虛擬實驗在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中的應(yīng)用

魯正 龔依捷 周穎

摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震課程是土木工程專業(yè)學(xué)生本科階段的一門專業(yè)課程。該課程理論內(nèi)容多，較為枯燥，教學(xué)中存在真實實驗操作困難、“重理論，輕實踐”等問題。對此，將交互性強、可操作性高的虛擬實驗引入建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)，并與傳統(tǒng)真實實驗進(jìn)行對比分析，闡述虛擬實驗的重要性與必要性。以隔震結(jié)構(gòu)為例，提出可供參考、借鑒的虛擬實驗設(shè)計思路。從問卷調(diào)查獲取的反饋信息來看，虛擬實驗具有良好的教學(xué)效果，應(yīng)合理利用虛擬實驗的優(yōu)勢，將其與土木工程專業(yè)課程教學(xué)融合，注重交互式開發(fā)。應(yīng)注意的是虛擬實驗僅作為真實實驗的補充，不能忽視傳統(tǒng)的真實實驗。

關(guān)鍵詞：本科教育;虛擬實驗;建筑結(jié)構(gòu)抗震;教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0;TU3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）02-0106-07

隨著全球經(jīng)濟和科技的發(fā)展與進(jìn)步，人才競爭日益激烈，國家對高等教育的要求也逐步提高?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》明確指出，應(yīng)“注重學(xué)思結(jié)合，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)” [1]。教學(xué)實驗是教育過程的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生科研能力和綜合素質(zhì)的必經(jīng)途徑。近年來，教學(xué)體制改革不斷深化，對實驗教學(xué)也提出了更高的要求[2]。與此同時，虛擬實驗逐漸走進(jìn)人們的視野，因其高仿真性、開放擴展性、實用性、人機交互性、共享性、重復(fù)使用性和安全性等諸多優(yōu)點，正在實驗教學(xué)領(lǐng)域掀起一股熱潮[3]。將虛擬實驗融入課程教學(xué)中，既能提高教學(xué)效率，也有助于培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型和探究型人才。

本文圍繞建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)，探討虛擬實驗在該課程中的應(yīng)用，并以隔震建筑結(jié)構(gòu)為例，提出基于虛擬建造實驗的土木類專業(yè)課教育改革思路。

一、 建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)現(xiàn)狀

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程是一門土木工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課。授課內(nèi)容包括地震的基礎(chǔ)知識、場地地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防策略、抗震設(shè)計基本原則、地震作用計算方法、混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計以及隔震、減震的基本概念等。在現(xiàn)階段的本科教學(xué)中，該課程具有以下特點。

（一）課程學(xué)習(xí)難度較大

建筑結(jié)構(gòu)抗震課程與結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等力學(xué)類、結(jié)構(gòu)類課程緊密相關(guān)，對學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)有一定要求;與此同時，該課程還涉及各種現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程，學(xué)習(xí)內(nèi)容多而雜[4]。此外，課程衍生的參考資料也較多，課堂上無法涵蓋參考資料的內(nèi)容，都需要學(xué)生課后自行閱讀。公式、概念占據(jù)課程課本的大部分，這使得課程較為枯燥。許多學(xué)生反映“上課聽不懂”、難以理解，有些知識點需要投入大量的時間和精力才能掌握。

（二）真實實驗操作困難

結(jié)構(gòu)的地震，對于學(xué)生來說，最為直觀的認(rèn)識就是構(gòu)件破壞現(xiàn)象。但單一的構(gòu)件并不能體現(xiàn)“結(jié)構(gòu)抗震性能”這一教學(xué)主旨，如果每次實驗都要準(zhǔn)備一個建筑結(jié)構(gòu)模型則代價太大。并且，大多數(shù)高校的設(shè)備體量、資源儲備等都不具備開設(shè)本科抗震教學(xué)真實實驗的規(guī)模和能力。

（三）課程教學(xué)中“重理論，輕實踐”

大部分建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)，教師都偏向于理論知識講解，課后所留的習(xí)題也以概念性的思考題為主，計算與實踐微乎其微[5]。以同濟大學(xué)為例，在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)過程中，并沒有安排教學(xué)實驗，相關(guān)的案例也比較少，學(xué)生對抗震概念缺乏直觀的感性理解。同濟大學(xué)某學(xué)期建筑結(jié)構(gòu)抗震課程安排見表1。

二、 虛擬實驗在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程中的優(yōu)勢

由于上述建筑結(jié)構(gòu)抗震課程特點，虛擬實驗在課程教學(xué)中顯得十分必要。其作用可以歸納如下。

1.豐富教學(xué)方式，促進(jìn)精品課程建設(shè)

土木類專業(yè)是一門實踐性極強的學(xué)科。虛擬實驗的引入，改變了目前土木工程專業(yè)教學(xué)中“重理論輕實踐”的通病。虛擬實驗圍繞土木工程領(lǐng)域的教學(xué)、科研試驗需求展開，成為實驗積累、特色展示的一個良好的交流平臺。

