工程結構設計原理虛—實結合實驗教學初探

杜二峰 邰扣霞 徐明

摘要：工程結構設計原理實驗是東南大學土木工程專業(yè)的重要基礎實驗課。本文基于東南大學國家級土木工程虛擬仿真實驗教學中心和國家級實體實驗教學中心，對工程結構設計原理虛實結合實驗教學方法進行初步探索，闡述了實體實驗教學的主要內(nèi)容、虛擬實驗教學系統(tǒng)的設計思路和基本功能。教學實踐表明，虛實結合實驗教學方法拓展了實體實驗的內(nèi)容，增強了虛擬實驗的感知性，激發(fā)了學生開展實驗的積極性和主動性，提高了實驗教學質(zhì)量。

關鍵詞：工程結構設計原理；實驗教學；實體實驗；虛擬實驗；虛實結合

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0271-03

東南大學工程結構設計原理課程集混凝土結構、鋼結構、砌體結構和組合結構等于一體，是土木工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，同時也是一門理論性、經(jīng)驗性和實踐性都很強的課程[1]。該課程的教學效果對學生專業(yè)素養(yǎng)的塑造有著深遠的影響。實驗研究對工程結構設計原理的基本概念，以及原理的誕生和發(fā)展起著十分重要的作用，因此，工程結構設計原理實驗教學是工程結構設計原理理論教學的一個重要關聯(lián)和支撐環(huán)節(jié)。實驗教學對激發(fā)學生的創(chuàng)新意識、拓展學生的創(chuàng)新思維、增長學生的創(chuàng)新技能、涵養(yǎng)學生的創(chuàng)新品格等方面的作用，是其他任何教學形式所不能替代的[2]。通過工程結構設計原理實驗教學，不僅能夠加強學生對工程結構設計基本原理的理解，使他們對建筑結構的受力過程、變形特性及破壞形態(tài)有更加直觀的認識，而且能夠提高學生的實踐動手能力，培養(yǎng)學生對土木工程專業(yè)的學習興趣及研究熱情[3-4]。

隨著招生規(guī)模的擴大和科研實驗的快速發(fā)展，目前實體實驗教學中存在以下幾個問題：（1）實驗室的場地和設備較難滿足日益增多的實驗項目開展，本科生教學實驗與研究生科研試驗的矛盾日益突出，已開展的部分實驗項目具有一定局限性；（2）由于消耗大、成本高、操作的復雜性以及安全性，使得本該由學生操作的實驗只能作為演示性實驗開展，且無法開展大批量的參數(shù)化實驗。這造成學生工程意識薄弱、實踐能力差，對實際工程的掌握和處理能力受到極大制約[5]。近年來，隨著土木工程專業(yè)科研的發(fā)展以及計算機技術的不斷進步，基于數(shù)值模擬技術的建筑結構虛擬仿真手段在土木工程專業(yè)的工程實踐和科學研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。這為解決實體實驗教學中的不足提供了可行的技術路線，即開展虛擬仿真實驗教學。

由于虛擬仿真實驗教學具有投入少、消耗低和共享性強等特點，因此眾多高校諸如同濟大學、中南大學、北京工業(yè)大學[6]和西安建筑科技大學[7]等均開發(fā)了相應的教學項目。2013年，教育部依據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，開始啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[8]，東南大學土木工程實驗中心進行了工程結構設計原理、工程結構抗震與防災和土木工程施工與管理等虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)與建設，獲批建設了國家級土木工程虛擬仿真實驗教學中心和江蘇省土木建筑虛擬仿真實驗教學共享平臺。筆者依托虛擬仿真實驗教學平臺和國家實體實驗教學中心，將虛擬仿真實驗教學與實體實驗教學相融合，對工程結構設計原理虛實結合實驗教學進行探索。本文對東南大學工程結構設計原理實體實驗教學的主要內(nèi)容、虛擬實驗教學系統(tǒng)的設計思路、基本功能和應用情況，以及對虛實結合實驗教學初步探索過程進行梳理和總結，并對進一步的虛實結合實驗教學研發(fā)進行展望。

一、工程結構設計原理實體實驗教學

東南大學工程結構設計原理實驗獨立于工程結構設計原理課程，與土力學實驗、水力學實驗等組成土木工程基礎實驗課程。工程結構設計原理實驗課包括4個教學演示實驗和6個學生實際操作實驗。演示實驗分別為鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土斜截面斜壓和斜拉破壞實驗；實際操作實驗分別為鋼筋混凝土適筋梁正截面抗彎實驗、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪實驗、鋼筋混凝土柱大偏心受壓實驗、鋼筋混凝土柱小偏心受壓實驗、鋼柱軸心受壓實驗和磚砌體受壓實驗。由于受場地、設備和師資的限制，目前尚未開展鋼梁穩(wěn)定實驗、組合結構實驗和木結構實驗等。

工程結構設計原理實驗面向土木工程專業(yè)和工程管理專業(yè)開課。每年授課班級共八個班，每班30人左右。上課時，先由老師集中講解儀器的使用方法和實驗操作過程，然后學生在老師指導下分組按實驗指導書做實驗，如圖1所示。實驗中，每組同學分工操作，相互配合。例如，在適筋梁受彎承載力實驗中，一位同學用液壓千斤頂進行分級加載，兩位同學用手持式應變儀測量混凝土變形，一位同學用靜態(tài)應變采集儀測量鋼筋應力應變，兩位同學用裂縫讀數(shù)儀測量裂縫寬度，兩位同學讀取跨中和兩端支座百分表的數(shù)據(jù)，兩位同學記錄數(shù)據(jù)。實驗結束后對實驗數(shù)據(jù)進行處理，并完成實驗報告。

