融合虛擬技術的建筑結構抗火實驗教學平臺建設與教學探索

陳偉 葉繼紅 張營營 龍幫云 姜健

摘要：當前，建筑結構抗火實驗教學逐漸成為土木工程防災與減災課程的一項重要授課內容。然而，國內僅有少數高校擁有建筑結構抗火實驗實體平臺，并且由于抗火實驗的特殊性，相關教學資源非常有限。鑒于此，依托多媒體、網絡通信和虛擬仿真等現代技術，先后建設了實體實驗平臺、虛擬仿真平臺、虛擬教具、微試驗以及MOOC等現代教學資源，構建了建筑結構抗火實驗教學系統性教學資源與平臺。利用該平臺，突破傳統實驗教學模式，以趣為核探索虛實結合的施教方案，實現實驗教學與理論教學的高度融合。建立了過程與結果并重的實驗教學評價體系，并注重持續改進。強調學習的自主性與創新性，鼓勵學生大膽嘗試，增強學習的主觀能動性，提升行業競爭能力。

關鍵詞：結構抗火;虛擬仿真;微試驗;虛擬教具;實驗教學平臺;教學創新

中圖分類號：G642.423?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）03-0198-06

土木工程防災與減災是土木工程本科專業的主干課程。該課程的教學目標是通過專業知識的學習使學生掌握工程結構的防災減災理論和常用設計方法，了解防災減災學科的研究動向，培養學生的創新意識和解決工程問題的能力[1]。在各類災害中，建筑火災發生最為頻繁，極具毀滅性。據《中國消防年鑒》統計，2013—2017年，我國共發生火災事故181萬起，死亡9 502人，直接財產損失超過220億人民幣。因此，建筑火災已成為威脅公眾安全、危害人民生命財產安全的重要災害[2]，建筑結構抗火設計已成為土木工程防災與減災課程的重點授課內容。

與此同時，新穎的建筑結構體系不斷涌現，常常超出了我國現行抗火設計規范的適用范圍[3]，通常需要通過開展建筑結構抗火試驗，

論證建筑抗火設計方案。開展建筑結構抗火實驗教學，不僅有利于幫助學生理解結構抗火基本原理，而且已成為建筑結構抗火設計與研究的一項重要手段。當前，國內僅有少數高校擁有建筑結構抗火實驗實體平臺，且大型建筑結構抗火實驗普遍存在潛在安全風險，耗時長、費用高，學生很難有機會現場觀摩，缺乏直觀認識。與此同時，由于抗火實驗的特殊性，實驗過程中很難捕捉并獲得重要實驗現象的視頻資料;因此，通過少量實驗照片展示實驗過程的傳統教學手段不利于學生理解結構抗火設計理論，不利于學生創新性能力與綜合素質的提高，制約了我國工程防災減災專業技術人員的培養。

虛擬技術與網絡技術為上述問題提供了理想的解決方案，已成為提升我國土木工程專業教育質量，助推高等教育教學變軌超車的重要手段[4-8]。鑒于此，中國礦業大學先后建設了實驗平臺、虛擬仿真平臺、虛擬教具，以及MOOC等現代教學資源，搭建了高度仿真的建筑結構抗火實驗教學平臺。依托該平臺，突破傳統實驗教學模式，實現了微實驗虛擬教學和實體實驗教學的相互補充，并將其服務于土木工程防災與減災專業課程實踐教學，取得了良好的應用效果。

一、建筑結構抗火教學資源與平臺建設

為了克服建筑結構抗火實驗資源有限且傳統實體教學手段單一等問題，近年來學校先后建設了建筑結構抗火實驗實體平臺、虛擬仿真平臺、虛擬教具、MOOC等連貫且系統的教學資源及實驗教學平臺。

（一）建筑結構抗火實驗實體平臺

先進的實驗實體平臺與豐富的科研成果是高仿真度地建設建筑結構抗火虛擬實驗的必要條件。中國礦業大學于2017—2019年建設完成了工程結構火安全實驗室，目前已成長為徐州市重點實驗室，擁有從材料高溫性能到建筑結構抗火性能研究的系列試驗設備（圖1），成為國內建筑結構抗火試驗能力突出的科研實驗平臺，先后完成了同濟大學、天津大學等知名高校委托的實驗項目，其實驗與研究水平在結構抗火領域獲得廣泛認可。

（二）建筑結構抗火實驗虛擬仿真平臺

不同于土木工程抗震、抗風實驗，火災實驗一般處于1 000℃以上的高溫環境，火災實驗監測技術直至近兩年才在美國NIST以及國內重點企業中取得突破;因此，生動還原抽象的火災實驗現象是火災虛擬仿真實驗的難點與痛點。依托中國礦業大學建筑結構抗火實體平臺擁有的先進監測技術，將最新科研成果（如防火板開裂與脫落判定、混凝土及鋼結構抗火性能提高措施等）作為項目的底層數據支撐[9-10]，通過“虛擬展現現實”再現了建筑結構抗火的科學問題。學生在虛擬環境中，親手完成實驗模型的制作與安裝，操作大型抗火實驗設備完成抗火實驗。實驗過程中，通過沉浸式的火災實驗現象（圖2）使學生了解建筑結構構件如何通過改變防火構造提高其耐火性能，從而加深對結構抗火基本原理的正確理解。

