林區(qū)橋梁墩柱加固虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

趙 康，魏 洋，丁明珉，董峰輝，鄭開(kāi)啟

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建的一種虛擬環(huán)境，用于模擬真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)原理和現(xiàn)象的研究和探索［1-2］。在教學(xué)上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)輔助或替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中自由探索、操作和觀察，不受時(shí)間、空間和安全等方面的限制，從而提高實(shí)驗(yàn)效率和安全性［3-4］。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，便于教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)估和指導(dǎo)［5］。

我國(guó)部分林區(qū)，如四川等處于地震多發(fā)區(qū)，震后結(jié)構(gòu)損傷對(duì)全區(qū)域救援造成極大阻力，加上林區(qū)環(huán)境及水下環(huán)境的復(fù)雜性使得其加固修復(fù)更加困難。目前國(guó)內(nèi)常規(guī)針對(duì)橋梁墩柱加固的方法主要采用圍堰排水法、壓入鋼管、夾克法等，近些年一些新型水下不排水技術(shù)（自反力壓入鋼管［6］、FRP 空間網(wǎng)格快速加固法［7-8］）應(yīng)用到實(shí)際工程中，需要說(shuō)明的是即使新型技術(shù)減少現(xiàn)場(chǎng)工序、縮短了工期［9］，但室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)仍然面臨周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜、成本高，存在一定安全隱患的問(wèn)題。林區(qū)橋梁混凝土墩柱水下加固實(shí)驗(yàn)是深入了解橋梁技術(shù)狀況評(píng)定、墩柱水下加固專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要途徑，是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的綜合性實(shí)驗(yàn)，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效解決林區(qū)橋梁混凝土墩柱水下加固抗震實(shí)驗(yàn)突出難題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)思路

林區(qū)橋梁混凝土墩柱水下加固實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：首先綜合性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)涉及試件的科學(xué)設(shè)計(jì)、加固方案設(shè)計(jì)、試件吊裝及加載、測(cè)試傳感器布置等；再者周期長(zhǎng)，從試件準(zhǔn)備至實(shí)驗(yàn)完成，至實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，歷經(jīng)半年以上；然后費(fèi)用高，材料用量大、設(shè)備體型大，加載成本高；同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)大，試件體量巨大、重量大、加載體系復(fù)雜；實(shí)驗(yàn)條件苛刻［10］。墩柱水下加固，環(huán)境復(fù)雜，施工工藝特殊，整體實(shí)驗(yàn)涉及試件設(shè)計(jì)與加工、加固設(shè)計(jì)與實(shí)施、測(cè)試裝置安裝、試驗(yàn)加載等一系列工序，實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大，技術(shù)要求高。由于以上特點(diǎn)，導(dǎo)致了無(wú)法在室內(nèi)開(kāi)展墩柱水下加固實(shí)驗(yàn)，從而學(xué)生無(wú)法對(duì)墩柱水下加固有直觀深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

主體實(shí)驗(yàn)設(shè)置了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)、室外實(shí)際工程兩個(gè)場(chǎng)景，諸多實(shí)驗(yàn)步驟，按照學(xué)生知識(shí)、能力的訓(xùn)練要求由淺入深，循序漸進(jìn)。既包括混凝土墩柱水下加固方案設(shè)計(jì)、低周反復(fù)荷載試驗(yàn)、室外實(shí)際工程應(yīng)用設(shè)計(jì)與分析等，為學(xué)生專(zhuān)業(yè)基本知識(shí)的掌握提供了有效工具，而且能夠支持學(xué)生進(jìn)行變參數(shù)、新方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過(guò)虛擬仿真進(jìn)行可視化表達(dá)。對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升提供了新穎的手段和工具。本虛擬實(shí)驗(yàn)在低消耗、低成本、無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下，使得學(xué)生深入掌握林區(qū)橋梁墩柱結(jié)構(gòu)、施工、維護(hù)、造價(jià)等相關(guān)知識(shí)，掌握相關(guān)設(shè)計(jì)理論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

