劉 寧 楊艷敏 徐麗娜

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、研究和實(shí)踐等綜合能力及素質(zhì)，是高等院校培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重要實(shí)踐組成部分。近年來高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展得到了國(guó)家的大力支持，在這種機(jī)遇下國(guó)內(nèi)部分土建類高等院校利用虛擬仿真技術(shù)建立了相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并展開相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)[1，2]。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為高校信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地建設(shè)中不可或缺的環(huán)節(jié)，并且是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與各學(xué)科專業(yè)之間高度融合的產(chǎn)物[3]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式特點(diǎn)及問題

實(shí)踐是土木工程學(xué)科發(fā)展的重要基礎(chǔ)，土木工程專業(yè)的核心課程包括基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)、橋梁結(jié)構(gòu)等，所涉及的教學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍存在以下特點(diǎn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)件成本高、制作周期長(zhǎng)

實(shí)體的建筑結(jié)構(gòu)如房屋、隧道、橋梁等工程通常體量較大，對(duì)這些體量較大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件很難在實(shí)驗(yàn)室完成足尺實(shí)驗(yàn)[4]。此外，與土木工程專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本較高的特點(diǎn)，如“受彎構(gòu)件實(shí)驗(yàn)”需要用到的鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥脑嚰O(shè)計(jì)、鋼筋下料、模具制作、澆筑及養(yǎng)護(hù)直至實(shí)驗(yàn)課上的加載試驗(yàn)不僅需要投入大量耗材，較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期也制約了學(xué)生的全程參與[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高、消耗大

土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)通常要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，并且是脆性破壞，具有一定的突然性，實(shí)驗(yàn)過程中的安全情況難以完全掌控，尤其是工程結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)耐高溫等實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其危險(xiǎn)性更高，并且此類實(shí)驗(yàn)都屬于一次性破壞實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)均需要制作模型試件，從而造成較大的資源消耗[6]。

1.3 學(xué)生缺少全過程的參與體驗(yàn)

土木工程實(shí)驗(yàn)課程通常包括試件的設(shè)計(jì)和制作、實(shí)驗(yàn)加載、數(shù)據(jù)采集與處理，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)。由于試件數(shù)量及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，在實(shí)驗(yàn)授課過程中學(xué)生大多分為5～10人一組，每位同學(xué)負(fù)責(zé)一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分工合作，以組為單位共同完成實(shí)驗(yàn)。因此，會(huì)導(dǎo)致每位同學(xué)無法獨(dú)立系統(tǒng)地操作，難以體驗(yàn)完整的實(shí)驗(yàn)過程，在一定程度上缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)整體的認(rèn)知。

鑒于以上在傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，為化解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)之間存在的障礙，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)課堂知識(shí)的廣度和深度，在實(shí)驗(yàn)室完成試驗(yàn)和教室中學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀、精確的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新。

2 虛擬仿真結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

土木工程實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累和參與科研創(chuàng)新活動(dòng)，整合了豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，始終秉承“立足教學(xué)、面向工程、開放共享”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，旨在將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源與仿真實(shí)驗(yàn)的開放共享，不斷提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2.1 建設(shè)思路

（1）土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為加強(qiáng)土木工程學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)能力，提供多種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)仿真模塊，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的豐富程度。將現(xiàn)有的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)分為實(shí)驗(yàn)原理介紹、課程相關(guān)綜合實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)等難度逐級(jí)遞進(jìn)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能夠從不同的角度、視覺和領(lǐng)域掌握與學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與理論課程、實(shí)體實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，三大虛擬仿真試驗(yàn)?zāi)K與三門實(shí)驗(yàn)課程支撐三門專業(yè)主干理論課程，輻射其他六門專業(yè)課程，基本覆蓋了土木工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的主要課程。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

