實體演示和虛擬仿真結合的三軸實驗教學改革

趙明志 劉鋼 舒志樂

[摘 要] 在“新工科”建設背景下，實踐教育和實驗教學日益受到重視。為提升“土力學”課程實驗教學環節中三軸實驗的教學效果，提出了實體演示和虛擬仿真相結合的三軸實驗教學方法。其中，線下實體演示教學側重于學生對儀器結構和功能、實驗操作細節以及土體狀態變化的理解，線上虛擬仿真教學則強調學生對實驗操作步驟和相應基本理論知識的掌握。通過將實體演示和虛擬仿真教學手段相結合，互相補充，相得益彰，能夠有效深化學生對相關知識的理解、掌握和運用。

[關鍵詞] 土力學;實驗教學;三軸實驗;虛擬仿真;實體演示

[基金項目] 2020年度西華大學一流課程建設項目“土力學線下一流課程建設”（RC2000000893）

[作者簡介] 趙明志（1988—），男，河北南宮人，博士，西華大學土木建筑與環境學院講師，主要從事土力學相關研究。

[中圖分類號] TU411? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）22-0053-04? ?[收稿日期] 2021-01-26

一、引言

在“新工科”建設背景下，實驗教學是本科階段高等教育的重要組成部分，也是人才培養的關鍵[1]。“土力學”作為土木工程、水利水電工程等專業的核心課程，對學生的實踐應用能力具有較高的要求。同時，土力學實驗也是連接土力學基礎理論知識和工程實踐的橋梁。因此，土力學實驗教學環節在工程人才培養中起到舉足輕重的作用。

三軸實驗是土力學本科教學中三個基本力學實驗之一，它能夠嚴格控制試樣的排水條件，并明確地反映試樣的應力狀態，因此，三軸實驗數據比直剪、固結實驗數據具有更為重要的工程參考價值，也更受到土力學教學工作者的重視。然而，開展三軸實驗所需的三軸儀比直剪儀、固結儀構造更復雜，單臺設備占用空間更大，造價也更高。由于受實驗教學空間、課時數量和儀器設備等客觀條件的限制，難以針對每位學生提供足夠的時間，讓其獨立完成三軸實驗的現場實際操作。這導致學生對實驗的認識和理解往往不夠深入，不僅影響了學生對土力學基礎理論的理解，也阻礙了學生工程實踐能力和創新意識的培養。

虛擬仿真教學因資金投入小、實施簡便、具體形象等優點，近年來在工科實驗教學中發揮了越來越重要的作用[2，3]。借助計算機輔助設計、數字仿真和信息技術，可實現試樣制備、飽和、固結、加載全過程三軸實驗的虛擬仿真模擬，為學生提供可視化的三軸實驗操作場景和人機互動操作界面，幫助學生熟練掌握三軸實驗的具體操作步驟和實施作用，在一定程度上彌補了實體實驗教學的不足[4，5]。

鑒于此，基于國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，開展基于實體演示和虛擬仿真結合的土力學三軸實驗教學改革探索研究。一方面分小組開展三軸實驗的實體演示，目的在于讓學生掌握三軸儀各部分組件的具體結構和操作步驟的響應機理;另一方面開展線上虛擬仿真三軸實驗教學，為每位學生提供單獨操作的機會，深化對三軸實驗操作步驟和細節的認知。通過實體演示和虛擬仿真有機結合，可促進學生對土力學三軸實驗的全方位理解和掌握，為“土力學”課程和其他后續專業課程的開展打下堅實的基礎。

二、虛擬仿真教學環節

（一）國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺

為堅持立德樹人、強調能力為先的辦學理念，拓展實驗教學的廣度與深度，提升實驗教學的水平和質量，教育部于2019年成立了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺。通過將信息技術與教育教學深度融合，將實驗教學資源信息化、網絡化，不僅構建了多種實驗的虛擬仿真模擬教學管理平臺，而且實現了高質量實驗教學資源的網絡共享。

目前，該平臺可提供涵蓋物理學類、電器類、礦業類、電子信息類、機械類、交通運輸類、土木類等41個大類學科2079種實驗的虛擬仿真教學。其中，土木類虛擬仿真實驗教學資源119種，包含道路勘測設計實驗、地下綜合管廊的消防安全系統實驗、巖土工程靜力觸探實驗、復雜環境作用下土的力學性質實驗、滑坡地質災害及其防治實驗、土體力學性質研究的三軸虛擬仿真實驗等。

其中，土體力學性質研究的三軸虛擬仿真實驗可模擬不同種類土體、不同圍壓條件、不同剪切速率和不同應力路徑下的組合實驗，分別探究土體種類、圍壓、剪切速率和應力路徑等因素對土體強度和變形特性的影響。該三軸虛擬仿真實驗可以實現與實體三軸實驗完全一致的操作步驟模擬，并可在實驗過程中呈現實驗數據和實驗結果。因此，國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺中所提供的“土體力學性質研究的三軸虛擬仿真實驗”模塊可為土力學三軸實驗提供虛擬仿真教學平臺[6]。

（二）三軸實驗的虛擬仿真模擬

土體力學三軸虛擬仿真實驗教學模塊可開展砂土和黏土兩類土體的三軸實驗教學。虛擬仿真三軸實驗中的三軸儀[6]如圖1所示。與實體三軸實驗儀相同，虛擬仿真三軸儀由試樣加載臺（左）和控制箱（右）兩部分組成。實驗時，將試樣放置在右側加載臺上并用壓力室罩住，通過左側的控制箱為試樣施加圍壓和偏應力，從而完成試樣的三軸實驗。

該虛擬仿真三軸實驗系統可實現試樣制備、安裝、飽和、固結、剪切全過程三軸實驗操作。其中，試樣安裝和飽和過程[6]如圖2所示。與實體三軸實驗相似，虛擬仿真實驗也是在三軸儀底座上設置承膜桶，向內填土并擊實，然后將試樣外側承膜桶內空氣排盡，安裝壓力室，最后利用二氧化碳易溶于水的原理將試樣內的空氣置換，并利用反壓飽和使試樣的孔隙水壓力系數B值大于0.95。由圖2可知，虛擬仿真實驗可以較為真實地反映實體三軸實驗在試樣安裝和飽和階段的操作步驟。

完成試樣制備并飽和后，可進入試樣的固結和剪切階段。虛擬仿真三軸實驗的固結和剪切階段操作[6]如圖3所示。該虛擬仿真實驗模擬了與實體三軸實驗相同的操作界面，首先對土體試樣施加圍壓，待孔壓逐漸減小至零后，認為此時試樣固結完成;隨后可以設置剪切速率，進入剪切階段，當試樣的軸向應變逐漸增大至20%時，剪切完成，操作界面也會出現相應的提示信息。剪切完成后，仿真模擬三軸實驗系統還提供了卸除圍壓、卸壓力室和拆除試樣等一系列結束和收尾工作，幫助學生養成良好的實驗操作習慣，使其自覺遵守實驗室的各項細則。