徐勛倩,葛文璇,項(xiàng)宏亮,張 晨

(南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

隨著交通運(yùn)輸工具的快速發(fā)展,橋梁作為跨越山、河、道路和疏導(dǎo)交通的重要建筑物,對(duì)于滿足我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求意義重大。但在自然環(huán)境、材料老化、荷載作用效應(yīng)、疲勞損傷等因素作用下,橋梁結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的傷亡事故、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響等都是不可預(yù)估的。因此,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)定至關(guān)重要,故土木工程(路橋方向)專業(yè)將其設(shè)置為一門新興的專業(yè)課程。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,由于長(zhǎng)期投入不足,實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)較為緩慢,目前,在學(xué)生橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)能力培養(yǎng)方面存在“理論知識(shí)較好,但工程應(yīng)用能力明顯不足”的現(xiàn)象,不能滿足“卓越計(jì)劃”對(duì)土木工程(路橋方向)專業(yè)的要求。橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定包含了無(wú)損檢測(cè)、數(shù)據(jù)信號(hào)采集、動(dòng)力學(xué)分析、大數(shù)據(jù)挖掘等綜合性技術(shù)。目前,教育部還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)劃教材,高校如何使學(xué)生掌握并應(yīng)用這一技術(shù)是主講教師面臨的首要問(wèn)題,需要專任教師不僅要有豐富的工程應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),還需要合理掌握授課技巧,能夠最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力,使橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定工作能夠更好地服務(wù)于社會(huì)。

近年來(lái),飛速發(fā)展的信息技術(shù)極大地推進(jìn)了教育現(xiàn)代化進(jìn)程。2017年,教育部發(fā)布通知,要求開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè),以促進(jìn)新時(shí)代大學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的提升。為解決橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定成本高、不可重復(fù)、交互性差、危險(xiǎn)性高、不易共享、實(shí)踐難度大等特點(diǎn)問(wèn)題,本文基于Unity3d技術(shù)、WebGL技術(shù)、OpenGL技術(shù)和3D仿真技術(shù),開發(fā)并構(gòu)建一個(gè)交互性好、綜合性強(qiáng)、沉浸式體驗(yàn)、集檢測(cè)與評(píng)定一體化的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以便學(xué)生能夠具有身臨其境的情景感知,進(jìn)而提高實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)效果。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(一)建設(shè)思路

對(duì)應(yīng)PC端,通過(guò)http://115.159.109.101/JX/網(wǎng)址登錄進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)版,如圖1。對(duì)應(yīng)移動(dòng)端,通過(guò)手機(jī)掃描橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)版下方的二維碼,下載對(duì)應(yīng)應(yīng)用程序登錄并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 登錄系統(tǒng)

具體橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)思路如下:

(1)通過(guò)工程實(shí)例觀摩和對(duì)公路橋梁分部結(jié)構(gòu)組成的3D模型分拆、重構(gòu)在線操作,提升學(xué)生對(duì)各類橋梁工程各部位系統(tǒng)的形態(tài)特征、整體結(jié)構(gòu)體內(nèi)的空間分布及其相互位置關(guān)系和病害形成機(jī)理的感性認(rèn)識(shí)。

(2)該系統(tǒng)鏈接到我校校企合作企業(yè)——江蘇華通工程檢測(cè)有限公司的華通橋涵管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)對(duì)公路橋梁三維虛擬仿真及病害檢測(cè)在線操作,可以根據(jù)橋梁地點(diǎn),熟悉橋梁工程行政識(shí)別信息(橋址、交通荷載、橋型、跨度、橋孔和樁號(hào)等),并隨機(jī)調(diào)取該橋的病害檢測(cè)信息,進(jìn)而了解各類橋梁工程技術(shù)病害檢測(cè)的分類和基本內(nèi)容。

(3)通過(guò)教師虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前操作指南教學(xué)視頻的學(xué)習(xí),如圖2。熟悉《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62-2004)》《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(JTG/T J21-2011)》中橋梁工程技術(shù)狀況評(píng)定的基本原理及方法,了解和掌握橋梁工程病害閾值控制指標(biāo)識(shí)別以及技術(shù)狀況評(píng)定的基本流程。

圖2 操作指南教學(xué)視頻

(4)通過(guò)對(duì)“分布部件、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、分項(xiàng)工程、全橋”技術(shù)狀況的在線評(píng)定和評(píng)定報(bào)告操作,了解和掌握橋梁工程技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定的規(guī)范化操作。

(二)教學(xué)目的與內(nèi)容

1.教學(xué)目的

應(yīng)用橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),開展覆蓋“預(yù)習(xí)、實(shí)施、復(fù)習(xí)、考核”全過(guò)程的虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn),既可較好解決單一實(shí)體實(shí)驗(yàn)由于受成本、安全風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度安排限制而致病害檢測(cè)操作復(fù)習(xí)難、考核難,公路橋梁組成構(gòu)件空間分布位置再現(xiàn)難、技術(shù)狀況評(píng)定示教效果差等問(wèn)題,還可增強(qiáng)學(xué)生在進(jìn)入實(shí)體工程現(xiàn)場(chǎng)前對(duì)具體分部件在工程空間位置關(guān)系的感性認(rèn)識(shí),掌握橋梁工程檢測(cè)與技術(shù)狀況評(píng)價(jià)的規(guī)范化操作流程,實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“完整、高效、綠色、環(huán)?！?做到實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核的全覆蓋。