（1）以鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎試驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)是土木工程專業(yè)三年級(jí)本科生必修的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，由于在傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)中受到場(chǎng)地、耗材量、時(shí)間的限制，學(xué)生在課堂上能完成的簡(jiǎn)支梁加載破壞試驗(yàn)數(shù)量并不多。鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的有效輔助手段，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，學(xué)生可以利用虛擬動(dòng)畫模擬鋼筋混凝土梁的制作，并根據(jù)設(shè)計(jì)完成適筋、少筋及超筋梁，不同配筋率的簡(jiǎn)支梁破壞試驗(yàn)?zāi)M。并且能夠在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景中反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)工況及參數(shù)，體驗(yàn)不同工況條件下的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的區(qū)別。主要包括：對(duì)每種試件可通過設(shè)置構(gòu)件長(zhǎng)度、截面尺寸以及配筋等模型參數(shù)，在模擬試驗(yàn)場(chǎng)景中設(shè)置百分表、混凝土及鋼筋應(yīng)變片，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)梁的裂縫出現(xiàn)并逐漸發(fā)育，動(dòng)態(tài)顯示加載曲線。同時(shí)，可調(diào)整分配梁、兩端支座、加載點(diǎn)控制、應(yīng)變片布設(shè)位置、百分表布設(shè)條件，實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)確定后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可完成數(shù)值歸零、加載值顯示、變形及試件開裂顯示、變形曲線繪制等功能，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎虛擬仿真試驗(yàn)

（2）教師可查看學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的登錄日志，登錄IP及登錄時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)，從而評(píng)價(jià)學(xué)生是否在認(rèn)真完成虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生完成某個(gè)試驗(yàn)?zāi)K學(xué)習(xí)后可在線進(jìn)行原理考核、試驗(yàn)操作考核并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)自動(dòng)批改后將成績(jī)、詳情保存至服務(wù)器。通過管理權(quán)限教師能夠查看學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程、考試成績(jī)和下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批閱，從而形成多角度、多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系。

（3）由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)掛靠在校內(nèi)云端的服務(wù)器上，因此學(xué)生可以在寢室、自習(xí)室等任何校內(nèi)的地方通過校園網(wǎng)和計(jì)算機(jī)訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)資源。對(duì)于校內(nèi)資源共享，學(xué)生可以更合理地分配學(xué)習(xí)時(shí)間，在不限定的地點(diǎn)和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)即可。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)資源還可以對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開放共享。

3 虛擬仿真結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已結(jié)合“土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)完成了嘗試性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，試用對(duì)象為土木建工系2019級(jí)學(xué)生，分4次課開展了8個(gè)學(xué)時(shí)的“實(shí)體+虛擬”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了學(xué)習(xí)體驗(yàn)并撰寫完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。結(jié)合實(shí)驗(yàn)成績(jī)和實(shí)際教學(xué)效果分析，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際應(yīng)用后，主要體現(xiàn)出以下3個(gè)方面反饋效果：

（1）教學(xué)效果有所提升。通過與往屆學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及操作步驟的掌握程度進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)參與本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生由于在虛擬平臺(tái)上的提前預(yù)習(xí)，進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室后能夠更快速熟練地掌握設(shè)備儀器使用以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的方法。虛擬動(dòng)畫中生動(dòng)、直觀的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)形式也幫助學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的理論知識(shí)有更深刻的體會(huì)和領(lǐng)悟。

（2）學(xué)習(xí)興趣提高。對(duì)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)這種較為新穎的結(jié)合虛擬仿真的教學(xué)方式表現(xiàn)出強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)熱情明顯提高，并且大部分學(xué)生表示在課余時(shí)間會(huì)登錄虛擬仿真平臺(tái)繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)踐操作。

（3）課程考核成績(jī)提升。與往屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)相比，參加本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生考核成績(jī)整體上有所提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的批閱意見回顧自己在實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理中存在的問題，也可以再次登錄系統(tǒng)進(jìn)行操作，在加深學(xué)習(xí)印象的同時(shí)給予學(xué)生有效的實(shí)踐指導(dǎo)和反饋。

4 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大是高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)在發(fā)展和探索過程中的必然結(jié)果，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的實(shí)驗(yàn)輔助工具。本文通過在鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐表明，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠在一定程度上緩解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與當(dāng)代工程化人才培養(yǎng)之間存在的問題。盡管目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在實(shí)際實(shí)施過程中仍存在一些問題或不足，但其作為一種結(jié)合了信息技術(shù)的教學(xué)模式，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，強(qiáng)化了對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，對(duì)持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新具有重要的意義。