土木工程類非破壞性實驗虛擬仿真項目建設
——以簡支鋼桁架梁靜載實驗為例

占玉林，岳凡凡，葉華文，馮 嵐，徐騰飛，鄧開來

（西南交通大學 土木工程學院，土木工程國家級實驗示范教學中心，四川 成都 610031）

虛擬仿真實驗教學順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，必將對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化，產生積極而重要的影響[1-2]。目前，國外很多大學均開設有交互式虛擬仿真實驗，根據各實驗的特點和要求，構建結構化的虛擬實驗室，為學生開展實踐性學習提供實驗條件，很多大學也早已實現基于互聯網的遠程虛擬教學；在國內，教育部于2013年 3 月頒布的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，對高等教育信息化建設提出了發展目標與基本要求，國內高校也逐漸重視教育信息化建設，而具有代表性的虛擬仿真實驗教學建設也正處在初步發展階段，未來仍要面臨很多的挑戰[3-5]。

實驗課程作為培養創新型人才的重要環節，實驗教學在這一過程中起到重要的作用，對于學生的創新和創業能力培養尤為重要。結合土木工程類專業的實踐能力培養要求，相關的實驗教學有理論性強、實操性高、動手頻繁等特征[6]。在土木工程大類培養方案中，“土木工程試驗與量測技術”課程是一門重要的實驗教學課程，而“簡支鋼桁架靜載非破壞實驗”又是極其重要的一個環節，同時該環節又是“鋼結構設計原理”“鋼橋”等課程的實踐環節。然而，由于簡支鋼桁架靜載非破壞性實體荷載實驗具有體量大、實驗準備時間長、危險性高及測試內容多等特點，限制了學生對實驗的參與度，導致學生在實體實驗中缺失了對結構荷載實驗很多重要環節的了解和認識[7-13]。同時，該實體實驗服務對象眾多，師資相對缺乏，且實驗對象較為固定單一，而“簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺建設”可以有效地解決這一矛盾，與實體實驗形成良好的互補。因此，有必要構建簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺，使學生能夠運用所學課本知識在平臺上獨立進行虛擬仿真實驗，之后再進行典型或者分組實體實驗，以“虛實結合、能實不虛”為總目標開展虛擬仿真實驗，從而大大提高實驗教學的伸縮性和擴展性，加快了高校土木工程類專業虛擬仿真實驗教學的改革與創新。

1 虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容

1.1 虛擬仿真實驗教學平臺的構建原理

該實驗系統的基本原理主要是依托土木工程專業的兩門重要課程——“鋼結構設計原理”中的桁架計算理論和“土木工程試驗與量測技術”中的靜載試驗理論，同時還涉及 “建筑材料”“鋼橋”及“橋梁建造技術”等課程的相關知識?；谡n程的理論知識，運用多媒體技術，利用計算機對多媒體信息進行處理從而構建逼真的二維和三維場景，運用可視化技術將大量數據以圖形或圖像的形式在屏幕上展現出來，運用虛擬仿真技術和增強現實技術構建“虛擬現場”和“虛擬環境”，為學生提供一種身臨其境的感受。虛擬仿真實驗平臺從原理上真正落實了“虛實結合、能實不虛”的中心思想，增強學生的實驗體驗，加深學生對實體實驗的認識和理解，進一步推動土木工程類大型不易操作的實體實驗的開展。虛擬仿真實驗教學平臺的構架總體思路如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗平臺的構架總體思路

1.2 虛擬仿真實驗教學平臺的內容

結合土木工程培養方案和課程大綱，簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺建設的主要內容框架如圖2 所示。該實驗系統主要包括：

（1）構件理論計算。根據“鋼結構設計原理”“鋼橋”課程中所學的計算理論知識完成桁架特征計算，包括構件的弦桿荷載、腹桿荷載、控制斷面的應變和撓度計算及變形形態分析等。

（2）實驗方案設計環節。根據計算的桁架特征值，并按照“土木工程試驗與量測技術”課程中的相關理論知識設計實驗加載方案和量測方案。加載方案的設計需要考慮確定桁架的正常使用極限荷載，量測方案應包括弦桿及腹桿的應變測點布置、節點區附近的桿件應變測點布置以及撓度測點布置等。

（3）實驗準備環節。實驗準備環節涉及了“建筑材料”“鋼橋”及“橋梁建造技術”課程中的施工知識和材料強度試驗知識以及“土木工程試驗與量測技術”等課程的結構變形測試的相關知識。首先，通過視頻及圖片演示桁架制作流程，包括對設計圖紙的解析、型材下料加工、桁架焊接、實測材料強度等過程。構件制作演示視頻結束后，學生在交互式的操作系統下完成安裝構件及加載設備（包括支墩、支座、構件、分載梁、千斤頂、荷載傳感器等）、粘貼電阻應變計、連接應變量測儀器、布置安裝撓度測點及測試儀器等任務。