（三）建筑結構抗火實驗虛擬教具

在傳統實驗教學過程中，多通過平面或者三維圖（照片）的方式進行輔助教學（圖3）。然而，這并不利于學生很好地理解教學對象的內部結構。虛擬教具作為計算機模擬教具，不同于一般的以靜態單向傳遞信息為主的課件，它不僅具有傳統教具的功能，而且還具有交互性、動態性和可視化的特點，是一類全新的教學輔助手段。將建筑結構抗火實驗的實驗模型及實驗設備制作成虛擬教具，學生在手機端下載虛擬教具應用程序，通過屏幕操作實現教具對象的放大、縮小、旋轉、拆分、透視等功能，不僅使教學過程更加直觀、生動，而且使學生更加專注于學習，學習效果更佳。

（四）土木工程防災與減災MOOC

筆者團隊于2019年建設了土木工程防災與減災在線開放課程（圖4），制作了約800分鐘的在線課程視頻。其中，建筑結構抗火相關教學內容時長約占在線開放課程視頻總時長的25%。目前，該在線開放課程已在中國大學MOOC完成了兩期上線運行。此外，筆者還于2020年新制作建筑結構抗火微試驗課程視頻5講，既作為獨立的虛擬仿真實驗教學課程，亦可作為土木工程防災與減災MOOC的補充。

（五）建筑結構抗火教學平臺主頁

建設了建筑結構抗火教學平臺主頁，將建筑結構抗火虛擬仿真平臺、微試驗與虛擬教具、土木工程防災與減災在線課程以單獨完整頁面呈現，既體現了各部分教學資源的功能獨立，又突出了相互之間的聯系，這樣更有利于學生進行連貫性學習與體驗。

二、實驗教學方法創新

依托建筑結構抗火實驗教學平臺，提高虛擬仿真實驗的利用率，改進傳統實驗教學高消耗、實驗周期長、實驗參數單一、實驗參與度低等不足，實現了多參數、多次重復，以及全過程參與。基于基礎-綜合-創新應用的遞進關系，在滿足教學大綱任務的前提下，將原來的驗證型實驗拓展為綜合設計型實驗和創新型實驗，努力做到基礎模塊全員化、綜合模塊菜單化、創新模塊自主化，加強土木工程專業人才創新能力和綜合素質的培養，提升學生的行業競爭能力。

（1）充實完善教學培養方案，推進實驗實踐教學改革。明確提出虛實結合的實驗教學大綱，分別設置了常規實驗項目、自主試驗、試驗技術研究等不同類型的實驗項目，結合現有實體實驗室的科研項目，提出基于虛實結合的多階段、多層次實驗的教學方案，強化不同類型課程及其綜合實踐環節的知識體系串聯。

（2）強調學習自主性，“預習、學習、練習、考核”四位一體，鼓勵學生全方位、全過程參與并探索實驗。學生充分利用上述連貫而系統的建筑結構抗火教學資源，可實現自主性學習，即通過土木工程防災與減災MOOC學習理論知識，通過建筑結構抗火微試驗和虛擬教具進行虛擬實驗實踐，結合實驗室參觀加深理解，再利用建筑結構抗火虛擬仿真平臺，親自動手完成實驗任務。此外，充分體現“能實不虛、虛實結合”的教學理念，將學生原來只能參與部分環節的實驗教學內容擴展到全方位與全過程，進一步強化學生實體實驗的學習效果。學生可將探究科學原理的思想反映到實驗設計和過程中，將原來的“驗證型實驗”演變為“綜合設計型實驗”和“創新型實驗”。

（3）以趣為核，探索虛實結合的施教方案，實現實驗實踐教學與理論教學的高度融合。通過虛擬教具和虛擬仿真平臺，讓學生在學習的過程中體驗良好的交互性，

有自由發揮的空間

實現趣味性與嚴謹性、游戲與學習的完美結合。例如：通過沉浸式的火災實驗使學生了解到混凝土結構如何通過改變截面尺寸、保護層厚度等方式提高耐火性能，鋼結構構件如何通過改變防火構造提高耐火性能，從而加深對結構抗火基本原理的理解等。

（4）融入工程技術和科學研究最新成果，以通俗易懂的方式進行教學。開展“科研試驗進課堂，趣味游戲進教學”等教學改革嘗試，完善工程實踐、科學研究實驗教學方法及手段。圍繞教學團隊承擔的縱橫向科研項目，配合課程改革、教學手段和教學方式創新，進一步依托科研優勢進行教學軟件資源開發，豐富虛擬資源。

