土力學(xué)虛擬三軸實驗教學(xué)平臺的開發(fā)及應(yīng)用

曹 培，張陳蓉，錢建固

（同濟(jì)大學(xué) 土木學(xué)院 地下建筑與工程系，上海 200092）

土力學(xué)是大土木工程專業(yè)課程教學(xué)體系中非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而土力學(xué)實驗則是土力學(xué)教學(xué)中不可或缺的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。作為連接土力學(xué)基本理論與工程應(yīng)用的“橋梁”，土力學(xué)實驗不僅促進(jìn)了土力學(xué)基本理論的發(fā)展，而且推動了理論在工程實際中的應(yīng)用[1]。土力學(xué)實驗教學(xué)的開展，既可以加強學(xué)生對土力學(xué)基本原理的深入理解和掌握，又能豐富學(xué)生對土體物理和力學(xué)特性的感性認(rèn)識，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和綜合素質(zhì)，是工程教育中必不可少的組成部分[2-4]。三軸剪切實驗是土力學(xué)實驗中一項重要的力學(xué)實驗，是測定土體抗剪強度的常用方法，是研究土的靜、動力學(xué)特性和砂土液化的主要實驗方法，也是研究土體本構(gòu)關(guān)系的主要手段。三軸剪切實驗融合了土力學(xué)中的有效應(yīng)力原理、固結(jié)理論和強度理論等重要概念，因此熟練掌握三軸實驗不僅是學(xué)好土力學(xué)的關(guān)鍵，而且可以為學(xué)生今后從事土木、交通工程設(shè)計和施工工作打下良好的基礎(chǔ)。

然而，在實際的實驗教學(xué)中，現(xiàn)有的實驗條件很難滿足三軸實驗的教學(xué)要求。首先，學(xué)生數(shù)量多而實驗儀器少是目前三軸實驗教學(xué)中的主要矛盾之一，無法實現(xiàn)學(xué)生進(jìn)行獨立操作的教學(xué)目標(biāo)，實驗教師也無法對學(xué)生的掌握程度進(jìn)行準(zhǔn)確評估[5]。其次，由于三軸實驗操作復(fù)雜，實驗所需時間較長，尤其是黏性土的三軸排水剪切實驗，實驗周期長達(dá)數(shù)天，而學(xué)生的實驗課時卻很有限，因此在實際教學(xué)中往往采取演示實驗的教學(xué)方式，這樣不容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生理解掌握實驗原理及實際的教學(xué)效果都會產(chǎn)生不利的影響[6]。

近年來，虛擬仿真技術(shù)因其投入小、操作靈活、適用范圍大等優(yōu)點，逐漸成為實驗教學(xué)的輔助手段[7]。作為彌補并促進(jìn)實體實驗教學(xué)的重要手段，虛擬仿真技術(shù)綜合運用了前沿的數(shù)字仿真和信息化科學(xué)技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，克服了實體實驗在場地、儀器、課時等方面的不足和局限，使學(xué)生能夠更靈活地安排實驗、更好地完成實驗，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的，并最終提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。傳統(tǒng)實驗室以實體和精煉為特色，而虛擬實驗室則以在線和廣泛為特色，兩者互為補充，相得益彰。

基于此，本文基于我校自主研發(fā)的 iS3智慧平臺（infrastructure smart service system，簡稱iS3）[8]，開發(fā)了土力學(xué)三軸剪切實驗虛擬仿真教學(xué)平臺，并將其應(yīng)用到大土木工程專業(yè)本科生的土力學(xué)實驗教學(xué)和實驗培訓(xùn)等方面。利用該虛擬仿真實驗平臺探索了虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，使學(xué)生能夠較快地熟悉和掌握實驗設(shè)備及操作流程，學(xué)生也可以根據(jù)需求進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，隨時隨地開展虛擬三軸實驗操作，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。同時，實驗教師可以通過系統(tǒng)后臺的操作數(shù)據(jù)和反饋信息，及時了解學(xué)生對實驗的掌握程度，對教學(xué)效果進(jìn)行實時評估。

此外，2020年春季，一場突如其來的疫情使得線下實體教學(xué)變得暫不可行，在教育部“停課不停學(xué)”的號召下，各學(xué)校都在大力開展線上教學(xué)。如何開發(fā)和利用虛擬仿真實驗資源開展線上實驗教學(xué)并且保證實驗教學(xué)效果，成為各學(xué)校實驗教學(xué)關(guān)注的重點。本文對我校土力學(xué)三軸剪切實驗虛擬仿真教學(xué)平臺的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了介紹，以期為各高校虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)和建設(shè)提供借鑒與幫助。

1 虛擬三軸平臺的設(shè)計

本著“虛實結(jié)合，以虛補實”的設(shè)計思路，遵循“教—學(xué)—用—創(chuàng)新”的教學(xué)規(guī)律和認(rèn)知流程，將理論知識、實驗技能、實踐應(yīng)用和創(chuàng)新思維融入貫穿到整個設(shè)計流程[4]，建立多模塊、多層次和多模式的高質(zhì)量虛擬實驗系統(tǒng)，以達(dá)到解決土力學(xué)實驗教學(xué)中的實際問題、提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的目的?？傮w上，土力學(xué)三軸剪切實驗虛擬仿真平臺的設(shè)計原則主要包括以下3個方面：

（1）真實可靠。真實性是虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計重點，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是虛擬實驗系統(tǒng)的實驗過程要遵循土力學(xué)的基本原理，其模擬結(jié)果要符合土的力學(xué)規(guī)律，具有可重復(fù)性；二是虛擬系統(tǒng)中的實驗環(huán)境要趨于真實，通過逼真地模擬還原實驗設(shè)備、輔助工具、實驗材料和實驗場地等，從視覺、聽覺、觸覺等不同方面帶給學(xué)生真實的實驗體驗[9]。