通過(guò)線(xiàn)上林區(qū)橋梁混凝土墩柱水下加固實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生針對(duì)不同墩柱破壞模式及原始墩柱設(shè)計(jì)參數(shù)，選取適宜的水下加固方式，從理論計(jì)算到方案設(shè)計(jì)，再到實(shí)驗(yàn)加載測(cè)試和墩柱抗震性能評(píng)定，能夠全過(guò)程掌握大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)基本方法，在模型試驗(yàn)深入分析的基礎(chǔ)上，掌握林區(qū)橋梁水下墩柱抗震加固施工工藝、水下墩柱抗震加固設(shè)計(jì)方法、墩柱抗震性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析方法、地震作用下橋梁墩柱損傷機(jī)理和破壞模式、水下墩柱抗震加固經(jīng)濟(jì)成本分析方法。對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行加固設(shè)計(jì)并應(yīng)用。

2 虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了6 個(gè)模塊，具體框架流程如圖1所示。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)圖

學(xué)生通過(guò)賬號(hào)密碼登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，了解實(shí)驗(yàn)背景目的、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容，通過(guò)自測(cè)后，可以進(jìn)入墩柱設(shè)計(jì)模塊中，完成墩柱高度、墩柱直徑、混凝土強(qiáng)度、配筋率四個(gè)步驟的交互設(shè)計(jì)。操作完成后，方可進(jìn)入墩柱加固模塊。墩柱加固模塊按操作邏輯順序分為：“加固方案、加固方式、配筋率、加固厚度、混凝土強(qiáng)度”5個(gè)步驟。完成墩柱加固后，進(jìn)入試件加載模塊環(huán)節(jié)，首先由場(chǎng)內(nèi)吊機(jī)將加固后的墩柱吊裝至試件加載區(qū)域，然后進(jìn)行位移計(jì)、應(yīng)變片等傳感器布設(shè)，設(shè)定軸壓比，選擇加載控制方式，啟動(dòng)油泵，開(kāi)始試件加載。加載過(guò)程中，伴隨著混凝土破損等外觀表現(xiàn)和聲效，系統(tǒng)自動(dòng)輸出荷載-位移曲線(xiàn)，并給出主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。完成試件加載后，可以重置，返回修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)比分析。在分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，針對(duì)室外實(shí)際水下墩柱，完成設(shè)計(jì)加固方案，用于實(shí)際橋墩的加固，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。完成以上所有實(shí)驗(yàn)步驟后，最終系統(tǒng)會(huì)將其自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告及評(píng)分，供學(xué)生及教師查閱，并導(dǎo)出備檔。

2.2 工程實(shí)際問(wèn)題

（1）工程實(shí)際問(wèn)題的提出。操作人員通過(guò)浸入式的方式切身感受林區(qū)水域環(huán)境下橋墩的損傷場(chǎng)景，提出需要解決的林區(qū)橋梁墩柱震損后需要進(jìn)行水下加固的工程實(shí)際問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。幫助學(xué)生感性認(rèn)識(shí)橋梁墩柱損傷模式，培養(yǎng)學(xué)生提出工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

圖2 受損橋梁墩柱基本信息

（2）工程實(shí)際問(wèn)題的分析。操作人員需首先選擇墩柱的破壞模式，在學(xué)習(xí)墩柱承壓機(jī)理加固方法約束提升機(jī)制后，采用針對(duì)性的加固方法對(duì)相應(yīng)墩柱進(jìn)行加固設(shè)計(jì)（預(yù)制凝土板、FRP 膜殼）。完成相應(yīng)設(shè)計(jì)后（見(jiàn)圖3），選擇合適位置放置測(cè)試傳感器，正確安裝之后方能進(jìn)行下一步操作，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。隨后對(duì)選擇合適的軸壓比以及加載機(jī)制［見(jiàn)圖4（a）］，隨著實(shí)驗(yàn)加載的進(jìn)行，同步出現(xiàn)試件外觀表現(xiàn)及響應(yīng)數(shù)據(jù)和荷載-位移曲線(xiàn)［見(jiàn)圖4（b）］，同時(shí)在混凝土開(kāi)裂、混凝土的壓碎、鋼筋的斷裂等關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的實(shí)際聲效，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中構(gòu)件發(fā)生開(kāi)裂、屈服和破壞等現(xiàn)象的認(rèn)知，加載過(guò)程中，作動(dòng)器、位移計(jì)指針等跟隨試件的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，荷載、位移、應(yīng)變實(shí)時(shí)顯示。

