多媒體技術(shù)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

柳獻(xiàn)　王輝

摘要：試驗(yàn)教學(xué)是土木工程專業(yè)教育的重要環(huán)節(jié)之一，多媒體信息技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)提供了便利。文章以盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了多媒體試驗(yàn)視頻的制作過程，并對(duì)多媒體信息技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：多媒體信息技術(shù)；土木工程專業(yè)；結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

10052909（2015）04014704

一、土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，土木工程專業(yè)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。高速鐵路、大跨橋梁、超高層結(jié)構(gòu)、綜合地下空間工程建設(shè)如火如荼，亟需大批具有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)技能、技術(shù)應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的專業(yè)技術(shù)人才[1-2]。因此，如何不斷提高土木工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為高等教育的重要課題。試驗(yàn)教學(xué)是土木工程專業(yè)學(xué)生掌握試驗(yàn)方法和技能、提高工程和創(chuàng)新能力的重要手段之一。

目前的試驗(yàn)教學(xué)中還存在若干問題亟需解決[3-4]：（1）“重理論，輕實(shí)踐”的教學(xué)觀念。本科生的試驗(yàn)教學(xué)一直處于弱勢(shì)地位，學(xué)生參與試驗(yàn)多數(shù)抱著敷衍了事的心態(tài)。（2）教學(xué)內(nèi)容單一陳舊。由于試驗(yàn)條件的限制和試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)院校的土木工程專業(yè)試驗(yàn)均作為理論課的“附屬物”，教學(xué)內(nèi)容以常規(guī)性、驗(yàn)證性材料或簡(jiǎn)單構(gòu)件試驗(yàn)為主，基本沒有開展工程意義更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。（3）教學(xué)方法單一。以灌輸式教學(xué)為主，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，難以真正提起興趣。

同時(shí)，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)過程復(fù)雜，且具有一定的破壞性和危險(xiǎn)性，學(xué)生直接參與和操作試驗(yàn)比較困難。教學(xué)方法和理念的陳舊，以及土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)自身的特點(diǎn)大大制約了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。而近年來迅速興起的多媒體信息技術(shù)使解決這一難題成為可能，通過多媒體技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)全過程進(jìn)行記錄，并加以后期處理，用于試驗(yàn)教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

二、盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)視頻制作

試驗(yàn)教學(xué)視頻基于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)制作，在整個(gè)拍攝和制作過程中有一些問題需要特別注意。首先，視頻內(nèi)容專業(yè)性強(qiáng)。視頻將表現(xiàn)大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)全過程，制作視頻需要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程有較為深入的了解和認(rèn)識(shí)。因此，試驗(yàn)參與人員將完成視頻腳本的撰寫，并參與指導(dǎo)視頻制作全過程，對(duì)于跨學(xué)科知識(shí)要求高。其次，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，需要消耗大量人力、物力，一般都是結(jié)合教師科研課題進(jìn)行，視頻素材的采集過程必然受到試驗(yàn)進(jìn)展和場(chǎng)地等各方面因素的限制。因此，在視頻采集前需要明確拍攝目的和內(nèi)容，擬定信息采集流程并嚴(yán)格執(zhí)行。

文章結(jié)合同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系所進(jìn)行的地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)[6]，如圖 1，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的視頻制作與應(yīng)用展開討論。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)概況

盾構(gòu)隧道一般采用預(yù)制管片拼裝式的襯砌結(jié)構(gòu)，荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的徑向位移、管片間接縫內(nèi)外張合位移是衡量其結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)的基本指標(biāo)。本試驗(yàn)以典型盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)為背景，進(jìn)行圓形隧道通縫拼裝襯砌結(jié)構(gòu)極限承載試驗(yàn)，探求隧道結(jié)構(gòu)襯砌環(huán)受荷后變形特征，獲得結(jié)構(gòu)極限承載力，分析結(jié)構(gòu)變形隨荷載發(fā)展規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

試驗(yàn)采用的鋼筋混凝土預(yù)制管片厚度0.35 m，環(huán)寬（沿隧道縱向尺寸）1.2 m。拼裝出的圓環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m。全環(huán)分為4種類型的6塊預(yù)制管片，如圖1所示，包括1個(gè)封頂塊（F塊）、2個(gè)鄰接塊（L1和L2塊）、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊（B1和B2塊）和1個(gè)底塊（D塊）。根據(jù)地鐵圓形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，多個(gè)集中荷載近似地層壓力分布荷載。圓形裝配式襯砌環(huán)水平放置，由24個(gè)拉桿式反力架形成匯于中心鋼環(huán)的對(duì)拉加載框架12對(duì)，整個(gè)加載裝置構(gòu)成一個(gè)自平衡體系，如圖 2。

