虛擬仿真實驗融入結構抗震設計課程的改革探索

楊 光，王云洋，賀寒輝

（湖南文理學院土木建筑工程學院 湖南 常德 415000）

地震災害是造成我國人員傷亡和財產損失的主要自然災害之一，其中地震對建筑結構的震害影響大，對建筑結構進行抗震設防是抵抗地震的有效手段之一。建設工程結構抗震設計事關國計民生，設計和施工環節責任重大；而結構抗震設計課程作為本科階段學習結構抗震設計理論和設計方法的主要課程，需要在教師“教”和學生“學”的過程中切實傳授結構抗震相關專業理論與技術以提高學生結構抗震設計意識與能力。

運用虛擬仿真技術可使教學內容變得直觀、生動、形象、聲像并茂。隨著計算機和信息技術的快速發展，虛擬仿真技術制作成的虛擬仿真實驗走進專業課程教學已經可以實現[1]。國內有很多學者將虛擬仿真實驗用于結構抗震設計這門課程中，并取得了很好的效果：魯正[2]、周小龍[3]等將虛擬仿真實驗應用于建筑結構抗震課程教學，提出了結構抗震設計課程引入虛擬仿真實驗教育的改革思路；顧冬生[4]將數值仿真技術應用到結構抗震試驗教學中，以彌補傳統教學的不足；賈冠華等[5]探索并設計了VR實驗項目群，同時提出VR實驗在建筑抗震設計課程教學中的實施方法。

上述虛擬仿真教育資源引入結構抗震教學均取得了良好的教學效果，由此可見，虛擬仿真教學資源引入結構抗震設計課程很有必要結合校情繼續開展探索和應用。本文通過集成現有課程的虛擬仿真教學資源，探索線上和線下虛實結合的教學改革，討論虛擬仿真教學資源入課以便提高結構抗震設計課程的教學質量。

1 虛擬仿真實驗技術在課程教學中的必要性

結構抗震設計課程綜合了土木工程專業建筑工程方向大部分的專業基礎課內容，以結構抗震設計的基本概念和方法為重點，提出對各種建筑類型的結構抗震性能設計和構造設計，具有較強的理論性和實踐性[6]。地震屬于自然災害，至今無法精確預測地震發生的時間、地點，學生絕大多數沒有親身經歷過地震，對地震和震害的認識只能從新聞媒體和課程內容中得到；傳統教學模式傳授給學生的諸如結構抗震設計計算方法對建筑結構計算的可靠性等問題僅僅使知識停留在抽象理解上，由于教師教學知識的不全面以及教學資源限制，使得學生在理解和學習結構抗震設計知識時比較困難且缺乏興趣，因此有必要對課程的教學模式進行改革，同時引進新的教學資源和教學手段輔助教學以促進學生對結構抗震知識的學習和認知。

在新工科背景下，對學生結構抗震的專業知識及設計能力提出較高的要求，教師將課程中的重點和難點清晰傳授給學生才能達到教學目標。將虛擬仿真教學資源融入結構抗震設計教學，利用可感知、可交互、沉浸式VR等虛擬仿真實驗技術，可讓學生體驗感受地震對人體感觀和建筑結構物影響的烈度大小，有助于理解結構抗震理論，更加深刻地理解建筑抗震設計對工程結構安全的重要性；利用虛擬實驗平臺，可將結構抗震設計知識形象化、抽象思維直觀化，將結構抗震設計原本靜態抽象的理論知識轉化為動態可操作性的動態視覺感知或虛擬仿真實驗，激發學生的學習興趣，有助于提升結構抗震設計教學效果，提高學生解決工程結構抗震性能設計和施工等方面問題的能力[7]。虛擬仿真實驗教學正處于起步階段，但現有研究已說明該方法手段可提高教學效果，實現預期教學目的，因此，非常有必要集成現有虛擬仿真實驗教學資源開展課程教學改革探索。

2 結構抗震設計虛擬仿真教學探索

目前很多高校進行了虛擬仿真實驗項目入課的探索，但是由于土木工程專業虛擬仿真實驗設備投入大，很難有高校僅針對一門課程購置全部的實驗設備[8]。因此，為了達到教學目標，需要根據結構抗震設計課程內容在校內外和線上尋找教學資源，整合形成虛擬仿真實驗教學資源庫，然后設計合理可行的教學方式，讓學生更多地參與虛擬仿真實驗教學環節，接受更多形象、具體的結構抗震知識。

2.1 建立虛擬仿真實驗教學資源庫

根據課程內容特點和教學目標，充分利用校內外教學資源，并利用網絡精品在線開放課程平臺和國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺（實驗空間）進行挖掘和利用，初步集成以下虛擬仿真教學資源，見表1。

