虛擬仿真技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)實驗中的應(yīng)用

劉 寧 楊艷敏 徐麗娜

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引言

虛擬實驗教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、研究和實踐等綜合能力及素質(zhì)，是高等院校培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重要實踐組成部分。近年來高校虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展得到了國家的大力支持，在這種機遇下國內(nèi)部分土建類高等院校利用虛擬仿真技術(shù)建立了相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗室，并展開相應(yīng)的虛擬仿真實驗教學(xué)活動[1，2]。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)已成為高校信息化和實驗教學(xué)基地建設(shè)中不可或缺的環(huán)節(jié)，并且是信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與各學(xué)科專業(yè)之間高度融合的產(chǎn)物[3]。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式特點及問題

實踐是土木工程學(xué)科發(fā)展的重要基礎(chǔ)，土木工程專業(yè)的核心課程包括基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)、橋梁結(jié)構(gòu)等，所涉及的教學(xué)實驗普遍存在以下特點。

1.1 實驗構(gòu)件成本高、制作周期長

實體的建筑結(jié)構(gòu)如房屋、隧道、橋梁等工程通常體量較大，對這些體量較大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件很難在實驗室完成足尺實驗[4]。此外，與土木工程專業(yè)相關(guān)的實驗存在實驗周期較長、實驗成本較高的特點，如“受彎構(gòu)件實驗”需要用到的鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件實體實驗?zāi)Ｐ停瑥脑嚰O(shè)計、鋼筋下料、模具制作、澆筑及養(yǎng)護直至實驗課上的加載試驗不僅需要投入大量耗材，較長的實驗周期也制約了學(xué)生的全程參與[5]。

1.2 實驗危險系數(shù)高、消耗大

土木工程專業(yè)實驗通常要進行破壞性試驗，并且是脆性破壞，具有一定的突然性，實驗過程中的安全情況難以完全掌控，尤其是工程結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)耐高溫等實體實驗項目，其危險性更高，并且此類實驗都屬于一次性破壞實驗，每次實驗均需要制作模型試件，從而造成較大的資源消耗[6]。

1.3 學(xué)生缺少全過程的參與體驗

土木工程實驗課程通常包括試件的設(shè)計和制作、實驗加載、數(shù)據(jù)采集與處理，最后提交實驗報告冊。由于試件數(shù)量及實驗學(xué)時的限制，在實驗授課過程中學(xué)生大多分為5～10人一組，每位同學(xué)負(fù)責(zé)一部分實驗內(nèi)容，分工合作，以組為單位共同完成實驗。因此，會導(dǎo)致每位同學(xué)無法獨立系統(tǒng)地操作，難以體驗完整的實驗過程，在一定程度上缺乏對實驗整體的認(rèn)知。

鑒于以上在傳統(tǒng)土木工程專業(yè)實驗教學(xué)中存在的問題，為化解傳統(tǒng)實驗教學(xué)與學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)之間存在的障礙，提高實驗教學(xué)效率，擴展實驗課堂知識的廣度和深度，在實驗室完成試驗和教室中學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)虛擬仿真實驗平臺，采用多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建具有高度真實感、直觀、精確的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺是對傳統(tǒng)實體實驗教學(xué)的有益補充和創(chuàng)新。

2 虛擬仿真結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

土木工程實驗中心經(jīng)過近幾年的實驗教學(xué)積累和參與科研創(chuàng)新活動，整合了豐富的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，始終秉承“立足教學(xué)、面向工程、開放共享”的虛擬仿真實驗教學(xué)理念，旨在將虛擬實驗與實體實驗相互補，實現(xiàn)教學(xué)資源與仿真實驗的開放共享，不斷提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與實踐創(chuàng)新能力。

2.1 建設(shè)思路

（1）土木工程虛擬仿真實驗平臺為加強土木工程學(xué)科專業(yè)實驗室的教學(xué)能力，提供多種結(jié)構(gòu)實驗仿真模塊，從而提升實驗教學(xué)內(nèi)容的豐富程度。將現(xiàn)有的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)分為實驗原理介紹、課程相關(guān)綜合實驗、專業(yè)綜合實驗等難度逐級遞進的多個實驗項目，實現(xiàn)學(xué)生能夠從不同的角度、視覺和領(lǐng)域掌握與學(xué)習(xí)專業(yè)知識。

（2）虛擬仿真實驗平臺與理論課程、實體實驗緊密結(jié)合，三大虛擬仿真試驗?zāi)K與三門實驗課程支撐三門專業(yè)主干理論課程，輻射其他六門專業(yè)課程，基本覆蓋了土木工程結(jié)構(gòu)相關(guān)的主要課程。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

