基于仿真技術(shù)的橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究

趙寧雨　蔣海飛

摘要：針對(duì)橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的限制，使教學(xué)時(shí)數(shù)和橋型實(shí)驗(yàn)種類(lèi)受到制約；實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新升級(jí)代價(jià)高，實(shí)驗(yàn)方法更新慢；設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，提出了一種基于仿真技術(shù)的橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。建立了其體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)得到了應(yīng)用實(shí)施，證明了其較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；橋梁結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）29-0267-02

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)架起了理論和實(shí)踐的橋梁，并對(duì)培養(yǎng)學(xué)生正確的分析方法和解決問(wèn)題的能力有著不可替代的作用[1，2]。傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問(wèn)題和不足：（1）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的限制，使教學(xué)時(shí)數(shù)和橋型實(shí)驗(yàn)種類(lèi)受到制約，分組中的學(xué)生人數(shù)多，組員不能都得到操作機(jī)會(huì)；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新升級(jí)代價(jià)高，實(shí)驗(yàn)方法更新慢；（3）較難實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。因此發(fā)展構(gòu)建一套新的適應(yīng)于高等教育大發(fā)展形勢(shì)下的橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和系統(tǒng)是很有必要的。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究取得了很多成果，但大都集中在實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)體系改革[3，4]、學(xué)生考評(píng)機(jī)制等方面。針對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的集成和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的還很少，開(kāi)發(fā)利用仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，整合現(xiàn)有的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真、圖形化的和數(shù)據(jù)管理等功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使之能夠開(kāi)發(fā)功能更多，集成性能更好，能滿(mǎn)足多教學(xué)人數(shù)和設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)儀器的課堂使用時(shí)間，具有重要的意義。本文基于橋梁工程理論課程對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的要求，利用計(jì)算機(jī)仿真組件技術(shù)，在研究橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了橋梁課程結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。

二、基于仿真技術(shù)的橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

1.系統(tǒng)的總體架構(gòu)及功能。系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)分為四層，如圖1所示：第一層為實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)橋型和實(shí)驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐層，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第二層為實(shí)驗(yàn)儀器和橋型的組件層，基于組件技術(shù)的思想，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、橋梁結(jié)構(gòu)組件與實(shí)驗(yàn)方法等定義成組件模塊；第三層為功能層，通過(guò)調(diào)用各組件實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)教學(xué)仿真體系；第四層為用戶(hù)操作層，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)橋梁課程實(shí)驗(yàn)仿真為目的。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的每一功能層的功能為：（1）儀器設(shè)備模型庫(kù)：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備組件的管理，具有在模型庫(kù)中新增、刪除實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備組建的功能。（2）橋梁構(gòu)件模型和橋梁種類(lèi)模型庫(kù)：負(fù)責(zé)橋梁構(gòu)件和橋梁種類(lèi)組件庫(kù)的管理，具有在模型庫(kù)中新增、刪除橋梁構(gòu)件模型和橋梁種類(lèi)模型的功能。（3）實(shí)驗(yàn)建模：用戶(hù)可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件庫(kù)和橋梁組件和橋梁種類(lèi)庫(kù)中的儀器設(shè)備模型塊拖動(dòng)到主窗體中，并對(duì)模型的屬性等參數(shù)進(jìn)行定義，通過(guò)拖動(dòng)組件可靈活構(gòu)建不同功能和性質(zhì)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。（4）仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行：通過(guò)定義仿真實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對(duì)象橋梁結(jié)構(gòu)模型及其運(yùn)行參數(shù)后，啟動(dòng)仿真運(yùn)行，在此過(guò)程中調(diào)用各仿真算法組件函數(shù)。（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析：能對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并能以各種統(tǒng)計(jì)圖表的方式進(jìn)行顯示。

（二）系統(tǒng)的運(yùn)行流程

如圖2所示，仿真橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行流程為：實(shí)驗(yàn)者登錄后，可選擇進(jìn)入模型庫(kù)，對(duì)各種組件進(jìn)行管理；也可以直接進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)主窗口，通過(guò)拖動(dòng)儀器設(shè)備組件和實(shí)驗(yàn)橋梁組件模型在主窗口內(nèi)組裝來(lái)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，也可以直接調(diào)用已存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；然后設(shè)置儀器設(shè)備的測(cè)試參數(shù)、實(shí)驗(yàn)橋梁組件模型和橋梁種類(lèi)模型的參數(shù)；啟動(dòng)仿真運(yùn)行后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用組件函數(shù)來(lái)完成仿真實(shí)驗(yàn)，并記錄下各相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)可調(diào)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析組件，通過(guò)圖、表等顯示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)表。

