保證瀝青混合料溫度要求學生對實驗流程及操作很熟悉，而這對于學生來說有一定難度，且高溫操作有一定的危險性，涉及師生安全問題。

（3）瀝青混合料攪拌問題。為了保證馬歇爾試塊制備時的溫度，需將瀝青混合料攪拌機中攪拌完成的瀝青混合料迅速取出進行試塊制備，由于3 個試塊的制備是依次進行的，故在制備第一個試塊時需將剩余瀝青混合料置于加熱板上加熱以保證溫度。實際操作過程中需要小組成員事先協(xié)調(diào)分工，分別負責試塊制備與材料保溫。此外，根據(jù)幾年來筆者學院的實驗情況，攪拌機易在攪拌過程中因儀器質(zhì)量問題停止攪拌導致實驗無法繼續(xù)。

（4）試塊成型過程中擊實儀的問題。試塊成型需要將試塊放入擊實儀進行擊實，擊實過程中存在噪音問題，在場的學生可以通過戴耳罩的方式降噪，但仍會影響實驗樓里其他教室的教學或辦公室的辦公。

（5）試塊水浴期間等待時間長。馬歇爾實驗過程中測表干密度與馬歇爾穩(wěn)定度前需將試塊按規(guī)范要求放入水浴箱水浴，使其達到實驗所要求的溫度，時間分別為90 min與30～40 min，等待時間長。

圖1 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗平臺總體架構(gòu)

由于受到實驗條件如實驗場地與時間的限制，以上問題很難解決，而虛擬仿真實驗可以很好地解決現(xiàn)場實驗無法解決的問題。

2 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

2.1 虛擬仿真實驗平臺總體架構(gòu)

虛擬仿真實驗平臺采用Unity3D 技術(shù)，使用者可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺隨時隨地開展實驗，其組織框架分為學生端與教師端。學生端包括實驗準備、實驗操作與實驗結(jié)果分析等內(nèi)容，教師端包括實驗結(jié)果查看與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護，教師可以通過實驗結(jié)果查看了解學生的實驗完成情況與掌握程度，而系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護模塊則用于教師創(chuàng)建及導入數(shù)據(jù)，包括實驗條件如溫度、測量誤差等數(shù)據(jù)的導入與修改。

該實驗平臺由實驗準備模塊、虛擬仿真實驗實操模塊及實驗結(jié)果分析模塊組成，其中實驗準備模塊包括實驗?zāi)康?、實驗流程介紹、儀器認知和注意事項四部分；虛擬仿真實驗實操是該平臺的核心部分，包括瀝青混合料的攪拌、馬歇爾試塊的制備、馬歇爾試塊的脫模與稱量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定等實驗內(nèi)容，學生要在完成實驗項目學習的基礎(chǔ)上開展虛擬仿真實驗實操，通過實驗操作考查學生對實驗流程的掌握情況；實驗結(jié)果分析模塊則是在學生完成虛擬仿真實驗操作后，根據(jù)學生的測量及后續(xù)自主計算數(shù)據(jù)自動生成實驗報告，系統(tǒng)會對學生的實驗操作與結(jié)果進行評價，學生也可對自己的實驗結(jié)果進行分析。

2.2 虛擬仿真實驗平臺建設(shè)

在開始虛擬仿真實驗實操前需進行實驗準備工作，除了了解實驗?zāi)康?、實驗流程、注意事項外，學生可點擊操作界面上的儀器名稱查看儀器圖片與說明進行儀器認知。此外，還需根據(jù)規(guī)范進行瀝青混合料配合比設(shè)計，為后期實驗的開展做準備，在計算出瀝青混合料各成分質(zhì)量后在相應(yīng)空格處填入數(shù)值（操作界面見圖2），數(shù)值無誤方可進入實驗實操。

圖2 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗平臺實驗準備模塊操作界面

實驗實操是該虛擬仿真實驗的核心部分，內(nèi)容包括瀝青混合料的攪拌、馬歇爾試塊的制備、馬歇爾試塊的脫模與稱量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定。實驗過程中需要學生對馬歇爾試塊進行測量與稱重，在操作界面輸入實驗結(jié)果并進行數(shù)據(jù)分析，這同時也是對學生實驗操作及實驗內(nèi)容理解程度的考核。

