虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)模式探索與實踐

劉菲菲，李 軍，張紀(jì)剛，臧曉光，王向英，馬哲昊

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

高校實驗教學(xué)作為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，利用設(shè)備儀器在人為控制條件下，通過一系列研究對象內(nèi)在因素的變化，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、測定、分析和設(shè)計等手段，獲得知識、能力和素養(yǎng)［1-2］。實驗教學(xué)相較于理論教學(xué)更突出學(xué)生的主體位置，手腦并用，培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力。土木實驗相較于其他學(xué)科實驗，實驗成本高、耗時長甚至很多實驗過程是不可逆的，一旦失敗往往損失較大［3-4］。虛擬仿真實驗可將一些高危或極端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作等實驗轉(zhuǎn)化為虛擬仿真，有效地解決這個問題［5-7］。在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實課堂、教研室、實驗室與虛擬仿真實訓(xùn)基地，開發(fā)一批基于教學(xué)大綱的虛擬現(xiàn)實數(shù)字課程，推動教學(xué)模式向自主體驗升級，打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂是十分必要的。將虛擬仿真與實驗教學(xué)相結(jié)合，提升實驗的智能化和信息化，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力，豐富實驗教學(xué)的內(nèi)涵，探索一條適用于土木工程專業(yè)實驗教學(xué)的新思路是現(xiàn)階段實驗教學(xué)的必然選擇。

1 基于虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)體系的研究現(xiàn)狀

土木工程專業(yè)實驗包括理論課中的實驗和土木綜合實驗，土木綜合實驗設(shè)計性和綜合性較強(qiáng)。土木綜合實驗課是在大三開設(shè)，此時學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的實驗方法和實驗技能，自主實驗的意識較強(qiáng)。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下，土木工程實驗往往受到儀器設(shè)備、實驗成本、人員數(shù)量以及安全等限制，只能在特定的時間和地點，通過教師的指導(dǎo)來完成固定的實驗內(nèi)容［8-9］。以鋼筋混凝土梁斜截面抗彎承載力實驗為例，實驗中鋼筋混凝土梁分為超筋梁、適筋梁和少筋梁3 種情況，由于實驗成本只能進(jìn)行一種實驗操作，同時試件加工由于工人下料，有可能無法呈現(xiàn)出試驗梁應(yīng)有的破壞形態(tài)。由于學(xué)生人數(shù)多，場地受限，實驗設(shè)備不足，學(xué)生分組人數(shù)較多，很多學(xué)生（或主動或被動）無法參與實驗操作，導(dǎo)致學(xué)生在實驗課中得不到充分鍛煉，不利于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。

針對傳統(tǒng)土木綜合實驗教學(xué)的難點和痛點，經(jīng)不斷探索將虛擬仿真技術(shù)運用其中，積極建設(shè)理實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)課程，逐步構(gòu)建實驗和虛擬仿真相結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)模式。土木綜合實驗中虛擬仿真教學(xué)主要是依托土建虛擬仿真教學(xué)平臺，該平臺包含結(jié)構(gòu)工程、巖土工程和橋梁工程等方向的33 個實驗項目，能高真實度地再現(xiàn)實驗場景［10］。虛擬仿真的引入可剔除綜合實驗中一些陳舊的基本練習(xí)型內(nèi)容，優(yōu)化綜合設(shè)計，也可進(jìn)行一些前沿科研工程實踐轉(zhuǎn)化的研究和探索，提高學(xué)生的創(chuàng)新和探索能力［11-12］。學(xué)生依托云平臺資源，可隨時隨地進(jìn)行實驗，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，甚至可針對感興趣和具有一定難度的內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)仿真，拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，為學(xué)生自主實驗提供強(qiáng)有力的保障［13-16］。

2 基于虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)體系

2.1 教學(xué)內(nèi)容

土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）是專業(yè)性和實踐性較強(qiáng)的課程。本課程由結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、道路橋梁和虛擬仿真等實驗室共同開設(shè)，既包含傳統(tǒng)的實驗，也包括一些校企合作開發(fā)的具有原創(chuàng)性、示范性的虛擬仿真，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和綜合性，具體見表1。課程總學(xué)時數(shù)為48，其中第5 學(xué)期課程學(xué)時數(shù)為32，第6 學(xué)期課程學(xué)時數(shù)為16。本課程基于力學(xué)原理和土木工程專業(yè)知識，通過實驗和仿真使學(xué)生學(xué)會使用各種儀器、儀表和試驗設(shè)備，觀測采集荷載、變形、應(yīng)變、溫度、振幅、頻率、裂縫等數(shù)據(jù)。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，對試驗對象的性能做出評估，為驗證和發(fā)展相關(guān)理論提供依據(jù)。通過實驗教學(xué)，使學(xué)生獲得土木工程試驗方面的基礎(chǔ)知識和基本技能，能進(jìn)行一般土木工程試驗的設(shè)計與規(guī)劃，并得到初步的訓(xùn)練和實踐。