表1 結構抗震設計虛擬仿真實驗教學資源

2.2 虛擬仿真實驗教學設計

2.2.1 總體教學設計

根據教學資源的時空分布，將教學內容進行重構，對教學時間和教學方式進行重新設計。教學堅持以學生為中心，教師起組織、引導、監督和推動作用，采用翻轉課堂穿插式教學、線上線下混合式教學等模式，教學內容涵蓋沉浸體驗、虛擬仿真動畫技術、虛擬仿真在線實驗等多樣化的表現形式，將學生對結構抗震的視覺認識、感官體驗、經驗理論和技術規范等教學過程形成一個有機整體[9]。教師在教學過程中充分利用教學資源，合理安排虛擬仿真實驗教學活動和理論教學環節，發揮各種教學方式的優點，注重學生對所涉及知識的認知、理解及運用，加強與學生的溝通交流，有效提高教學效率和教學質量。

2.2.2 校內外虛擬仿真實驗教學設計

學校附近的市科技館建設有地震體驗平臺，除了能科普地震成因和地震波的一些基本常識外，還可以模擬體驗低、中、強震不同烈度的震感下人體的感受，可建立起“地震成因→地震波的傳播→地震能量及烈度”的地震基本常識的虛擬場景及烈度感受，給予學生直觀的認識和親身感受。

學院建設有虛擬仿真實訓室，除了常見建筑結構和不同建筑類型的微縮模型外，還可以通過大屏配合VR眼鏡漫游建筑內外結構空間，并能顯示諸如鋼筋配筋及分布的細部構造。通過建筑結構抗震設計相關的細部構造，結合相關的設計規范要求，可使學生直觀了解結構構造在抗震設防要求下與常規結構設計的不同，深刻理解建筑的平立面布置、結構選型與布置、多重抗震防線等建筑結構抗震概念設計內容。

利用有限元軟件分別模擬震動作用下不同高層和地層建筑結構的振動模態，對比分析高層和低層建筑結構的振型、振動頻率和層間位移，讓學生觀察建筑結構在地震作用下的動態特征，建立起“結構振動振型/頻率→振型分解反應譜法”的結構地震反應分析場景，讓學生結合書本的理論公式推導更好地掌握結構地震反應分析和抗震設計理論與方法。

2.2.3 線上虛擬仿真實驗教學設計

充分挖掘利用國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺的教學相關資源，組織引導學生開展線上抗震相關虛擬仿真實驗。通過地震波動理論實驗，讓學生操作設置和感受地震波的分類和傳動特性，更深層次了解地震波對建筑結構的振動影響，即“縱波使建筑物產生上下顛簸，橫波使建筑物產生水平搖晃，面波使建筑物既產生上下顛簸又產生左右晃動”。通過地震遺址建筑物結構抗震虛擬仿真實驗項目，學生通過操作和地震震害場景漫游，了解和觀看還原真實強震對不同建筑類型建筑結構的影響和震害特征，認識各種建筑結構類型產生震害的力學機理，同時融入課程思政教育，激發學生的家國情懷、工程道德意識和大國自信意識。

3 虛擬仿真實驗教學改革效果

3.1 改進了教學手段，提高了學生學習興趣

傳統教學中教師面對抗震知識難點和抽象深奧的問題很難進行深入的剖析，通過改進教學手段引入虛擬仿真實驗教學資源可以深入淺出地傳授學生相關抽象難懂的知識，可以較好地解決理論與實踐教學中遇到的實際困難，改善了土木工程專業設計類課程較為枯燥的教學模式，增加了知識趣味性，提升了學生對知識的認識和理解程度，課堂抬頭率明顯提升。

3.2 完善了教學內容，增強了學生綜合素質

受限于教學資源的匱乏，傳統的教學內容大都停留在書本和教學用多媒體上，教學方式以理論教學為主，缺少相關的觀摩和實踐環節。但是，隨著經濟社會的發展，結構抗震設計的新方法、新技術和新理念都得到了更新。充分利用體驗式、操作式等虛擬仿真實驗教學手段，與時俱進引進結構抗震設計新知識，通過學生參與觀看和體驗虛擬仿真實驗教學場景，避免了課程理論教學與實踐教學脫節，完善了教學內容，擴展了學生的視野，增強了學生的綜合素質。

通過過程階段性和期末考核，學生交流回答問題時的理論水平更高了，期末測試時學生的考試作答成績更高。通過對班級同學們的調查反饋，100%的學生都能接受虛擬仿真實驗教學方式，95%以上的學生認為通過虛擬仿真實驗教學對結構抗震知識收獲匪淺，基本掌握了本科階段的結構抗震教學內容。

4 結語

通過集成結構抗震設計校內外和線上虛擬仿真實驗資源，合理設計教學內容和教學環節，改進了教學手段，完善了教學內容，激發了學生學習興趣，有效彌補了學生感性認識方面距地震“遠”和理論實踐學習方面對地震作用理解“虛”等教學問題，該教學方式得到了學生的認同，提高了教學效果。隨著虛擬仿真實驗教學改革探索的深入，后續將繼續充分利用好各類共享虛擬仿真教學資源輔助課程教學，同時自制一些動畫和數值模擬類仿真實驗教學資源，為社會培養更多高素質的結構抗震設計應用型人才。