（4）實驗加載測量環節。在交互式操作環境下，按照既定的實驗加載方案以虛擬仿真方式操作千斤頂加載系統對桁架施加荷載，并測量和記錄應變、撓度等數據。

（5）數據分析處理及評定。根據“土木工程試驗與量測技術”課程中相關的數據處理分析及工作性能評定等理論知識對測試的數據進行分析處理，得到能夠評定結構性能的相關參數，并通過計算數據對構件的安全性等指標進行評定。

圖2 虛擬仿真實驗平臺主要內容

2 虛擬仿真實驗教學平臺的功能

圖3 桁架設計

簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺能夠體現大型結構實驗的所有環節，涵蓋了從實驗方案設計到實驗構件安裝和實驗加載及數據采集，直至最后的實驗數據處理分析及工作性能評定的全過程。該實驗系統為綜合設計型，最大的特點是高真實度地再現了實驗場景，學生可以在實驗系統中體驗到身臨其境的感覺。而且，在交互式實驗操作過程中，學生通過操作鍵盤及鼠標等，真實模擬安裝構件及加載設備過程，模擬應變、撓度等測試儀器的安裝、調試、測試過程，并模擬加載及數據采集過程。通過虛擬仿真實驗，學生能夠全面了解和掌握大型結構實驗的全過程，充分體會結構實驗各個環節在整個實驗中所起的重要作用，將“鋼結構設計原理”“建筑材料”及“土木工程試驗與量測技術”等課程與虛擬仿真實驗有機地結合在一起，實現“虛實結合”，完成從理論認知到創新應用的質變。學生實驗前預習整個實驗流程，并對實驗對象進行理論計算，完成預習報告；上機后首先完成實驗的規劃：桁架尺寸的確定、構件的選擇、材料強度選擇和加載方式的設計。然后，學生進入實驗的安裝及操作環節：安裝支座、防沖擊保護裝置、桁架、加荷裝置千斤頂、撓度測試儀器、應變測試傳感器和連接設備。最后，學生進入測試環節：按設計的加載程序加載、讀取撓度值和應變值，循環加載過程，直到實驗完成。學生完成虛擬仿真實驗后，再進行實體實驗，通過虛實結合，相輔相成地系統掌握結構靜載實驗全過程。最后，結合實體實驗獲得的真實的靜載測試數據，并對其進行分析計算，評定結構的工作性能及安全性能，完成完整的實驗報告，提交教師審核并綜合評分。

2.1 學生交互性操作步驟說明

（1）進入實驗系統，登錄個人用戶；

（2）進入實驗設計環節，設計桁架（不同尺寸、不同型材），確定實測材料強度，如圖3 所示；

（3）設計加載程序，如圖4 所示；

（4）選擇自己的實驗分組號；

（5）實驗方案完成后進入實驗教學環節。

2.2 實驗準備及實施環節

實驗環節的操作界面是真實實驗環境的虛擬界面，如圖5 所示。該界面可實現人機交互，通過使用鼠標、鍵盤控制虛擬場景中的“自己”，如圖6 所示，完成一系列的人物動作，包括行走、轉向、抬頭、低頭、拿起、搬運、放下、校位、按鈕、粘貼、連線、加載、讀數等，學生通過交互式操作系統自行完成整個實驗流程。該環節為整個實驗的中心環節，包含的操作步驟多達數十個。

圖4 材質確定及設計加載程序

2.3 實驗主要步驟

（1）觀看構件制作視頻。

（2）構件及加載設備安裝，安裝順序為支墩、支座、構件、分配梁支座、分配梁，其中包括支墩及分配梁支座的定位，如圖7 所示。

（3）測量儀器的布置與連接（步驟順序不分前后，可交叉進行）：①應變測試的測點布置及儀器連接，主要包括布置應變測點、布置補償測點，測點布置完成后連接應變儀等，如圖8 所示；②撓度測量儀器的安裝，主要包括百分表支架及百分表的安裝。

圖5 實驗整體操作環境

圖6 操作控制方式

圖7 實驗加載設備安裝

圖8 位移傳感器布置及應變儀的連接

（4）打開壓力傳感器及應變儀開關。

（5）按照加載程序進行加載并測讀應變、撓度，主要包括：①點擊加載千斤頂，按設定的加載程序進行加載，如圖9 所示；②對于應變、撓度的觀測（順序不分前后），點擊應變測試主機屏幕，讀取應變數據并記錄，點擊所有百分表，讀取數據并記錄，如圖10所示；③重復以上兩個步驟直至完成所有級別加載。