表1 土木綜合實驗虛實結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容

2.2 實驗教學(xué)設(shè)計

土木綜合實驗中虛擬仿真分為兩類，結(jié)構(gòu)方向?qū)C合性較強(qiáng)的鋼筋混凝土簡支梁抗彎性能試驗、鋼筋混凝土簡支梁抗剪性能試驗、鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件失穩(wěn)實驗和鋼梁整體失穩(wěn)模型實驗采用實驗仿真和線下實驗相結(jié)合的方法，如圖1（a）所示。課前教師將課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容告知學(xué)生，學(xué)生對試驗涉及的知識點進(jìn)行復(fù)習(xí)，并對仿真操作進(jìn)行預(yù)習(xí)；課中分為仿真和實驗兩部分，仿真課上教師會對涉及的知識點、操作步驟等內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生進(jìn)行仿真操作，仿真操作后進(jìn)行實驗仿真考核，考核合格后進(jìn)行線下實驗。土建實驗虛擬仿真平臺具有強(qiáng)大的課件推送、資源共享、教師答疑、課堂討論、報告撰寫、得分反饋、彈幕互動和數(shù)據(jù)分析等功能，使得學(xué)生能第一時間了解自己的學(xué)習(xí)情況；實驗虛擬仿真和實驗均完成后需進(jìn)行實驗總結(jié)和報告撰寫。對于巖土方向，如三軸剪切實驗虛擬仿真、標(biāo)準(zhǔn)貫入實驗虛擬仿真、原位十字板剪切（電測式）實驗虛擬仿真等，直接采用線上實驗虛擬仿真教學(xué)方法，如圖1（b）所示，即課前預(yù)習(xí)、課上采用實驗虛擬仿真教學(xué)，教師對設(shè)計的知識點、操作步驟等內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生進(jìn)行仿真操作，仿真操作不受時間、空間和次數(shù)的限制，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，仿真操作后可進(jìn)行仿真考核，可通過得分反饋看到自己所存在的問題；課下學(xué)生進(jìn)行實驗總結(jié)并撰寫實驗報告。

圖1 實驗虛擬仿真教學(xué)流程

以鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗為例，對基于虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)模式進(jìn)行闡述：

（1）課前準(zhǔn)備。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗虛擬仿真是在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力學(xué)習(xí)完成的基礎(chǔ)上開展。實驗仿真開始時，教師會提前發(fā)布課程任務(wù)，學(xué)生對試驗涉及知識點進(jìn)行復(fù)習(xí)，并對實驗虛擬仿真操作進(jìn)行預(yù)習(xí)。

（2）課中實驗。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗虛擬仿真，集語音、視頻、三維動畫技術(shù)為一體，學(xué)生通過操作鍵盤及鼠標(biāo)可變換視點的位置，實現(xiàn)漫游。實驗共設(shè)計了儀器展示、學(xué)習(xí)模式和考核3 個功能模塊，如圖2 所示，涵蓋了從實驗方案設(shè)計、構(gòu)件加工、應(yīng)變片粘貼、實驗準(zhǔn)備、加載及數(shù)據(jù)采集、實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理整個實驗的全過程。

圖2 鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力實驗虛擬仿真功能模塊

在進(jìn)行實驗虛擬仿真前，教師首先需對實驗仿真涉及的知識點、實驗內(nèi)容和實驗操作等知識進(jìn)行講解。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗虛擬仿真涉及適筋梁、少筋梁、超筋梁3 部分，教師在講解時既要全面，又要重點突出，還要結(jié)合實驗虛擬仿真平臺進(jìn)行針對性地講解。不同于實驗，實驗虛擬仿真講解重點放在理論知識、實驗原理方面，同時結(jié)合實驗虛擬仿真平臺對用到的實驗設(shè)備、儀器儀表的使用方法、注意事項以及實驗方法進(jìn)行講解；引導(dǎo)學(xué)生觀察、了解受彎構(gòu)件受力和變形的3 個工作階段及適筋梁的破壞特征；學(xué)會測定、計算受彎構(gòu)件正截面的開裂荷載和極限承載力；教師講解完成后，學(xué)生可進(jìn)行實驗虛擬仿真，教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生可對鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗過程不斷練習(xí)，掌握后可進(jìn)入考核模式。在考核模式下如果選擇錯誤，會進(jìn)行相應(yīng)的扣分，并沒辦法進(jìn)入下一步的操作。通過反復(fù)練習(xí)、不斷打磨之后能將應(yīng)變片粘貼、鋼筋混凝土梁加載等實驗流程熟練地掌握和運用。實驗虛擬仿真考核完成后，學(xué)生可通過平臺撰寫實驗報告，教師進(jìn)行批改。