2.增強教學(xué)互動，改善學(xué)生課堂體驗

虛擬設(shè)計更為人性化、情感化。虛擬實驗可以做到交互式實驗，在交互式實驗中，學(xué)生和實驗系統(tǒng)有良好的互動關(guān)系，學(xué)生成為實驗的主動者[6]。這樣，一改以往課堂中教師為主動者的常態(tài)，學(xué)生的課堂感受得到重視，學(xué)習(xí)者的參與度也得到提高。

3.理論聯(lián)系實際，便于學(xué)生掌握知識

現(xiàn)階段的抗震課程主要教學(xué)模式是教師講、學(xué)生聽，理論應(yīng)用實踐的機會較少;許多課堂教學(xué)接近于照本宣科，教學(xué)方式僵化。大多數(shù)學(xué)校設(shè)置的實踐課程都是與理論課程分別開設(shè)的，并未與理論學(xué)習(xí)緊密結(jié)合[7]。而在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程中直接對接虛擬實驗，可以使抽象的理論變得具體，讓學(xué)生直接理解如何將理論應(yīng)用到實踐中，且學(xué)生在課前課后都可以自己模擬演練，有利于鞏固知識。

4.激發(fā)學(xué)生對抗震課程，以及土木工程專業(yè)的興趣

在虛擬實驗中，學(xué)生對專業(yè)的感性認(rèn)知不斷積累，對專業(yè)的認(rèn)識也逐步深入。與實踐的結(jié)合避免了“紙上談兵”的情況，讓學(xué)生自己在實驗過程中體驗問題的發(fā)現(xiàn)、思考和解決的全過程[8]。抓住了學(xué)生的興趣，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

以建筑結(jié)構(gòu)抗震課程為例，將虛擬實驗與傳統(tǒng)的真實實驗對比如表2。從表2可以看到，在仿真性上，虛擬實驗和真實實驗一樣，存在不可避免的可控制在一定范圍內(nèi)的誤差。但在安全性、操作難度、成本、學(xué)生參與度上，虛擬實驗都具有不可替代的優(yōu)越性[9]。

三、 隔震建筑結(jié)構(gòu)虛擬建造演示實驗方案

隔震技術(shù)是采用特殊的措施隔離地震對上部結(jié)構(gòu)的影響，使建筑物在地震作用下只產(chǎn)生很小振動的一種抗震技術(shù)。這種技術(shù)與利用材料強度和構(gòu)件塑性變形來抵抗地震作用的傳統(tǒng)抗震設(shè)計不同，它不會造成結(jié)構(gòu)和設(shè)施的破壞，還能保證結(jié)構(gòu)物的正常作用功能[10]。以往的實例也顯示，傳統(tǒng)抗震建筑在地震中破壞嚴(yán)重，而隔震建筑在地震中僅輕微受損。隔震技術(shù)的推廣與普及應(yīng)放在與傳統(tǒng)抗震手法同等的地位。

對于隔震技術(shù)，從課程教學(xué)到相關(guān)業(yè)主，甚至包括建造、監(jiān)理在內(nèi)的許多從業(yè)人員都不甚了解，這在一定程度上妨礙了隔震技術(shù)的發(fā)展。因此，用虛擬實驗將隔震技術(shù)引入抗震課堂，是非常有前瞻性和必要性的。

以下，本文以隔震建筑結(jié)構(gòu)為例，介紹虛擬實驗的思路，可供借鑒與學(xué)習(xí)。

A.方案一

1.形式

在線虛擬仿真實驗教學(xué)軟件。利用一套交互式實驗平臺軟件，讓學(xué)生自行使用軟件功能進(jìn)行演示實驗。

2.實驗設(shè)計

實驗包含隔震結(jié)構(gòu)基本原理的理論介紹、隔震結(jié)構(gòu)建造施工過程的動畫展示、特殊構(gòu)造設(shè)計的介紹和演示三大主要模塊，其設(shè)計思路如圖1所示。

3.功能實現(xiàn)

所開發(fā)軟件的主界面如圖2所示，根據(jù)需求選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，則可跳轉(zhuǎn)進(jìn)入相應(yīng)的模塊，進(jìn)行虛擬實驗教學(xué)。

在隔震結(jié)構(gòu)的基本原理模塊中，用戶可以自由閱讀其中內(nèi)容。在閱讀時，可以調(diào)整頁面大小，進(jìn)行關(guān)鍵詞搜索。在隔震結(jié)構(gòu)建造施工過程模塊，用戶可以觀看施工過程影片。特殊構(gòu)造設(shè)計模塊則給出若干結(jié)構(gòu)節(jié)點的模型，并配有相應(yīng)的文字信息，用戶可以旋轉(zhuǎn)、平移、縮放觀察各個模型。

4.教師提供資料清單

隔震結(jié)構(gòu)的基本原理內(nèi)容;施工過程影片，包含施工過程介紹、重點展示步驟;構(gòu)件相關(guān)的參數(shù)、文字介紹、圖片資料、操作方法介紹等。

B.方案二

1.形式

演示實驗視頻。將所需實驗教學(xué)的內(nèi)容制作成演示視頻，供學(xué)生學(xué)習(xí)。在腳本設(shè)計時，應(yīng)注重實驗的條理性、完整性，能吸引學(xué)生注意力，并引發(fā)學(xué)生思考。此方案演示視頻的交互性不如方案一，但其更方便操作，思路清晰，便于學(xué)生掌握實驗原理。