2.教學(xué)與實(shí)施內(nèi)容

教學(xué)與實(shí)施內(nèi)容分為三個(gè)階段:實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備階段(“文檔管理”中下載實(shí)驗(yàn)依據(jù)、操作指南、實(shí)驗(yàn)任務(wù)書等,“三維展示”中以工程為例在線觀摩學(xué)習(xí));實(shí)驗(yàn)中階段(“首頁(yè)”“結(jié)構(gòu)”和“檢查評(píng)定”,以及在線操作學(xué)習(xí));實(shí)驗(yàn)后拓展階段(“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”“養(yǎng)護(hù)決策”,在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析及養(yǎng)護(hù)決策),具體操作流程如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

步驟一:對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)特征、分布部件及構(gòu)件“空間分布及其相互位置”關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)身份認(rèn)證,進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),點(diǎn)擊“結(jié)構(gòu)”模塊,如圖4。學(xué)生選擇項(xiàng)目并錄入橋梁工程行政識(shí)別信息,應(yīng)用系統(tǒng)3D模型“分拆”和“重構(gòu)”,在無(wú)提示的情況下,按照各分部構(gòu)件3D模型在結(jié)構(gòu)中的空間位置,學(xué)生可完成對(duì)結(jié)構(gòu)地圖、結(jié)構(gòu)形態(tài)特征、分布部件和構(gòu)件“空間分布及其相互位置”的學(xué)習(xí),如圖4。

圖4 “結(jié)構(gòu)”模塊

步驟二:對(duì)橋梁病害檢測(cè)項(xiàng)目分類和基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)身份認(rèn)證,進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),點(diǎn)擊“檢查評(píng)定”中的“檢查”模塊,完成對(duì)橋梁技術(shù)狀況現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目分類和基本內(nèi)容的在線學(xué)習(xí),如圖5。

圖5 “檢查評(píng)定”中的“檢查”模塊

步驟三:對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定基本原理和方法的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)身份認(rèn)證,進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),點(diǎn)擊“檢查評(píng)定”中的“評(píng)定”模塊,完成橋梁工程各構(gòu)件、分部結(jié)構(gòu)和全橋技術(shù)狀況評(píng)定依據(jù)與方法的在線學(xué)習(xí),如圖6。

圖6 “檢查評(píng)定”中的“評(píng)定”模塊

步驟四:對(duì)實(shí)驗(yàn)的形成性考核。教師通過(guò)系統(tǒng)管理員的身份認(rèn)證,進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),通過(guò)“檢查評(píng)定”中的“審核”模塊,完成對(duì)學(xué)生全橋病害檢查的審核和對(duì)學(xué)生“04評(píng)定”和“11評(píng)定”后的評(píng)定審核。這兩種審核都只有本系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員(一般設(shè)定為教師)才有權(quán)限進(jìn)行操作的行為,如圖7。

圖7 “檢查評(píng)定”中的“審核”模塊

步驟五:對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定報(bào)告規(guī)范化撰寫的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)身份認(rèn)證,進(jìn)入橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),點(diǎn)擊“檢查評(píng)定”中的“報(bào)告”模塊,完成橋梁工程各構(gòu)件、分部結(jié)構(gòu)和全橋技術(shù)狀況評(píng)定報(bào)告規(guī)范化撰寫的在線學(xué)習(xí),如圖8。

圖8 “檢查評(píng)定”中的“報(bào)告”模塊

二、實(shí)踐效果分析

(一)實(shí)驗(yàn)方法

學(xué)生戶借助電腦、平板、智能手機(jī)(安卓系統(tǒng))等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,訪問(wèn)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)(網(wǎng)址:http://115.159.109.101/JX),依據(jù)各自的身份認(rèn)證信息(登錄名:南通大學(xué),密碼:666)登錄進(jìn)入,點(diǎn)擊相應(yīng)的功能模塊,就可對(duì)《橋梁工程橋梁技術(shù)狀況評(píng)定》開展在線虛擬觀摩和仿真操作學(xué)習(xí)。

(二)考核要求

學(xué)生通過(guò)PC、平板、智能手機(jī)(安卓系統(tǒng))登錄橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),在系統(tǒng)中,點(diǎn)擊“結(jié)構(gòu)”“檢查評(píng)定”模塊,完成對(duì)病害檢測(cè)與評(píng)定試驗(yàn)操作流程的規(guī)范性,從形態(tài)上“識(shí)別”各類病害和對(duì)各分部構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體內(nèi)的“空間分布及其排列位置”的考核。在網(wǎng)頁(yè)界面,點(diǎn)擊“檢查評(píng)定”中的“審核”模塊,完成對(duì)相關(guān)理論與操作注意事項(xiàng)教學(xué)考核,在線考核成績(jī)由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判。通過(guò)在線考核,只有達(dá)到一定成績(jī)的“合格者”才能取得進(jìn)入實(shí)體工程開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作的資格,且在線考核成績(jī)計(jì)入學(xué)生總成績(jī)中。