（3）課后總結(jié)。學(xué)生實驗虛擬仿真成績由課堂考勤、實驗考核和實驗報告3 部分組成，其中課堂考勤占10 %，實驗考核占40 %，實驗報告占50 %。實驗考核主要分為實驗技能考核和理論考核兩部分，均在考核模式下進(jìn)行，通過該部分可考察學(xué)生對實驗原理、實驗現(xiàn)象和實驗技能的理解和掌握，理論考核有單選、多選、判斷等客觀題型，平臺自動評分。教師可通過對后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)對學(xué)生實驗情況的追溯及客觀評價，做到有的放矢。

3 仿真教學(xué)效果分析

教學(xué)效果的考核以及學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價不僅能考核學(xué)生是否掌握和理解實驗的基本內(nèi)容，對實驗項目仿真的進(jìn)一步優(yōu)化具有十分積極的作用。本文以2020級土木工程結(jié)構(gòu)方向?qū)W生為研究對象，共發(fā)放問卷221份，收回有效問卷219份，有效問卷收回率99.1 %。問卷從仿真平臺質(zhì)量和學(xué)生滿意度兩個維度展開。

通過問卷分析可見，學(xué)生對實驗虛擬仿真教學(xué)具有非常積極的認(rèn)識，90.42 %的學(xué)生認(rèn)為實驗虛擬仿真有助于聯(lián)系專業(yè)的理論知識點；93.15 %的學(xué)生認(rèn)為實驗虛擬仿真有助于掌握實驗的原理、提高實驗操作能力操作；87.21 %的學(xué)生通過實驗虛擬仿真學(xué)習(xí)所用儀器、實驗原理以及操作流程，并能獨立重復(fù)實驗。通過對實驗虛擬仿真的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)為實驗虛擬仿真具有過程更安全、教育內(nèi)容更直觀、科學(xué)趣味更濃厚等優(yōu)點，如圖3 所示，并愿意在未來的學(xué)習(xí)中使用土建實驗仿真平臺。通過問卷調(diào)查也可以看出，土建實驗虛擬仿真平臺給學(xué)生提供了更多學(xué)習(xí)時間和地點的自由性，68.4 %的學(xué)生利用除課堂之外的碎片和自習(xí)時間進(jìn)行進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

圖3 虛擬試驗的效果（多選題）

學(xué)生在使用過程中也發(fā)現(xiàn)存在一定問題，58.9%的學(xué)生在使用過程中發(fā)生平臺崩潰、運行卡頓等突發(fā)意外；55.71%的學(xué)生認(rèn)為部分圖標(biāo)和細(xì)節(jié)看不清楚，有待優(yōu)化；45.66%的學(xué)生認(rèn)為實驗儀器不夠靈活，需要進(jìn)一步優(yōu)化。同時82.65%的學(xué)生期待在實驗仿真中增加VR／AR 技術(shù)，進(jìn)一步提升虛擬仿真實驗的交互性和沉浸感。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。從教學(xué)運用、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計3 個方面對虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)體系進(jìn)行闡述，構(gòu)建了一種基于虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)體系。本教學(xué)改革成果已成功應(yīng)用于土木工程專業(yè)《土木綜合實驗》的教學(xué)實踐，切實發(fā)揮實驗虛擬仿真教學(xué)成果在實驗教學(xué)中的關(guān)鍵性、多樣性作用。通過問卷調(diào)查可見，基于虛實結(jié)合的土木綜合實驗混合式教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力，為其他實驗課程的教學(xué)改革提供了一種有益參考。同時，為更好地服務(wù)課堂，提高學(xué)生的參與感和認(rèn)可度，仿真平臺也需要在使用的過程中不斷優(yōu)化，解決運行卡頓、細(xì)節(jié)不清楚等問題。