圖3 加固方案設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)計(jì)說(shuō)明

圖4 試件加載機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（3）工程實(shí)際問(wèn)題的解決。場(chǎng)景移換至外部損傷墩柱位置，選擇室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定的加固方法對(duì)損傷墩柱進(jìn)行加固修復(fù)［見(jiàn)圖5（a）］，加固后針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中加固后的橋墩從安全性和經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫孢M(jìn)行加固效果評(píng)定［見(jiàn)圖5（b）］。

圖5 實(shí)際場(chǎng)景損傷墩柱加固

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告及反饋。操作人員在完成加固步驟后，根據(jù)林區(qū)橋梁墩柱水下加固相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告（見(jiàn)圖6），實(shí)驗(yàn)報(bào)告中包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑怼?shí)驗(yàn)方法、加固設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)曲線(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析等。

圖6 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2.3 項(xiàng)目開(kāi)放及共享

林區(qū)橋梁墩柱水下加固抗震虛擬仿真項(xiàng)目面向全國(guó)各大高校土木及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生、土木一線(xiàn)加固設(shè)計(jì)人員全權(quán)開(kāi)放，同時(shí)該項(xiàng)目也獲批江蘇省2021 年省級(jí)一流本科虛擬仿真課程。本項(xiàng)目實(shí)時(shí)在線(xiàn)免費(fèi)開(kāi)放（http：//jsxngx.seu.edu.cn/lqhntkz/）。

3 教學(xué)方法及效果分析

教學(xué)方法擺脫了舊有的灌輸式教學(xué)，以互動(dòng)式的教學(xué)方法以達(dá)到師生共建課程的目的［11］，具體的表現(xiàn)為采用浸入式、自主式、交互式、探究式、反饋式教學(xué)方法相結(jié)合，使學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)掌握“墩柱損傷評(píng)定”“水下加固設(shè)計(jì)”“水下加固施工工藝”3 個(gè)相互遞進(jìn)的知識(shí)層次，掌握墩柱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)技能，掌握橋梁墩柱損傷機(jī)理和破壞模式及水下墩柱加固經(jīng)濟(jì)成本分析方法。

其中，浸入式教學(xué)方法，學(xué)生可如身臨其境般地體驗(yàn)地震荷載對(duì)橋梁混凝土墩柱的損傷，體會(huì)低周反復(fù)荷載作用下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的儀器設(shè)備工作狀態(tài)，感知墩柱的破壞現(xiàn)象、破壞聲響以及反應(yīng)曲線(xiàn)的生成過(guò)程。自主式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)獲取知識(shí)，在學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自我探索，自我學(xué)習(xí)項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)。交互式教學(xué)方法，可以充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中“重理論講授、輕過(guò)程分析”的不足，教學(xué)中，不僅注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的交互式操作體驗(yàn)，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間不同參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互對(duì)比與交流，以及與教師之間的研究探討。探究式教學(xué)方法，可以引導(dǎo)學(xué)生從工程思維到研究性思維方式的轉(zhuǎn)變，在選擇特定參數(shù)完成后，允許學(xué)生重置實(shí)驗(yàn)，返回修改一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，再次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到混凝土墩柱抗震加固設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。反饋式教學(xué)方法，在多參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土墩柱水下加固的效果進(jìn)行總結(jié)，基于室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，將成果應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)實(shí)際工程中，并分析工程經(jīng)濟(jì)成本，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.1 實(shí)施過(guò)程