通過實體實驗讓學生學習各種儀器儀表的測量方法，鍛煉學生的實際動手能力，使他們真實地感受構件的受力過程，加深對課堂理論知識的理解，教學教育作用十分顯著。

二、工程結構設計原理虛擬仿真實驗教學

工程結構設計原理虛擬仿真實驗教學平臺是基于有限元分析軟件ANSYS、ABQUAS、VC++面向對象程序和LabVIEW軟件等開發(fā)而成，將數(shù)據(jù)、文字、圖片、聲音、影像和動畫等媒體表現(xiàn)方式融合在一體。仿真實驗教學平臺包括鋼筋混凝土梁正截面抗彎實驗、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪實驗、鋼筋混凝土柱偏心受壓實驗、鋼筋混凝土柱軸心受壓實驗、鋼結構柱壓桿穩(wěn)定實驗和砌體結構靜載實驗6個教學實驗模塊。每個模塊中包含數(shù)量不等的變參數(shù)實驗。工程結構設計原理虛擬仿真實驗教學平臺的總體架構如圖2所示。

每個虛擬仿真實驗項目設置了預習、自測、實驗、提交和互動五個環(huán)節(jié)。學生需先對本實驗項目涉及的理論知識和實驗方案進行預習，然后進行自測，自測通過后方可開始實驗，實驗完成后提交實驗報告，并可結合實驗過程在互動平臺中和教師及同學進行交流。在虛擬仿真實驗中，學生可以進行虛擬試件制作、安裝、加載、數(shù)據(jù)采集和處理，如圖3中鋼筋混凝土適筋梁正截面抗彎實驗所示。限于篇幅，本文不再給出其他實驗模塊界面。實驗結束后，學生可在系統(tǒng)內(nèi)完成課后習題，提交實驗報告。

借助于虛擬仿真實驗，極大地拓寬了實體實驗的對象，能夠覆蓋更多的知識點。同時，通過虛擬仿真實驗，每個學生可以獨立開展實驗的各個環(huán)節(jié)，掌控實驗的全過程。在實驗的過程中，虛擬仿真平臺能夠實時處理數(shù)據(jù)，繪制相應的曲線，學生可以同步掌握實驗構件的表觀現(xiàn)象與內(nèi)在受力行為之間的關系，加深對實驗構件受力機理及相關理論知識的理解。此外，學生除了按照教學要求完成相應的實驗外，還可以根據(jù)自己的理解進一步推演實驗工況，開拓思維，提高認知水平，培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力。

在實驗教學過程中，實體實驗和虛擬實驗兩種教學方式相互配合、互為補充、交叉進行、相互印證。通過虛實結合，擺脫了實驗的時間與空間限制，拉長了實驗教學資源的“短板”。目前，東南大學工程結構設計原理實驗教學團隊正在對虛實結合實驗教學開展進一步的探索和創(chuàng)新，主要舉措包括實體實驗設備和場地的固化與提升，鋼結構和組合結構實體與虛擬實驗項目的開發(fā)，虛擬仿真實驗真實度的進一步提升，裝配式建筑虛實結合實訓教學項目的研發(fā)，以及虛實實驗教學深度融合等。通過不斷改進和提高，最終達到理論教學、實體實驗和仿真實驗的有機統(tǒng)一，為土木工程領軍人才的培養(yǎng)提供教學支撐。

三、結語

工程結構設計原理實驗是土木工程專業(yè)的基礎實驗，實驗教學質(zhì)量對學生理論知識學習、實踐動手能力鍛煉、科研創(chuàng)新精神培養(yǎng)等有著重要影響。東南大學工程結構設計原理虛實結合實驗教學方法的探索和實踐，豐富了實體實驗的內(nèi)容，增強了虛擬實驗的感知性，為學生實驗預習、實操、鞏固、提高和創(chuàng)新提供了廣闊的空間和有效的手段。教學實踐表明，虛實結合實驗教學方式激發(fā)了學生對實驗的興趣和熱情，學生實驗積極性和主動性明顯提高，創(chuàng)造意識得到提升。綜合效果顯示虛實結合是提高實驗教學質(zhì)量的有效手段，可供其他專業(yè)的實驗教學借鑒和參考。

參考文獻：

[1]徐明，李紅兵，肖士者，等.基于虛擬儀器的工程結構設計原理實驗教學演示系統(tǒng)設計[J].高等建筑教育，2015，24（6）：141-145.

[2]鄭家茂，熊宏齊.開放創(chuàng)新——實驗教學新模式[M].高等教育出版社，2009.

[3]徐明，宗周紅，肖士者，等.土木工程本科實驗教學創(chuàng)新平臺建設[J].高等建筑教育，2013，（2）：114-116.

[4]徐明，宗周紅.中美土木工程本科創(chuàng)新實驗教學體系對比分析[J].實驗室研究與探索，2011，（11）：73-76.

[5]陸金鈺，范圣剛.鋼結構穩(wěn)定原理虛擬仿真平臺開發(fā)探索[J].教育教學論壇，2015，（47）：127-128.

[6]李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014，（9）：82-85.

[7]李彬彬，蘇明周.土木工程虛擬仿真實驗教學體系探索與構建[J].西安建筑科技大學學報（社會科學版），2015，34（2）：96-99.

[8]教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知（教高司函（2013）94號）[Z].