2.實驗設(shè)計

演示視頻腳本如下。

平面標(biāo)題：隔震建筑結(jié)構(gòu)虛擬建造演示實驗（10s）→動畫、視頻、圖片演示：有隔震結(jié)構(gòu)與無隔震結(jié)構(gòu)效果對比（10s）→平面標(biāo)題：隔震結(jié)構(gòu)建造施工過程演示（5）s→動畫演示：下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)（8s）→動畫演示：設(shè)置隔震層施工過程（30s）→動畫演示：設(shè)置阻尼器施工過程（20s）→動畫演示：房屋模型放置在隔震結(jié)構(gòu)上，模擬震動效果（10s）→平面標(biāo)題：特殊構(gòu)造設(shè)計（5s）→平面標(biāo)題：結(jié)構(gòu)節(jié)點的處理（5s）→依次通過動畫、圖片等分別展示鉛芯橡膠支座、滑板支座（20s）→圖片、動畫演示：隔震溝作法（15s）→圖片、動畫演示：樓梯及電梯井作法（15s）→圖片、動畫演示：水平管柔性連接（15s）→結(jié)束。

3.教師提供資料清單

相關(guān)施工過程介紹，重點展示步驟。

四、 實踐與反饋

筆者在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中開展虛擬實驗教學(xué)改革，為了解實際教學(xué)效果，在學(xué)期末以調(diào)查問卷的形式在班級進(jìn)行調(diào)查。此次調(diào)查共發(fā)放問卷52份，回收50份，回收率為96.2%。據(jù)反饋信息來看，學(xué)生對虛擬實驗的教學(xué)效果是肯定的。部分調(diào)查問題統(tǒng)計如表2。

五、 結(jié)語

課程教學(xué)，既是教，也是學(xué)。在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)中引入虛擬演示實驗，將以往的理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦拥膶嶒灲虒W(xué)，有助于克服“重理論，輕實踐”的教學(xué)弊端。本文以建筑結(jié)構(gòu)抗震課程為出發(fā)點，提出建設(shè)虛擬實驗的思路，旨在重視學(xué)生課堂體驗，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實踐能力，強化學(xué)生的感性認(rèn)知，使土木工程類專業(yè)的教學(xué)更符合社會大環(huán)境的要求，也有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。需要注意的是，在虛擬實驗的應(yīng)用上，切忌生搬硬套和盲目安排虛擬實驗。各學(xué)科有其自身的特點，不是所有學(xué)科都適合虛擬實驗，也不是任何課程、實驗都適合采用虛擬實驗。建筑結(jié)構(gòu)抗震課程因其理論性強、真實實驗實現(xiàn)困難等原因而給了虛擬實驗“大顯神通”的機會，但在面對不同的情況時，仍應(yīng)具體問題具體分析。對土木工程類專業(yè)的虛擬實驗提出以下建議。

一是在教學(xué)中更多地尋找可以進(jìn)行虛擬實驗的機會。如前文所述，實踐性極強是土木工程類專業(yè)的鮮明特征。由于場地、技術(shù)等限制，土木工程類專業(yè)教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)略顯薄弱。虛擬實驗給了教學(xué)實驗一條新的路徑，建議每學(xué)期在課程中融入適量的虛擬實驗教學(xué)。

二是選擇合適的教學(xué)環(huán)節(jié)引入虛擬實驗。合理的教學(xué)實驗安排可以使課程教學(xué)事半功倍。不同的課程、章節(jié)各有各的特點，部分章節(jié)可能并不適合采用虛擬實驗教學(xué)。對各個教學(xué)章節(jié)應(yīng)仔細(xì)分析，選擇合適的知識點采用虛擬實驗教學(xué)。而且應(yīng)合理地設(shè)計虛擬實驗，讓其更好地發(fā)揮作用。

三是注重交互式平臺的開發(fā)。交互式平臺相比其他虛擬實驗方式，效率更高，效果也更好，具有明顯的優(yōu)越性。在虛擬實驗設(shè)計上，應(yīng)更多地添加與學(xué)習(xí)者的互動要素，要能從學(xué)習(xí)者那里獲得反饋，讓學(xué)習(xí)者從“被動學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)”，提高學(xué)習(xí)者的積極性。在軟件開發(fā)時，應(yīng)完善其功能，盡可能地做到人性化，便于學(xué)習(xí)者從中掌握原理。

四是不應(yīng)忽視傳統(tǒng)的真實實驗。虛擬實驗并不能完全替代真實實驗。前文的對比顯示，真實實驗的仿真性更強，其帶給學(xué)生的感性體驗也更好。在有條件的情況下，實驗教學(xué)應(yīng)是虛擬與真實二者的結(jié)合，虛擬實驗宜作為真實實驗的補充。

總之，將虛擬實驗教學(xué)合理引入土木工程類專業(yè)教學(xué)，助力新時期新工科的人才培養(yǎng)，仍然是一個重要而值得深入探討的議題，還有很長的路要走。

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