虛擬試驗技術在土力學試驗教學中的應用

摘要：隨著虛擬現實技術的發展，虛擬試驗技術已在高校試驗教學中廣泛應用。虛擬試驗可以為學生提供逼真的、生動的試驗環境，使試驗教學過程具有較強的視覺沖擊力和靈活的交互性，使學習過程形象化、生動化，能夠激發學生參與試驗的積極性。有利于提高學生的實踐技能。文中主要介紹了虛擬試驗技術在土木工程專業土力學試驗教學中的應用。實踐證明，虛擬試驗教學系統既能保證教學效果，又能豐富試驗手段、提升學生試驗的自主性和創新能力。

關鍵詞：虛擬試驗；土力學；試驗教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）03-0073-02

土力學試驗是土木工程專業課程教學體系中非常重要的實踐性教學環節，注重培養學生獨立思考和實踐能力。在教學環節中，學生通過動手試驗，可以深入理解土的物理力學性質，熟悉土工試驗設備、掌握試驗數據的分析與處理，從而循序漸進地提高學生對土力學理論的理解，有利于培養學生的解決工程問題的能力。土力學試驗室一直是土木工程專業本科試驗教學的基礎，但是近年來，隨著高等院校招生規模的擴大，學生數量呈現爆炸性增長，因此，有限的試驗教學設備，加上硬件設施未能及時擴建，成為了制約試驗教學環節的一大難題，另外，由于參加試驗的學生人數多、試驗準備需要花費較長時間、試驗結果受人為影響因素多等問題的存在，使得土力學試驗教學效果難以得到保障。為了解決目前存在的試驗教學壓力，將虛擬試驗技術運用到土力學教學環節，建立了虛擬試驗教學系統，在土力學試驗教學改革方面做出了一定的探索。

一、虛擬試驗系統建設

1.設計思想。考慮到傳統試驗教學存在的問題，故將虛擬現實技術引入到土力學試驗教學環節，構建一個網絡虛擬試驗系統。虛擬試驗總體設計思想是通過虛擬現實技術、多媒體技術等實現的計算機輔助教學，可向學生提供直觀的、交互式體驗的教學平臺[1]。

2.實現手段。將虛擬試驗系統的整體架構以圖形圖像、音效、文本信息、視頻等多種表現形式，展示或融合在靈活多變、可選擇的交互的教學過程中。畫面鏡頭采用快切、硬切、動態、柔化、模糊等處理手法。在空間、時間的轉換上采用多維制作手段，將試驗的操作在計算機產生的三維虛擬空間中加以實現。

3.技術路線。（1）基于B/S結構，用戶通過瀏覽器訪問，瀏覽器支持IE6.0以上；（2）采用XLS文件和XML文檔存儲交換信息；（3）基于JAVA程序語言進行系統編碼；（4）用戶支持系統采用SQLServer數據庫。

4.基本構架。虛擬試驗系統是在一種在虛擬環境下進行試驗，學生可以通過交互式的操作完成試驗內容，進行試驗數據處理，達到試驗要求。為了將虛擬技術應用到試驗教學過程中，我校建工試驗中心開發了虛擬實驗室平臺，虛擬試驗系統整體構架包括試驗室簡介、試驗設備、試驗文件、試驗項目、音像資料、名人禮堂等。通過這個虛擬系統學生可以了解試驗室的規章制度、試驗項目的基本原理、所需試驗設備及其方法、試驗流程等環節。試驗項目模塊中包括土力學各項常規或基礎性試驗項目；為了使學生盡快熟悉試驗過程，音像資料項目中包括試驗實例演示、現場試驗視頻等資料；名人禮堂項目中包括對土力學發展具有重要促進作用的名人傳記、經典試驗等內容。

二、應用實例

本文僅以土力學試驗中的土的直剪試驗為例，直剪試驗的目的在于測定土的抗剪強度，確定土內摩擦角度Φ和內聚力C，從而作為計算地基強度和穩定性的基本指標。首先，通過瀏覽器打開虛擬實驗室網址：www.aeec.ncut.edu.cn，如圖1所示，選擇進入土力學實驗室，進入實驗項目模塊，選擇直剪試驗。

本虛擬試驗系統將直剪試驗按照《土工試驗方法標準》試驗操作規程分解為如下6個步驟：

1.拔下固定銷釘，先放入透水石，再放入濾紙，然后，將帶土樣的環刀刀口向上對準剪切盒口，在土樣上部放一張濾紙，再放一塊透水石，最后，將土樣小心地推入剪切盒內，移去環刀，并插入銷釘固定上下盒。

2.按順時針方向徐徐轉動手輪移動傳動裝置，使上盒前端鋼珠剛好與量力環內百分表接觸時為止。

3.依次放上傳壓板、加壓框架，安裝垂直位移和水平位移裝置，并調至零位。

4.分級施加垂直壓力（通常采用100KPa、200KPa、300KPa、400KPa）。

5.拔掉固定銷，開動秒表，轉動手輪以0.8mm/min剪切速度（固結快剪），使土樣在3～5min內剪損（如果是慢剪則剪切速率為0.02mm/min）。

6.剪切結束，退去剪切力和垂直壓力，移動加壓框架，取出試樣，測定試樣含水率。

虛擬試驗系統與計算機終端用戶有很強的交互性，可以為學生提供生動、逼真的試驗環境。學生隨時通過網絡進入試驗室進行課前預習、模擬試驗、多次重復試驗，且不受時間、場地限制。通過虛擬試驗，學生對儀器設備和試驗過程有了更深刻的認識，加深了對基本概念、基本技能的理解和掌握，在進行真實試驗時，能夠大大減少實際失誤率。另外，通過這種人機交互模式的訓練，能夠激發了學生的學習熱情，有利于學生自學能力、分析和解決問題能力以及創新能力的提高。虛擬與現實、傳統與現代相結合的試驗教學模式的建立，在提高試驗教學質量方面做出了一定的貢獻[2-3]。

參考文獻：

[1]宋小軟，趙俊蘭，王獻云.土木工程專業網絡虛擬試驗室建設探討[J].結構工程師，2011，（01）：264-267.

[2]趙俊蘭.基于網絡技術虛擬試驗的研究[J].試驗技術與管理，2011，（3）：220-223.

[3]段中興，嵇啟春.網上虛擬試驗教學系統的開發與應用[J].試驗技術與管理，2008，（8）：84-87.