虛擬仿真技術在土木工程結構實驗中的應用

劉 寧 楊艷敏 徐麗娜

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

虛擬實驗教學的主要目標是培養學生的創新、研究和實踐等綜合能力及素質，是高等院校培養優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的發展得到了國家的大力支持，在這種機遇下國內部分土建類高等院校利用虛擬仿真技術建立了相關專業的虛擬仿真實驗室，并展開相應的虛擬仿真實驗教學活動[1，2]。經過多年的探索和發展，虛擬仿真實驗教學已成為高校信息化和實驗教學基地建設中不可或缺的環節，并且是信息網絡技術與各學科專業之間高度融合的產物[3]。

1 傳統實驗教學模式特點及問題

實踐是土木工程學科發展的重要基礎，土木工程專業的核心課程包括基礎工程、鋼結構設計基本原理、混凝土結構基本原理、工程結構抗震與防災、橋梁結構等，所涉及的教學實驗普遍存在以下特點。

1.1 實驗構件成本高、制作周期長

實體的建筑結構如房屋、隧道、橋梁等工程通常體量較大，對這些體量較大的結構或構件很難在實驗室完成足尺實驗[4]。此外，與土木工程專業相關的實驗存在實驗周期較長、實驗成本較高的特點，如“受彎構件實驗”需要用到的鋼筋混凝土梁、柱構件實體實驗模型，從試件設計、鋼筋下料、模具制作、澆筑及養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生的全程參與[5]。

1.2 實驗危險系數高、消耗大

土木工程專業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，尤其是工程結構抗震、結構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計和制作、實驗加載、數據采集與處理，最后提交實驗報告冊。由于試件數量及實驗學時的限制，在實驗授課過程中學生大多分為5～10人一組，每位同學負責一部分實驗內容，分工合作，以組為單位共同完成實驗。因此，會導致每位同學無法獨立系統地操作，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知。

鑒于以上在傳統土木工程專業實驗教學中存在的問題，為化解傳統實驗教學與學生能力素質培養之間存在的障礙，提高實驗教學效率，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習理論的基礎上，利用專業虛擬仿真實驗平臺，采用多媒體和網絡通信技術，構建具有高度真實感、直觀、精確的虛擬仿真實驗教學平臺是對傳統實體實驗教學的有益補充和創新。

2 虛擬仿真結構實驗教學體系構建

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

2.1 建設思路

（1）土木工程虛擬仿真實驗平臺為加強土木工程學科專業實驗室的教學能力，提供多種結構實驗仿真模塊，從而提升實驗教學內容的豐富程度。將現有的專業知識結構分為實驗原理介紹、課程相關綜合實驗、專業綜合實驗等難度逐級遞進的多個實驗項目，實現學生能夠從不同的角度、視覺和領域掌握與學習專業知識。

（2）虛擬仿真實驗平臺與理論課程、實體實驗緊密結合，三大虛擬仿真試驗模塊與三門實驗課程支撐三門專業主干理論課程，輻射其他六門專業課程，基本覆蓋了土木工程結構相關的主要課程。

2.2 教學內容

（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三年級本科生必修的基礎實驗，由于在傳統實體實驗中受到場地、耗材量、時間的限制，學生在課堂上能完成的簡支梁加載破壞試驗數量并不多。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，學生可以利用虛擬動畫模擬鋼筋混凝土梁的制作，并根據設計完成適筋、少筋及超筋梁，不同配筋率的簡支梁破壞試驗模擬。并且能夠在虛擬試驗場景中反復調整實驗工況及參數，體驗不同工況條件下的實驗過程及實驗結果之間的區別。主要包括：對每種試件可通過設置構件長度、截面尺寸以及配筋等模型參數，在模擬試驗場景中設置百分表、混凝土及鋼筋應變片，可實現實驗梁的裂縫出現并逐漸發育，動態顯示加載曲線。同時，可調整分配梁、兩端支座、加載點控制、應變片布設位置、百分表布設條件，實現多次重復實驗。在實驗工況參數確定后，虛擬仿真實驗系統可完成數值歸零、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，從而評價學生是否在認真完成虛擬實驗學習任務。學生完成某個試驗模塊學習后可在線進行原理考核、試驗操作考核并提交實驗報告，系統自動批改后將成績、詳情保存至服務器。通過管理權限教師能夠查看學生的學習進程、考試成績和下載實驗報告進行批閱，從而形成多角度、多層次的實驗教學評價體系。

（3）由于虛擬仿真實驗平臺掛靠在校內云端的服務器上，因此學生可以在寢室、自習室等任何校內的地方通過校園網和計算機訪問虛擬仿真實驗平臺中的實驗資源。對于校內資源共享，學生可以更合理地分配學習時間，在不限定的地點和規定時間內完成虛擬實驗學習任務即可。同時，虛擬仿真實驗平臺的教學資源還可以對開放性實驗及大學生創新創業項目等創新性實驗開放共享。

3 虛擬仿真結構實驗在教學中的作用

目前，虛擬仿真實驗平臺已結合“土木工程結構試驗”“混凝土結構基本原理”的課內實驗完成了嘗試性的實驗教學，試用對象為土木建工系2019級學生，分4次課開展了8個學時的“實體+虛擬”實驗教學。學生對實驗平臺內的實驗項目進行了學習體驗并撰寫完成相應的實驗報告。結合實驗成績和實際教學效果分析，虛擬仿真實驗平臺在納入實驗教學實際應用后，主要體現出以下3個方面反饋效果：

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

（2）學習興趣提高。對比傳統的實驗教學模式，學生對這種較為新穎的結合虛擬仿真的教學方式表現出強烈的學習興趣，學習熱情明顯提高，并且大部分學生表示在課余時間會登錄虛擬仿真平臺繼續學習相關實驗知識和實踐操作。

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

4 結語

虛擬仿真實驗教學在高校實驗室中的應用范圍不斷擴大是高校應用型人才培養與現代信息技術在發展和探索過程中的必然結果，已成為實驗教學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中的實踐表明，將虛擬仿真實驗應用于土木工程結構實驗教學中，能夠在一定程度上緩解傳統實驗教學與當代工程化人才培養之間存在的問題。盡管目前虛擬仿真實驗教學模式在實際實施過程中仍存在一些問題或不足，但其作為一種結合了信息技術的教學模式，豐富了實驗教學內容的廣度和深度，強化了對學生工程素質的培養，對持續推進實驗教學信息化建設，促進實驗教學的改革和創新具有重要的意義。