圖2 加載裝置布置平面圖

整個(gè)試驗(yàn)從設(shè)計(jì)準(zhǔn)備至后期數(shù)據(jù)處理全周期長(zhǎng)達(dá)1年時(shí)間，如此大規(guī)模長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)很難組織學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的參觀學(xué)習(xí)，因此，采用多媒體信息技術(shù)對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施、收尾全過程進(jìn)行記錄，并配以解說，用于課題教學(xué)，讓學(xué)生全面了解試驗(yàn)過程。同時(shí)，對(duì)于本試驗(yàn)而言，完整試驗(yàn)過程的視頻記錄十分重要。由于地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)參與人員眾多，試驗(yàn)加載持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，涉及因素眾多，在試驗(yàn)全過程中，試驗(yàn)人員難以完整記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，在試驗(yàn)結(jié)束后也很難重現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)象。試驗(yàn)全過程的視頻記錄可較為完整地記錄試驗(yàn)實(shí)施過程及期間發(fā)生的各種試驗(yàn)現(xiàn)象，在一定程度上突破時(shí)間的限制，把一次性不可重復(fù)的試驗(yàn)過程變成可反復(fù)觀察、研究的多媒體信息資料，以便于后期試驗(yàn)的分析和研究。

（二）試驗(yàn)視頻制作

盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)視頻制作過程包括腳本撰寫、素材采集和后期制作三個(gè)步驟，視頻涉及大量土木工程專業(yè)知識(shí)，試驗(yàn)人員全程參與視頻制作。

1. 腳本撰寫

試驗(yàn)多媒體視頻的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)視頻內(nèi)容框架，撰寫視頻腳本。腳本的好壞直接關(guān)系到素材采集的完整性和可行性，乃至于最終的視頻質(zhì)量。由于學(xué)科差異較大，視頻素材采集和制作人員在土木工程專業(yè)知識(shí)上存在明顯空缺。因此，視頻腳本務(wù)必要通俗易懂、可操作性強(qiáng)。

首先，明確拍攝目的。本視頻基于地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)，通過記錄試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施和試驗(yàn)結(jié)果處理和現(xiàn)象分析的全過程，為土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)提供素材和依據(jù)。因而，視頻重點(diǎn)應(yīng)為試驗(yàn)各部分原理、設(shè)計(jì)思路的介紹和試驗(yàn)過程的完整記錄。

其次，設(shè)計(jì)視頻完整框架。視頻框架與試驗(yàn)進(jìn)行的流程一致，主要包括試驗(yàn)背景、試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果五個(gè)部分，按照時(shí)間的順序清晰完整地展現(xiàn)整個(gè)盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和后期結(jié)果處理全過程。

最后，撰寫試驗(yàn)視頻腳本。腳本內(nèi)容根據(jù)試驗(yàn)先后順序分為五個(gè)部分。

（1）引言。地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)由同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院、上海申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心、上海隧道工程設(shè)計(jì)院、上海隧道股份有限公司共同實(shí)施完成。

（2）試驗(yàn)背景和目的。上海地鐵盾構(gòu)隧道投入運(yùn)營(yíng)多年，逐漸進(jìn)入襯砌結(jié)構(gòu)的頻繁維護(hù)期。為確保襯砌結(jié)構(gòu)的安全，需要對(duì)地鐵襯砌結(jié)構(gòu)的承載性能有進(jìn)一步的研究，了解結(jié)構(gòu)變形特征和安全系數(shù)，探求運(yùn)營(yíng)地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)維護(hù)的理論依據(jù)和技術(shù)手段，為此特進(jìn)行盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)研究。

（3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作、試驗(yàn)場(chǎng)地、試件介紹、加載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)前進(jìn)行了大量的調(diào)研準(zhǔn)備工作，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合理論計(jì)算確定試驗(yàn)各加載點(diǎn)荷載比值。試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)施齊全、空間寬敞，適宜進(jìn)行本次試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用的試件為上海市盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)襯砌試件，試驗(yàn)加載經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，為模擬盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在土體中受力情況，采用3組24點(diǎn)徑向加載。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)以機(jī)械測(cè)量與光學(xué)測(cè)量?jī)煞N方法結(jié)合，更加準(zhǔn)確地觀察和描述試驗(yàn)現(xiàn)象，測(cè)量的主要內(nèi)容包括徑向位移、接縫張開、接縫錯(cuò)臺(tái)、混凝土應(yīng)變和螺栓應(yīng)變。

（4）試驗(yàn)過程。試驗(yàn)過程主要包括荷載設(shè)計(jì)和控制程序、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)過程和試驗(yàn)收尾工作。加載過程前半段為荷載控制階段，后程為位移控制階段，模擬實(shí)際工況中側(cè)向土壓力達(dá)到被動(dòng)土壓力后不再增加的情況，同時(shí)定義了試件的破壞標(biāo)志。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段的主要工作包括場(chǎng)地布置、吊裝襯砌管片和加載裝置、測(cè)件安裝和預(yù)加載。在試驗(yàn)人員檢查測(cè)量設(shè)備、準(zhǔn)備測(cè)量記錄試驗(yàn)現(xiàn)象后，正式加載開始。試驗(yàn)卸載后再次描繪襯砌結(jié)構(gòu)上裂縫開展情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管片進(jìn)行拆卸。