(三)實(shí)施效果

(1)通過(guò)對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,可減少甚至取消以往在實(shí)體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí),在學(xué)生動(dòng)手檢測(cè)、評(píng)定前有教師“示教”操作的內(nèi)容,既增加了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室“自主”評(píng)測(cè)的相對(duì)時(shí)間,又減少了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地使用及安全風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本,達(dá)成了綠色實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。

(2)通過(guò)對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,解決了以往由于評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜抽象,實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大、信息量大、費(fèi)用昂貴,實(shí)驗(yàn)儀器精密、耗時(shí)長(zhǎng)、步驟繁瑣,實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求高,難以按教學(xué)進(jìn)度安排實(shí)施的問(wèn)題,通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”確保了實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的完整和高效。

(3)通過(guò)對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,解決了由于考核一對(duì)一、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全風(fēng)險(xiǎn)高,而致實(shí)驗(yàn)考核不全面、不完整的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了考核對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全覆蓋。

(四)項(xiàng)目特色

特色一:提出了“積為教用、虛為實(shí)用、虛實(shí)互補(bǔ)、提升實(shí)效”的建設(shè)思路。在虛擬仿真資源建設(shè)與應(yīng)用過(guò)程中,聚焦科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織形式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源媒介表現(xiàn)形式所帶來(lái)的變革,注重信息技術(shù)與土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合與應(yīng)用,提出了“積為教用、虛為實(shí)用、虛實(shí)互補(bǔ)、提升實(shí)效”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)思路,逐步形成了以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心教學(xué)理念,充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享優(yōu)勢(shì),通過(guò)實(shí)施虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和構(gòu)建形成性實(shí)驗(yàn)考核體系,系統(tǒng)地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

特色二:實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的“完整、高效、綠色、環(huán)?！?。在專業(yè)培養(yǎng)方案與課程教學(xué)大綱指導(dǎo)下,應(yīng)用Unity3d技術(shù)開發(fā)工具開展了橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn),既可完成在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中開展橋梁工程結(jié)構(gòu)組成特征、規(guī)范化檢測(cè)與評(píng)定試驗(yàn)流程等教學(xué)內(nèi)容,還可完成在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大、信息量大、費(fèi)用昂貴,實(shí)驗(yàn)儀器精密、耗時(shí)長(zhǎng)、步驟繁瑣,實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求高等,而致無(wú)法實(shí)施各系統(tǒng)的空間位置、結(jié)構(gòu)與病害關(guān)聯(lián)等教學(xué)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“完整、高效、綠色、環(huán)?！钡哪繕?biāo)。

特色三:形成性考核評(píng)價(jià)體系。依托網(wǎng)絡(luò),借助PC、平板、智能手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,登錄訪問(wèn)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)在線觀摩、操作、答題、互動(dòng)等方式,在線完成對(duì)橋梁檢測(cè)與加固課程中橋梁技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí),既解決了以往學(xué)生在進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室前對(duì)橋梁檢測(cè)及技術(shù)狀況檢測(cè)與評(píng)定規(guī)范化操作流程感性認(rèn)識(shí)不足、考核內(nèi)容不全面的問(wèn)題,還為引入MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)新形態(tài),實(shí)施形成性考核評(píng)價(jià)體系創(chuàng)造了條件。

特色四:全天候、全時(shí)空開放運(yùn)行。橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自主管理的獨(dú)立系統(tǒng),學(xué)生以學(xué)號(hào)或其他測(cè)試賬號(hào)登錄,可全天候、全時(shí)空的對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)。

特色五:虛實(shí)結(jié)合的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中所涉及的檢測(cè)流程、橋梁部件、結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)的形態(tài)特征與空間分布、病害檢測(cè)與評(píng)定注意事項(xiàng)等為考點(diǎn),按照各自在橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的權(quán)重,形成虛實(shí)結(jié)合的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的全覆蓋。

三、結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn),使學(xué)生能夠掌握橋梁工程技術(shù)狀況現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)操作流程,及其在技術(shù)狀況評(píng)定過(guò)程中的注意事項(xiàng);了解并掌握橋梁工程結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部部件、構(gòu)件在結(jié)構(gòu)組成上的特征,及在空間分布上的位置關(guān)系;了解并掌握公路橋梁各子系統(tǒng)的分部組成與其病害的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系;最終通過(guò)評(píng)定實(shí)驗(yàn),掌握橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定方法及其操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

橋梁技術(shù)狀況評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐與探索,主動(dòng)適應(yīng)了信息技術(shù)變革,符合新時(shí)代中國(guó)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的實(shí)際,對(duì)如何深化教育部“五大金課”建設(shè)和培養(yǎng)“卓越工程師”拔尖人才具有一定的啟發(fā)和借鑒作用,也是高等教育推進(jìn)“智能+教育”模式的有益探索,對(duì)推動(dòng)高校新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量提升提供了新的動(dòng)力。