（1）以鋼筋混凝土簡支梁受彎試驗為例，該實驗是土木工程專業(yè)三年級本科生必修的基礎(chǔ)實驗，由于在傳統(tǒng)實體實驗中受到場地、耗材量、時間的限制，學(xué)生在課堂上能完成的簡支梁加載破壞試驗數(shù)量并不多。鋼筋混凝土簡支梁受彎虛擬仿真實驗可以作為實體實驗的有效輔助手段，在虛擬仿真實驗平臺中，學(xué)生可以利用虛擬動畫模擬鋼筋混凝土梁的制作，并根據(jù)設(shè)計完成適筋、少筋及超筋梁，不同配筋率的簡支梁破壞試驗?zāi)M。并且能夠在虛擬試驗場景中反復(fù)調(diào)整實驗工況及參數(shù)，體驗不同工況條件下的實驗過程及實驗結(jié)果之間的區(qū)別。主要包括：對每種試件可通過設(shè)置構(gòu)件長度、截面尺寸以及配筋等模型參數(shù)，在模擬試驗場景中設(shè)置百分表、混凝土及鋼筋應(yīng)變片，可實現(xiàn)實驗梁的裂縫出現(xiàn)并逐漸發(fā)育，動態(tài)顯示加載曲線。同時，可調(diào)整分配梁、兩端支座、加載點控制、應(yīng)變片布設(shè)位置、百分表布設(shè)條件，實現(xiàn)多次重復(fù)實驗。在實驗工況參數(shù)確定后，虛擬仿真實驗系統(tǒng)可完成數(shù)值歸零、加載值顯示、變形及試件開裂顯示、變形曲線繪制等功能，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土簡支梁受彎虛擬仿真試驗

（2）教師可查看學(xué)生使用虛擬實驗平臺的登錄日志，登錄IP及登錄時間和時長，從而評價學(xué)生是否在認(rèn)真完成虛擬實驗學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生完成某個試驗?zāi)K學(xué)習(xí)后可在線進行原理考核、試驗操作考核并提交實驗報告，系統(tǒng)自動批改后將成績、詳情保存至服務(wù)器。通過管理權(quán)限教師能夠查看學(xué)生的學(xué)習(xí)進程、考試成績和下載實驗報告進行批閱，從而形成多角度、多層次的實驗教學(xué)評價體系。

（3）由于虛擬仿真實驗平臺掛靠在校內(nèi)云端的服務(wù)器上，因此學(xué)生可以在寢室、自習(xí)室等任何校內(nèi)的地方通過校園網(wǎng)和計算機訪問虛擬仿真實驗平臺中的實驗資源。對于校內(nèi)資源共享，學(xué)生可以更合理地分配學(xué)習(xí)時間，在不限定的地點和規(guī)定時間內(nèi)完成虛擬實驗學(xué)習(xí)任務(wù)即可。同時，虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)資源還可以對開放性實驗及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等創(chuàng)新性實驗開放共享。

3 虛擬仿真結(jié)構(gòu)實驗在教學(xué)中的作用

目前，虛擬仿真實驗平臺已結(jié)合“土木工程結(jié)構(gòu)試驗”“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”的課內(nèi)實驗完成了嘗試性的實驗教學(xué)，試用對象為土木建工系2019級學(xué)生，分4次課開展了8個學(xué)時的“實體+虛擬”實驗教學(xué)。學(xué)生對實驗平臺內(nèi)的實驗項目進行了學(xué)習(xí)體驗并撰寫完成相應(yīng)的實驗報告。結(jié)合實驗成績和實際教學(xué)效果分析，虛擬仿真實驗平臺在納入實驗教學(xué)實際應(yīng)用后，主要體現(xiàn)出以下3個方面反饋效果：

（1）教學(xué)效果有所提升。通過與往屆學(xué)生對實驗儀器設(shè)備及操作步驟的掌握程度進行對比，可以發(fā)現(xiàn)參與本次虛擬仿真實驗的學(xué)生由于在虛擬平臺上的提前預(yù)習(xí)，進入實體實驗室后能夠更快速熟練地掌握設(shè)備儀器使用以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的方法。虛擬動畫中生動、直觀的實驗表現(xiàn)形式也幫助學(xué)生們對實驗課程的理論知識有更深刻的體會和領(lǐng)悟。

（2）學(xué)習(xí)興趣提高。對比傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，學(xué)生對這種較為新穎的結(jié)合虛擬仿真的教學(xué)方式表現(xiàn)出強烈的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)熱情明顯提高，并且大部分學(xué)生表示在課余時間會登錄虛擬仿真平臺繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)實驗知識和實踐操作。

（3）課程考核成績提升。與往屆學(xué)生的實驗成績相比，參加本次虛擬仿真實驗教學(xué)的學(xué)生考核成績整體上有所提升。實驗結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)實驗報告中的批閱意見回顧自己在實驗操作和數(shù)據(jù)處理中存在的問題，也可以再次登錄系統(tǒng)進行操作，在加深學(xué)習(xí)印象的同時給予學(xué)生有效的實踐指導(dǎo)和反饋。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)在高校實驗室中的應(yīng)用范圍不斷擴大是高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)在發(fā)展和探索過程中的必然結(jié)果，已成為實驗教學(xué)中重要的實驗輔助工具。本文通過在鋼筋混凝土簡支梁受彎虛擬仿真實驗教學(xué)中的實踐表明，將虛擬仿真實驗應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中，能夠在一定程度上緩解傳統(tǒng)實驗教學(xué)與當(dāng)代工程化人才培養(yǎng)之間存在的問題。盡管目前虛擬仿真實驗教學(xué)模式在實際實施過程中仍存在一些問題或不足，但其作為一種結(jié)合了信息技術(shù)的教學(xué)模式，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，強化了對學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，對持續(xù)推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)，促進實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新具有重要的意義。