基于云平臺的現代巖土測試技術實驗教學改革與實踐

王春來, 許沁舒, 陳 蔓

(1. 中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院, 北京 100083;2. 煤炭安全開采與地質保障國家級實驗教學示范中心, 北京 100083)

建設世界一流大學和一流學科,是我國在新形勢下作出的重大戰略決策,是高等教育建設的風向標[1]。礦業工程是我校“雙一流”建設學科,采礦與安全高層次人才培養探索與實踐 “新工科”建設項目,體現了我校采礦工程專業的特色和優勢。現代巖土測試技術課程為采礦工程、地質工程、工程力學專業本科生的專業基礎課,與現場工程測試緊密相關[2-6]。該課程旨在從巖土測試的角度介紹測試技術的基本分析和數據處理、設計方法,使學生掌握巖土測試的基本概念和基本監測手段。較強的工程測試應用能力,不能單純依靠課堂教學,實驗教學是將專業理論知識與生產、實踐認知緊密聯系起來的必備教學環節[7-9]。通過實驗實踐課將理論知識有型化,可以使學生更好地理解課堂教學涉及的多種巖土測試技術,并可通過現代化的云平臺掌握必要的巖土測試技術和方法及數據處理方法，使學生能夠針對巖土工程中的復雜問題,樹立獨立思維、勇于創新的意識,鍛煉綜合實踐能力。

1 巖土測試課程教學中存在的問題

1.1 測試手段單一

傳統的巖土工程測試主要是獲取各項參數指標[10-11],參數指標的測試設備單一,一臺設備一個參數,不能通過多參量多指標測試反映現場測試的實際情況。

1.2 海量數據難處理

對于前期實驗教學利用巖土測試系統獲取的海量監測數據,如何進行有效處理是亟待解決的難題。最關鍵的是從測試數據中提取有效數據,并使分析處理結果很好地為工程服務。

1.3 測試報告不夠精細

測試報告是通過數據定量分析巖土狀態非常有效明晰的方式[12-13]。目前的測試報告不規范且缺乏針對性、精細化,無法應用于實際工程。

2 云平臺測試系統的建構

根據前期“現代巖土測試技術課程”實驗教學過程中發現的問題,提出并設計了云平臺智能無線巖土測試系統,由北京道沖泰科科技有限公司加工制作,實現了不同巖土參數測試功能。測試人員可以進行云端操控與數據采集,還可在移動設備的Web頁面上進行實時監測,實現了巖土多手段實時測試,并能自動處理數據和形成測試報告。

2.1 系統構成

平臺的測試設備包括滲壓計、土壓力計、應變計、內嵌式溫度計、固定式測斜儀、多點位移計、土壤濕度計等。通過無線采集節點實現數據的收集與上傳,再由云服務平臺進行數據整合,通過Web頁面或手機APP,實現巖土監測的大數據采集。系統示意圖如圖1所示。

圖1 云平臺無線巖土測試系統

2.2 云平臺介紹

本測試平臺是iCivil-800工程安全監測平臺,涵蓋了工程變形監測成果、施工相關信息、空間位置分布等相關內容,具有融合大數據技術進行深度數據分析及數據預警等功能。授權用戶可通過本系統了解監測對象的地理位置、項目信息、監測頻率、變形大小、現場圖片等信息,如圖2所示。

圖2 測試系統組成及實現的功能

該平臺通過屬性庫、資料庫、圖形庫和進度庫,將數據庫技術(信息管理、儲存、查詢)、電子表格功能(數據錄入與整編)、CAD技術(與圖形的關聯)和統計分析算法等功能整合在同一個軟件平臺上,借助軟件進行分析、評估與決策。