在開始瀝青混合料攪拌前需將其組成成分提前篩分好放入烘箱預熱至攪拌溫度（如圖3（a）所示），預熱需至少1 h，比起現(xiàn)場實驗，虛擬仿真實驗可以大大節(jié)省材料的準備與預熱時間，通過虛擬仿真實驗平臺可以很方便地控制烘箱預熱溫度與時間。瀝青混合料的攪拌對礦料、瀝青及所需器皿的溫度要求很高，只有在保證攪拌溫度的前提下才能將瀝青混合料的組成成分倒入攪拌鍋進行攪拌，期間需用紅外測溫儀測溫，當瀝青混合料達到溫度要求后迅速將其倒出制作馬歇爾試塊（如圖3（b）所示）。制作試塊期間需將瀝青混合料置于加熱設(shè)備上加熱以保證其溫度，試塊稱重完成后的擊實環(huán)節(jié)也需在保證瀝青混合料溫度的前提下進行，否則需重做實驗?，F(xiàn)場實驗時，由于實驗條件的限制或?qū)W生對實驗操作不夠熟悉等原因?qū)е禄旌狭蠝囟冗_不到要求，而虛擬仿真實驗可以在保證實驗溫度的條件下讓學生完成該部分實驗操作。此外，馬歇爾試塊的稱重與測量也是該實驗考查的重點內(nèi)容之一，學生需熟悉稱量天平與游標卡尺的操作與讀數(shù)（如圖3（c）所示），虛擬仿真實驗過程中也會對該部分內(nèi)容進行考查，如制備的馬歇爾試塊不符合直徑（101.6±0.2）mm與高度（63.5±1.3）mm的要求系統(tǒng)會提示試塊讀數(shù)不正確或試塊尺寸不符合要求，需重新讀數(shù)或稱量。馬歇爾穩(wěn)定度實驗要求在測定馬歇爾穩(wěn)定度前將試塊置于60 ℃的水浴箱30～40 min，取出試塊后在30 s內(nèi)完成馬歇爾穩(wěn)定度與流值的測定（如圖3（d）所示），該部分實驗操作考查學生對標準馬歇爾實驗流程的掌握程度及馬歇爾穩(wěn)定度儀的操作情況，由于學生操作不當引起實驗結(jié)果不準確在現(xiàn)場實驗時也只能讓學生自行分析原因，很難再重新制作試塊重做實驗，通過虛擬仿真實驗平臺學生可以隨時重做實驗，只有在實驗數(shù)據(jù)達到要求的情況下才算達到實驗的考核要求。

圖3 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗平臺操作界面

3 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗教學特色

該虛擬仿真實驗平臺基于傳統(tǒng)實驗教學進行了拓展，除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的實驗教學外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實時的實驗考核與管理。作為一種新的教學方法虛擬仿真真實再現(xiàn)了瀝青混合料的攪拌與成型、馬歇爾試塊的測量與稱重及標準馬歇爾穩(wěn)定度實驗，激發(fā)學生學習興趣的同時也大大改善了教學效果。學生能夠在該平臺自主完成實驗項目的學習與操作、開展實驗結(jié)果分析、撰寫實驗報告，教師也可以通過平臺對實驗過程進行管理，完成傳統(tǒng)實驗教學中無法實現(xiàn)的部分。

教師可以借助虛擬仿真平臺結(jié)合現(xiàn)場教學，實現(xiàn)交互式的教學方法，培養(yǎng)學生的主觀能動性。學生在虛擬仿真實驗過程中能夠以場景漫游的方式進行交互性操作，如打開烘箱依次取出礦料成分進行稱重、將礦料倒入攪拌機進行攪拌、稱量并制作馬歇爾試塊、試塊稱重與測量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定等。虛擬仿真實驗的漫游場景取自實驗室真實場景，實驗操作中的儀器、試塊等圖片均來自實驗室實拍。學生實驗實操過程中由于操作不當或儀器問題無法繼續(xù)實驗時均需重做實驗，而現(xiàn)場由于實驗條件不允許或沒有多余試塊導致學生缺少實驗數(shù)據(jù)，虛擬仿真實驗可以很方便地通過重做實驗解決這一問題。

比起現(xiàn)場實驗，虛擬仿真實驗強化了學生預習，在開始實驗前與實驗過程中均設(shè)置了實習內(nèi)容的考核，如瀝青混合料配合比設(shè)計，學生計算得出的結(jié)果不符合配合比要求則無法開始實驗，系統(tǒng)會根據(jù)學生輸入的數(shù)值自行判定；實驗過程中的考核比如礦料成分的稱重順序，選取順序錯誤則需重做實驗，符合現(xiàn)場操作的實際情況；此外，實驗過程中還會對游標卡尺等測量儀器的使用進行考查，通過學生記錄的數(shù)據(jù)與之后撰寫的實習報告進行考核與評定。這些均要求學生在實驗操作前進行預習，強化了學生預習的同時提高了學生的自主探究能力。

4 結(jié)語

瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實驗教學平臺提供了自主式、開放式的實驗教學模式，改變了傳統(tǒng)實驗無法隨時隨地開展實驗的限制，學生只需用賬號登錄即可在電腦上學習與操作該實驗。此外，虛擬仿真也為教學與科研提供給了更好的平臺。項目在建設(shè)完成后已在本校土木工程專業(yè)學生中開展應(yīng)用，教學效果良好。