（5）試驗(yàn)成果。通過盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)獲得了測(cè)試數(shù)據(jù)整理報(bào)告和上海地鐵襯砌整環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載力試驗(yàn)研究綜合報(bào)告，主要包括襯砌結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較分析，試驗(yàn)研究主要結(jié)論以及運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)加固建議指南。

2.素材收集

相比于普通多媒體視頻制作的素材采集過程，試驗(yàn)視頻的素材采集過程在很大程度上受試驗(yàn)進(jìn)度制約。試驗(yàn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段時(shí)間跨度長(zhǎng)，素材采集有選擇地針對(duì)其中關(guān)鍵部分進(jìn)行拍攝。而盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的正式加載時(shí)間持續(xù)大約12個(gè)小時(shí)，各加載步驟和數(shù)據(jù)采集均按照試驗(yàn)前制定的流程操作，需要采集內(nèi)容集中且不可重復(fù)，所以特設(shè)置多臺(tái)相機(jī)，嚴(yán)格按照視頻腳本進(jìn)行素材采集。合理安排采集進(jìn)度和正確選擇采集內(nèi)容保證了素材收集的完整性，提高了工作效率，素材采集工作有條不紊地進(jìn)行。

同時(shí)，為防止視頻制作人員因土木工程專業(yè)知識(shí)的欠缺導(dǎo)致對(duì)素材采集重點(diǎn)把握的不準(zhǔn)確，每次素材采集前試驗(yàn)人員會(huì)按照視頻腳本再次明確素材采集內(nèi)容，保證素材收集的完整性。

3. 后期制作

完成視頻素材收集后，根據(jù)視頻腳本進(jìn)行，對(duì)所收集素材進(jìn)行剪輯、選擇、整合與變換，制作盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)視頻多媒體文件。后期制作的主要工作包括素材剪輯整合和視頻配音兩個(gè)部分。

（1）素材剪輯整合。為滿足結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課堂教學(xué)要求，整個(gè)視頻的長(zhǎng)度控制在30分鐘以內(nèi)。視頻需要完整展現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)從設(shè)計(jì)準(zhǔn)備到結(jié)束收尾全過程，使學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)整體流程有清晰的認(rèn)識(shí)。因此，試驗(yàn)視頻需具有簡(jiǎn)潔性和完整性。視頻腳本對(duì)所拍攝的視頻素材進(jìn)行篩選，剔除重復(fù)和次要內(nèi)容，將篩選后的視頻素材與文字、音頻和圖片素材有機(jī)組合，輔以視頻過渡動(dòng)畫，完成視頻初稿。

（2）視頻配音。試驗(yàn)參與人員對(duì)照視頻原稿和腳本文件，完成配音講稿的撰寫，如表1，再應(yīng)用專業(yè)音頻處理軟件進(jìn)行視頻的配音工作。

完成視頻內(nèi)容制作后，按照相應(yīng)的格式將視頻文件導(dǎo)出，便于其發(fā)布和播放。

（三）視頻多媒體的應(yīng)用

大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，由于場(chǎng)地和試驗(yàn)進(jìn)度等條件限制，往往難以大范圍組織學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參觀或參與。試驗(yàn)原理和試驗(yàn)過程的講述較為抽象，學(xué)生大多時(shí)候只能機(jī)械記憶試驗(yàn)內(nèi)容和方法，對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理過程和具體的操作沒有深入理解。本視頻完整記錄了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限承載力試驗(yàn)從設(shè)計(jì)準(zhǔn)備到試驗(yàn)收尾的全過程，通過對(duì)各部分原理和具體操作的具象展示，其用于課堂教學(xué)之中，相比于傳統(tǒng)的試驗(yàn)教學(xué)有巨大優(yōu)勢(shì)。

（1）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)熱情。運(yùn)用視頻系統(tǒng)記錄土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)全過程，通過后期剪輯制作，形成完整試驗(yàn)視頻。試驗(yàn)視頻圖文并茂、視聽一體，便于學(xué)生接受，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（2）全方位刺激感官，提高教學(xué)效果。相比于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，多媒體信息技術(shù)用于試驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生提供聽覺和視覺上更全面的感官刺激，有利于提高教學(xué)效果。

此外，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高，多媒體視頻完整記錄試驗(yàn)過程，借助其傳播途徑的便捷性，更多學(xué)生接觸此類試驗(yàn)、了解實(shí)驗(yàn)過程，享受優(yōu)質(zhì)教育資源，實(shí)現(xiàn)教育資源的公開化、公平化。

三、結(jié)語

結(jié)合盾構(gòu)隧道極限承載力試驗(yàn)，文章

系統(tǒng)介紹了多媒體試驗(yàn)視頻制作從腳本撰寫、素材收集到后期制作的全過程，并討論了試驗(yàn)視頻的應(yīng)用效果。課堂教學(xué)中利用多媒體信息處理技術(shù)記錄土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)全過程，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高試驗(yàn)教學(xué)效果，并推動(dòng)優(yōu)質(zhì)教育資源的公開化、公平化，具有很好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：

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