3 實驗教學方法改革

傳統巖土測試課程主要以介紹設備為主,并通過一定的測試方法展示測試數據。本測試系統采用了當前先進的傳感器,每一位學生都可以用自己手機號碼進入系統進行操作、測試、分析,并形成測試報告。傳統的巖土測試實驗教學課上,學生以小組為單位,僅針對測得的1、2項指標進行分析并形成報告。該方法受限于單一指標無法進行巖土測試預警,很難形成有建設性意義的報告,以供施工方采取相應的措施。在云平臺巖土測試教學中,按照不同測試模塊將學生分組,每組4～5名學生,其中一名為組長,各小組在規定時間內,要對測試設備使用方法及設備原理進行分析,然后由教師進行講解。教師將基于設備原理介紹使用方法,演示不同設備在云平臺中的使用方法,并測得多項技術指標作為巖土測試分析的基礎數據,實現巖土工程測試、預警和調控目的。最后,教師以大型工程為例作進一步講解,并運用云平臺設計一個監測實例。

4 云平臺實驗教學特色

4.1 測試理念新穎

遵循通過問題探尋答案模式、通過原理證實猜想的教學思路。在對測試儀器充分了解的前提下,首先拋出問題引導學生討論,再結合測試原理進行問題剖析。學生可以對測試儀器的每一部件提出自己的疑問,通過猜想、論證,充分激發他們的思辨能力和創新思維。在此過程中,學生了解了測試儀器的設計,掌握了巖土工程測試的技術和方法,鍛煉了思考問題和追求知識的能力。

4.2 授課方式多樣

在課堂教學中融入現代化的云平臺、大數據、智能化手段,加深了學生對現代巖土測試技術的理解。在實驗教學中,教師可利用云平臺巖土測試系統和多媒體設備對測試設備使用及工程案例進行講解,學生則可利用多套系統進行不同巖土參數測試,通過云平臺對數據進行處理和分析,并可將異常數據發送到手機等終端,及早預警巖土災害并進行防控。數字化的呈現方式,符合現代學生利用手機獲取知識的習慣,增強了教學效果。

4.3 實驗開放度高

雖然現代巖土測試技術實驗教學對象為采礦、巖土、地下空間、隧道和測量等專業學生,但同時也能夠向中小學生、電子信息或其他相關專業學生開放共享,擴展他們對現代技術發展的視野和想象空間。

4.4 動手能力提升快

因涉及實驗室安全,傳統的實驗教學有逐漸演變為參觀性、演示性的現象,教學效果僅存在于視覺感觸,學生的動手能力得不到鍛煉。本實驗教學過程中引入的測試器材安全可靠,無線數據采集裝置使用蓄電池,且為安全電壓。因此在實驗教學過程中,鼓勵學生分拆和組裝設備,充分發揮學生的主觀能動性,激發學生探索發現的興趣。

4.5 考核效果好

考核是檢驗實驗教學質量的有效手段。現代巖土測試技術課程實驗教學考核包含測試報告、操作技能、測試內容3個部分,分數比重為3∶3∶4,實際應用部分所占比重較大。在實驗課程后,要求學生對隧道、邊坡等工程案例進行設計(見圖3),學生要根據學到的理論知識和實驗知識,提出工程測試解決方案。在方案設計中,學生的創新能力得到加強,知識面得到拓展,取得了良好的效果。將實踐課與閉卷考試相結合,增強了學生對測試內容、手段、方法和步驟的理解。目前,我校云平臺巖土測試實驗教學僅對采礦工程本科生開設。

圖3 邊坡測試方案設計

5 結語

根據前期“現代巖土測試技術課程”實驗教學中存在的問題,并結合教學特點和學生實際情況,設計了云平臺智能巖土測試系統。該系統具有測試理念新穎、授課方式多樣、實驗開放度高、動手能力提升快和考核效果好等特點,有利于學生在實驗教學中充分發揮個人主觀能動性, 提高學生對基礎理論和技術水平的認識。該系統與工程實踐聯系緊密,尤其是云平臺的成功應用,將最新的科技手段融入到實驗教學中,提高了現代巖土測試技術實驗教學水平。