（1）浸入式教學(xué)方法感知實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)對(duì)真實(shí)林區(qū)橋梁、地震與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的模擬，學(xué)生如同“身臨其境”地進(jìn)入了地震后橋梁受損的真實(shí)情境中，可以加深學(xué)生對(duì)于林區(qū)橋梁墩柱水下加固的需求性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解，同時(shí)可以增加學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同性［12］。

（2）自主式教學(xué)方法學(xué)習(xí)墩柱水下加固及抗震性能的相關(guān)知識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介模塊，學(xué)生可以了解林區(qū)混凝土橋墩在地震作用下的破壞形態(tài)，掌握橋墩水下加固技術(shù)與墩柱抗震性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)知識(shí)，為進(jìn)行墩柱水下加固設(shè)計(jì)與低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，在本模塊中提供相關(guān)的書(shū)籍、論文等參考資料，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供依據(jù)。此外，本項(xiàng)目采用可視化的表現(xiàn)形式，便于學(xué)生直觀地理解所采用的加固設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)橋墩抗震性能的影響［13］。

（3）交互式教學(xué)方法完成水下加固墩柱抗震實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變不同的橋墩加固方法和加固參數(shù)（如混凝土加固厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、加固鋼筋數(shù)量、外包層層數(shù)等）模擬水下加固后混凝土橋墩在低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)（如承載力、延性性能等），分析墩柱在不同情況下的破壞模式、抗震性能。使學(xué)生了解林區(qū)水下墩柱抗震性能的影響因素，并結(jié)合不同加固設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，模擬再現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下橋墩的抗震性能變化，定量分析評(píng)價(jià)加固方案的實(shí)施效果［14］。

（4）探究式教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生研究性思維方式。在橋梁墩柱的水下加固設(shè)計(jì)中，影響墩柱抗震性能的因素很多，本項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置重置重復(fù)實(shí)驗(yàn)的模塊，允許學(xué)生進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)進(jìn)行修改，并將學(xué)生各次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，讓學(xué)生了解每一個(gè)參數(shù)的改動(dòng)對(duì)加固墩柱抗震性能的影響，有助于學(xué)生對(duì)加固墩柱抗震性能的系統(tǒng)深入分析，幫助學(xué)生提升專(zhuān)業(yè)綜合思考能力。

（5）反饋式教學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行總結(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊和試驗(yàn)問(wèn)答模塊進(jìn)行反饋式教學(xué)。記錄學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生既能及時(shí)糾錯(cuò)，又能在自主學(xué)習(xí)后通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反思。此外，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前添加預(yù)習(xí)考核等環(huán)節(jié)，便于學(xué)生及時(shí)了解與掌握學(xué)習(xí)的進(jìn)程，保證學(xué)生能夠真正掌握相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果［15］。

3.2 實(shí)施效果

（1）通過(guò)“林區(qū)橋梁混凝土墩柱水下加固抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”解決了以往該類(lèi)實(shí)驗(yàn)幾無(wú)可能開(kāi)展的難題，該實(shí)驗(yàn)完整涵蓋了從墩柱地震損傷、加固方案設(shè)計(jì)到構(gòu)件安裝和實(shí)驗(yàn)加載與數(shù)據(jù)采集，再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析、抗震性能評(píng)定，最后進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的全過(guò)程。

（2）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高真實(shí)度地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉加固設(shè)計(jì)理論，掌握大量實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的操作方法，并在復(fù)雜工程環(huán)境約束下考慮設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（3）該實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，知識(shí)覆蓋面廣，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)“木材運(yùn)輸學(xué)”“橋梁工程”“橋梁檢測(cè)評(píng)定與加固技術(shù)”“橋梁抗震”等課程知識(shí)的綜合深入理解，著實(shí)提高學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力。