圖9 加載控制界面

圖10 應變測試撓度觀測示意

（6）在用戶完成了整個加載程序，或者直接終止了實驗后，系統會跳轉至實驗結果界面。該界面主要由系統通過智能分析操作數據、讀取結果等得出，如圖11所示。至此，已完成實驗的主要步驟，如圖12 所示。

圖11 實驗結果界面示意

2.4 實體實驗及成績評定

完成虛擬仿真實驗后進行實體實驗，學生對實測數據進行分析計算，評定結構工作性能，完成并上傳實驗報告。簡支鋼桁架非破壞性實驗的最終成績組成及考核標準見表 1。教師根據學生的實驗出勤、課堂測試、虛擬仿真實驗、實體實驗及提交的實驗報告進行綜合評分。

圖12 實驗主要步驟

表1 簡支鋼桁架非破壞性實驗成績組成及考核標準

3 虛擬仿真實驗教學項目的應用效果

通過虛擬仿真實驗系統，學生能夠了解和掌握“土木工程試驗與量測技術”課程中所涉及的實驗與檢測理論知識和儀器設備的使用方法，全面認識結構荷載實驗的全過程，并通過實驗中的構件進行計算分析，以及實驗方案設計，從感性上更深刻地掌握“鋼結構設計原理”中所涉及的理論知識，最后結合實體實驗獲得真實的靜載測試數據（特別是在虛擬仿真系統下無法真實模擬的節點區附近對桿件應變的影響的觀測結果），并對其進行分析計算，評定結構的工作性能及安全性能，完成完整的實驗報告。簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實驗平臺按照規劃的實驗教學建設框架，面向土木工程學院土木大類專業3 年級及以上學生，注重理論結合實踐和師生之間的互動，實現高危、無法進行的實驗和生產實習。2018 年，本項目成果獲批國家級虛擬仿真項目，初期受益學生約1 500 人，隨后逐年遞增。該實驗系統應用中體現虛擬仿真教學的優勢有以下幾點：

（1）實驗方案設計思路。依托虛擬仿真技術，打通大型工程結構實驗全路徑教學過程。原型工程結構尺度數十米，傳統實物縮尺模型實驗存在體量大、周期長、風險高、單次實驗服務對象有限、對指導教師依賴嚴重等缺點。虛擬仿真平臺的建設立足二十余年教學積累，依托虛擬現實技術，實現了在有限課時內讓學生參與到實際大型工程結構模型實驗的“方案設計、構件制備、設備安裝、測點準備、加載實施、數據測試、實驗復位、分析評價、報告編制”全過程。

（2）教學方法。采用交互式技術，實現多任務、可重復式操作，提升學生實驗參與度。傳統實物模型實驗準備周期長、大型設備動用多、學生組建團隊及自行指揮整個實驗流程難度大。以我校每年級600 名土木學生的規模為例，學生真正動手參與的環節受限。本項目中全過程使用人機交互技術，學生可完成裝配、貼片、加載、讀數等多任務操作，并能多次反復使用程序訓練結構試驗技能，在虛擬環境中實現了“人人動手、全面參與”的教學目標。

（3）評價體系。構建層次化模塊結構，多方位訓練土木工程核心實踐能力。在我校土木人才的培養中，專業核心能力的訓練已從“測、繪、算”拓展為“測、繪、算、研、管”5 大核心能力。本項目中設置有“實驗設計、實驗準備、加載測試及分析評定”4 大模塊，除基本的撓度測試、應變測試外，對實驗方案研究、實驗方案繪制、實驗實施組織管理、實驗加載參數計算和實驗結果分析、實驗現象分析和研究、結構性能評定等能力均實現了有效訓練，全面對接培養創新型土木人才的目標要求。

（4）傳統教學的延伸與拓展。貫徹“能實不虛”，突出“虛實結合”，有力引導學生培養創新思維。學生借助虛擬仿真項目開展實驗的“預習、實操、復習”過程，并有多維度實驗評分作參考。結合課內4 學時實物實驗，在虛實結合模式中提升了學生對結構設計原理、結構測試知識的理解。4 年多的教學應用效果反饋，學生實現了從單純“完成實驗學分”到更深入“思考實驗現象”“創新實驗方案”的轉變。本項目依托國家級虛擬仿真實驗教學中心教學平臺實現了開放運行，促進了學生實踐創新能力的培養。

4 結語

虛擬仿真實驗教學項目具有實驗條件便利、安全性高和實驗成本低的優勢，在高校實驗教學中具有越來越重要的地位。虛擬仿真教學系統以“虛實結合、能實不虛”為總目標，具有開發靈活、擺脫時間與空間的各種限制等優點，在高校經費投入有限的條件下，通過虛擬仿真實驗教學平臺實現實驗資源共享、人盡其才、財盡其力、物盡其用，不僅是推動高校實驗教學改革與創新的重要方向、優化實驗教學資源結構的重要途徑，也是高等學校實驗教學發展的趨勢。