（5）線上與線下教學雙軌并行，電腦網頁版和手機版雙終端共同支持，鼓勵學生自由開展課后實踐活動。考慮到課堂教學的時間有限，結合學生的日常學習和生活習慣，通過手機客戶端可以實時開展課后創新實踐活動，能夠自主使用虛擬仿真實驗完成命題式作業，隨時隨地可以學習專業知識，并進行實時模擬考核，反復操作，做到及時查漏補缺，更有針對性地提高學生知識吸收效果和創新能力。

（6）踐行“課程思政”育人理念，突出增強學生的社會責任感與擔當意識。將安全教育融入學習的全過程，強化學生的安全與防護意識。通過高仿真度的虛擬呈現，讓學生身臨其境地去理解工程火安全，以及火災對社會、對人民造成的巨大傷害，從而促使學生自覺擔當起對社會的一份責任感。

三、評價體系創新

針對建筑結構虛擬仿真實驗教學，堅持完善多維度綜合評價體系。

（1）對于學生，強調“過程與結果并重”。改革實踐環節評分考核模式，注重對學生利用仿真平臺進行自主實驗以及互動交流過程考查，強化對學生實驗操作能力和結果分析能力的考評。課程理論學習部分設置答題形式的知識點考核，操作過程部分設置操作步驟考核，實驗報告部分需要結合試驗圖片完成現象描述記錄，并要求學習者根據實驗曲線自主判定與輸入實驗結果。設立“命題式考核模式”，注重創新能力培養。命題隨機出現，學生有自由發揮空間，鼓勵學生反復試驗并且大膽嘗試，以牢固掌握知識、激發創新欲望作為第一目標。

（2）對于教學團隊，以培養立德樹人的德智體美勞全面發展的人才為宗旨，牢固樹立學生反饋即為學生需求的教學理念。注重社會效應、實驗信息與課后評價的實時反饋，以及持續改進。

學生在完成實驗后可依據自身體驗進行打分并反饋意見或建議。教學團隊全體成員（包括技術支持成員）定期展開研究與討論，及時總結教學經驗，并針對教學過程中的問題和難點開展有針對性的教學方法改革和虛擬仿真實驗技術攻關，持續改進和完善實驗教學內容和教學方式方法，提高教學能力和學術水平，進一步提升教學效果。

四、結語

依托多媒體、網絡通信和虛擬仿真等現代技術，搭建了擁有實體實驗平臺、虛擬仿真平臺、虛擬教具、微試驗及MOOC等系統連貫的建筑結構抗火實驗教學平臺和現代教學資源。改進實驗教學方法，實現虛擬仿真教學和實體實驗教學的相互補充，實現多參數、多次重復以及全過程參與實驗，將原來的“驗證型實驗”拓展為“綜合設計型實驗”和“創新型實驗”，做到趣味性與嚴謹性相結合，促使學生個性化發展。改進了實驗教學評價體系，強調過程與結果并重，并注重持續改進和社會效應，鼓勵學生大膽嘗試，增強學習的主觀能動性。平臺使理論教學、實驗實踐教學及科研創新有機結合，使虛擬仿真教學成為新型實驗實踐教學方式下的重要手段。參考文獻：

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[10]Wei Chen， Jihong Ye， QingyangZhao，et al. Full scale experiments of gypsum-sheathed cavity-insulated cold-formed steel walls under different fire conditions [J].Journal of Constructional Steel Research， 2020（164）：105809.

Teaching innovation and construction of fire resistance experiment teaching platform of building structure based on virtual technology

CHEN Weia，b， YE Jihonga，b， ZHANG Yingyingb， LONG Bangyunb， JIANG Jiana，b

（a. Xuzhou Key Laboratory for Fire Safety of Engineering Structures; b. School of Mechanics and

Civil Engineering， China University of Mining & Technology， Xuzhou 221000， P. R. China）

Abstract：

At present， the fire resistance experiment teaching of building structure has gradually become an important teaching element of the course of civil engineering disaster prevention and mitigation. However， only a few universities in China have the physical platform of building structure fire resistance experiment. Meanwhile， due to the particularity of fire resistance experiment， the related teaching resources are very limited. Based on the modern technologies of multimedia， network communication and virtual simulation， a series of teaching resources and platforms of building structure fire resistance experiment teaching have been constructed， including physical experiment platform， virtual simulation platform， virtual teaching aids， micro experiment and MOOC. Using the platforms， the traditional experimental teaching mode is broken through. Taking interest as the core， this paper explores a virtual-actual combination teaching scheme， and the integration of experimental teaching and theoretical teaching is realized. The evaluation system of experiment teaching is established， which emphasizes both process and result， and pays attention to continuous improvement. In addition， it emphasizes the autonomy and innovation of learning， encourages students to try boldly， and enhances their subjective initiative and professional competitiveness.

Key words： structure fire resistance; virtual simulation; micro experiment; virtual teaching aids; experimental teaching platform; teaching innovation

（責任編輯 梁遠華）