（4）該實(shí)驗(yàn)向?qū)W生提供了自主設(shè)計(jì)加固方案及重置的模塊，并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行快速再設(shè)計(jì)-再實(shí)驗(yàn)（省去制作過(guò)程），能夠很好培養(yǎng)學(xué)生的自主探索精神和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，為學(xué)生從事相關(guān)科研工作發(fā)揮啟迪作用。

3.3 考核要求

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)步驟記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課后測(cè)試進(jìn)行綜合評(píng)分。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，自己選擇墩柱損傷模式，設(shè)計(jì)加固方案，設(shè)計(jì)加載及量測(cè)方案，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及加載測(cè)試環(huán)節(jié)。加載測(cè)試環(huán)節(jié)完成后，由學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得加固效果的評(píng)價(jià)結(jié)論，根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行水下實(shí)際墩柱的加固方案設(shè)計(jì)。最后，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查看操作流程和分?jǐn)?shù)。

具體要求包括：

（1）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)考核。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段，學(xué)生隨機(jī)抽取5 道客觀題，完成測(cè)試題，只有全部完成才能進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，分值10 分，錯(cuò)誤一道題扣2 分。

（2）“墩柱設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的總分值為20 分。“墩柱加固”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的總分值為15 分。“試件加載”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的總分值為20 分。“水下加固”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的總分值為25 分。

（3）課后測(cè)試考核。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和掌握程度，采用主觀題和客觀題結(jié)合的方式，分值為10 分。

4 墩柱加固虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特色

4.1 科教融合，提供科研探索平臺(tái)

基于在橋梁檢測(cè)與加固技術(shù)領(lǐng)域前期科研基礎(chǔ)，同時(shí)相關(guān)技術(shù)在江蘇、浙江、江西省等水下墩柱加固中取得了良好的效益。將科研成果融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，項(xiàng)目已申請(qǐng)軟件著作權(quán)3 項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的多樣變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)科學(xué)變化，參數(shù)化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化比選，不僅為學(xué)生對(duì)比分析探究提供可能，仍可為科研工作人員提供初步的科研探索平臺(tái)。

4.2 虛實(shí)結(jié)合，線(xiàn)上線(xiàn)下融合

項(xiàng)目組針對(duì)橋梁墩柱水下加固抗震性能開(kāi)展了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)［7］，獲得了大量真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及損傷圖片；同時(shí)，借助于先進(jìn)的分析軟件，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，開(kāi)展了批量變化參數(shù)的仿真模擬分析。真實(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真分析結(jié)果為本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)奠定了理論的科學(xué)基礎(chǔ)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，貫徹“能實(shí)不虛”、突出“虛實(shí)結(jié)合”，有力引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維培育。在線(xiàn)下課程“橋梁檢測(cè)評(píng)定與加固技術(shù)”的課題上，開(kāi)展充分討論，讓學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)點(diǎn)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提前講解實(shí)驗(yàn)操作引導(dǎo)視頻，強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)；結(jié)合課內(nèi)講解，有的放矢，開(kāi)展線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后，師生、生生之間充分交流實(shí)驗(yàn)心得，深入思考，線(xiàn)上線(xiàn)下融合，促使學(xué)生從單純知識(shí)學(xué)習(xí)，向理論探究、實(shí)踐創(chuàng)新方向發(fā)展，全方位促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4.3 技術(shù)先進(jìn)，面向行業(yè)需求