三、橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件模型、實(shí)驗(yàn)橋梁組件模型和橋梁種類(lèi)模型組建庫(kù)實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型實(shí)驗(yàn)。橋梁課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、橋梁結(jié)構(gòu)種類(lèi)、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋容^固定，這使構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的橋梁組件模型和橋梁種類(lèi)模型、實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型變得可行。首先，對(duì)各組件的實(shí)驗(yàn)屬性進(jìn)行功能分析，對(duì)具有相同參數(shù)和特征的儀器設(shè)備和橋梁組件進(jìn)行抽象建模。然后，對(duì)這些模型的屬性和方法進(jìn)行封裝。最后，實(shí)驗(yàn)者只需通過(guò)拖動(dòng)組件模型，修改少許屬性，就能定義出選定實(shí)驗(yàn)課程的儀器和實(shí)驗(yàn)對(duì)象組件庫(kù)，再進(jìn)行特定的組合，就能靈活實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)建模。

2.基于組建技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)。對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是具有不同結(jié)構(gòu)形式的各種橋梁，采用橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件組件建模的方法，可使仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有較高柔性，能適應(yīng)不同橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的要求。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件和橋梁模型構(gòu)件的拖放功能，實(shí)驗(yàn)者可從模型庫(kù)中拖動(dòng)組件來(lái)定義實(shí)驗(yàn)。其實(shí)現(xiàn)方法為：（1）拖動(dòng)組件的實(shí)現(xiàn)方法：在組件中設(shè)置拖放事件方法及其接口。拖放事件方法包括：拖放過(guò)程中儀器設(shè)備的圖像顯示、拖動(dòng)動(dòng)態(tài)效果曾強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)方法為：將拖放屬性設(shè)為自動(dòng)。當(dāng)鼠標(biāo)按住設(shè)備組件并拖動(dòng)時(shí)觸發(fā)拖放事件。設(shè)備組件拖動(dòng)到布局窗體內(nèi)放開(kāi)鼠標(biāo)時(shí)，會(huì)觸發(fā)該事件，在布局窗體內(nèi)預(yù)先寫(xiě)好事件函數(shù)來(lái)響應(yīng)此事件。（2）封裝的實(shí)現(xiàn)：目前，可用于實(shí)現(xiàn)以上組件封裝技術(shù)的工具有很多，本文的實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)采用擁有ActiveX快速開(kāi)發(fā)組件的VB6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。將定義的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和橋梁構(gòu)件組件的事件函數(shù)和屬性分別寫(xiě)好，然后編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的事件處理函數(shù)將這些事件和屬性集成起來(lái)。使用該工具可極大地減少定制組件的工作量。

四、案例

本文研究開(kāi)發(fā)的基于仿真技術(shù)的橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用，取得了良好的效果。通過(guò)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁課程實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)建模；通過(guò)仿真教學(xué)解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的限制，提高了教學(xué)時(shí)數(shù)和橋型實(shí)驗(yàn)種類(lèi)；改善了學(xué)生的動(dòng)手條件；同時(shí)，提供了一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法更新升級(jí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的手段。

五、結(jié)論

本文基于橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研究了基于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)，并利用組件技術(shù)開(kāi)發(fā)了橋梁課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)。

1.建立了基于仿真技術(shù)的橋梁工程實(shí)驗(yàn)課程仿真教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)；

2.通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件組件庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的組合建模；

3.運(yùn)用拖放事件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)儀器模型和不同結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)橋梁模型的動(dòng)態(tài)定義，系統(tǒng)擁有足夠柔性和擴(kuò)展性。

最后，該橋梁實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)得到了教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（11）：5-8.

[2]馬非，朱衛(wèi)東，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用與探索[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27（5）：66-68.

[3]王建祥，蘇枋，李雙喜，于建軍.基于ANSYS的工程結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（04）：67-70.

[4]左玉生.淺析國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)——以東南大學(xué)為例[J].中國(guó)高?？萍?，2016，（04）：54-55.