我國(guó)當(dāng)前公路橋梁已達(dá)80 余萬(wàn)座，面對(duì)地震災(zāi)害、重載及林區(qū)等復(fù)雜的交通與自然環(huán)境，大量的水下墩柱存在混凝土開(kāi)裂、剝落、鋼筋銹蝕等病害，加固是保障橋梁安全與延長(zhǎng)其壽命的重要手段，水下加固由于其水環(huán)境及水深的影響，傳統(tǒng)加固工藝極其復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、實(shí)施困難，如四川廟子坪大橋，在“5·12”汶川地震中，兩個(gè)水深80 m 的水下橋墩出現(xiàn)裂紋，對(duì)其加固修復(fù)是工程界巨大的挑戰(zhàn)，本項(xiàng)目實(shí)施的橋墩水下加固技術(shù)以免排水為創(chuàng)新思想，將水下工作轉(zhuǎn)換為水上，為水下墩柱提供經(jīng)濟(jì)高效的加固修復(fù)手段，水下墩柱加固潛在市場(chǎng)巨大，技術(shù)需求迫切，本項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)內(nèi)容為江蘇、浙江省等行業(yè)管理部門(mén)提供多次技術(shù)培訓(xùn)工作，為行業(yè)從業(yè)人員深入理解水下加固工藝、抗震設(shè)計(jì)理論提供支撐，從學(xué)生能力培養(yǎng)到市場(chǎng)化服務(wù)，科研、教學(xué)、生產(chǎn)三位一體，建立起理論知識(shí)與實(shí)際工程之間的現(xiàn)實(shí)聯(lián)系。

4.4 評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用多層次考核對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體分為預(yù)習(xí)考核、實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核和題庫(kù)練習(xí)考核。采用預(yù)習(xí)考核判斷學(xué)生是否有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備進(jìn)行林區(qū)橋梁水下加固鋼筋混凝土墩柱抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從而保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果。采用實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核判斷學(xué)生是否按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是否對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有清晰的認(rèn)識(shí)，是否得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。采用題庫(kù)練習(xí)深化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)理解，從而讓學(xué)生真正掌握實(shí)驗(yàn)所需的內(nèi)容。針對(duì)每個(gè)層次的考核，提出了不同的評(píng)價(jià)要求，從而滿(mǎn)足學(xué)生全面掌握知識(shí)和技能的需求。另外，在課堂上展開(kāi)討論，交流實(shí)驗(yàn)心得，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

4.5 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以作為理論教學(xué)的重要輔助手段。課堂教學(xué)，教師主要借助PPT、板書(shū)等手段講解相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，學(xué)生有時(shí)很難按照老師的講述想象出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程，借助于本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬呈現(xiàn)，學(xué)生可以很直觀地看到什么是林區(qū)橋梁、橋梁墩柱、損傷墩柱、墩柱加固過(guò)程、低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備等。

縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第2 課堂。本項(xiàng)目與傳統(tǒng)教學(xué)課程的契合度很高，能夠很好地與傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行對(duì)接和延伸拓展，通過(guò)4 個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)長(zhǎng)，可以直接與原有實(shí)驗(yàn)觀摩課程相結(jié)合，完成相關(guān)教學(xué)大綱的要求；在課堂以外，拓展了更為靈活、生動(dòng)、以學(xué)生為中心的課堂外教學(xué)模式，高效地完成了原有課程的教學(xué)內(nèi)容。

培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和科技創(chuàng)新的能力。由于該類(lèi)試驗(yàn)的綜合性，同時(shí)，軟件制作了相關(guān)“實(shí)驗(yàn)說(shuō)明”，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科和研究生教學(xué)提供探究的便利，愛(ài)動(dòng)腦筋的學(xué)生可以利用本項(xiàng)目，將自己的想法與設(shè)計(jì)思路在本系統(tǒng)中不斷地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察與分析改變參數(shù)后的變化，尋找創(chuàng)新點(diǎn)，并進(jìn)一步加以研究。同時(shí)為鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，實(shí)施個(gè)性化教學(xué)、課堂翻轉(zhuǎn)、在線(xiàn)課程等新思路和拓展提供了可行方法。

5 結(jié)語(yǔ)

課程實(shí)踐表明，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，有助于學(xué)生將課堂中理論知識(shí)吸收鞏固、實(shí)踐反思再吸收，有效提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。依托林區(qū)橋梁墩柱加固虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，相比較傳統(tǒng)的線(xiàn)下教學(xué)以及單純的線(xiàn)上教學(xué)，混合式的教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生自主獨(dú)立思考以及設(shè)計(jì)的興趣，提高教學(xué)效果。