（2）實用性強。虛擬實驗系統(tǒng)要扮演好實驗教學(xué)好幫手的角色，能夠切切實實應(yīng)用到實驗教學(xué)過程中去，界面要人性化，操作要簡單方便，既要滿足土力學(xué)實驗教學(xué)的目標(biāo)，還要兼顧科研實驗培訓(xùn)的需求。同時，要充分利用互聯(lián)網(wǎng)實時開放的特點，將虛擬實驗平臺打造成開放共享的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)教學(xué)資源的開放共享和高效利用，便于該虛擬平臺在同行業(yè)推廣。

（3）交互性強。充分利用iS3平臺的自主研發(fā)優(yōu)勢，根據(jù)三軸剪切實驗的特點和教學(xué)要求，最大限度地保障虛擬實驗系統(tǒng)內(nèi)容的豐富性和趣味性，構(gòu)建“沉浸式”和“交互式”的實驗情境，而不是只提供簡單的動畫視頻播放。在實驗過程中學(xué)生能夠結(jié)合工程斷面選取實驗土樣、拆分和組裝儀器設(shè)備、設(shè)置實驗加載參數(shù)、選取剪切方式、處理實驗數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)對學(xué)生的實驗過程可以自動進(jìn)行實時評判，以便給學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)反饋和充足的練習(xí)機(jī)會，從而提高學(xué)習(xí)效率和互動體驗。

2 虛擬三軸平臺的建設(shè)

2.1 實驗系統(tǒng)的組成

本虛擬實驗系統(tǒng)主要由權(quán)限模塊、原理模塊、操作模塊、數(shù)據(jù)模塊和考核模塊共5個功能模塊組成，在使用中有教學(xué)模式、學(xué)習(xí)模式和考核模式3種用戶模式可供選擇，每種模式由土樣獲取、試樣制備安裝、儀器操作和數(shù)據(jù)處理4大流程組成。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土力學(xué)虛擬三軸實驗教學(xué)平臺的組織框架

本虛擬平臺提供教師和學(xué)生2種用戶登錄身份，根據(jù)用戶身份提供相應(yīng)的操作權(quán)限。

原理模塊由原理介紹和設(shè)備介紹2個功能模塊組成，通過PDF、視頻和三維動畫演示等方式對三軸實驗的基本原理和儀器設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹和展示，以加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握；根據(jù)應(yīng)力路徑三軸儀和其附屬設(shè)備進(jìn)行三維數(shù)字建模，完整展現(xiàn)儀器設(shè)備的信息，逼真還原實驗教學(xué)中所用的儀器設(shè)備。學(xué)生不僅可以清晰直觀地觀察了解儀器設(shè)備的組成和各部件的功能，而且可以自主手動拆解、組合、安裝儀器，以便熟練掌握儀器的構(gòu)造和使用方法。同時，通過國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備在功能和構(gòu)件上的對比，激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識。設(shè)備介紹模塊如圖2所示。

圖2 虛擬三軸實驗教學(xué)平臺的設(shè)備介紹模塊

操作模塊提供三維實驗場景，學(xué)生通過控制鼠標(biāo)完成實驗操作，同時具有輔助提示系統(tǒng)，提醒學(xué)生關(guān)注關(guān)鍵實驗信息，提高學(xué)習(xí)效率。

數(shù)據(jù)模塊提供實驗數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)處理、實驗表格填寫和結(jié)果上傳等功能。平臺數(shù)據(jù)庫中收集了大量上海本地不同土層土樣三軸剪切實驗結(jié)果作為虛擬實驗數(shù)據(jù)的樣本，而且數(shù)據(jù)庫不斷更新，以建立土力學(xué)實驗教學(xué)與工程實踐的緊密聯(lián)系。

考核模塊具有實時評價功能，用以考核評價學(xué)生對于實驗知識的掌握程度。通過動態(tài)監(jiān)控和實時評判機(jī)制，系統(tǒng)自動記錄學(xué)生的實驗操作行為，并對操作結(jié)果進(jìn)行評判，給出操作成績。教師通過后臺記錄分析，可以掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和對知識點的掌握情況，并據(jù)此及時調(diào)整實驗教學(xué)的重點。

2.2 實驗系統(tǒng)的使用流程

（1）土樣獲取。土的三軸剪切特性與土的物理性質(zhì)、取土深度、應(yīng)力歷史和剪切方法等有密切關(guān)系，土樣的初始條件對實驗結(jié)果有重要影響。為了幫助學(xué)生建立對試樣的剪切特性及其初始條件之間關(guān)系的直觀認(rèn)識，平臺基于上海地鐵12號線某站點真實鉆孔資料生成地層模型，提供5個不同位置的鉆孔、6種不同土層的土樣以供選取，如圖 3(a)所示。通過預(yù)設(shè)工程背景，引導(dǎo)學(xué)生將有效應(yīng)力原理、應(yīng)力歷史對土體特性的影響等土力學(xué)理論與工程項目應(yīng)用進(jìn)行對接。

（2）試樣制備安裝。獲取土樣后，平臺將切換到實驗室場景。學(xué)生通過點擊鼠標(biāo)進(jìn)行土樣制備，包括土樣切削、測量直徑和高度、貼濾紙條、裝透水石、套乳膠膜、裝試樣帽、裝壓力室罩、活塞桿對中和向壓力室中注水等環(huán)節(jié)，如圖3(b)所示。在教學(xué)模式中，將實驗操作進(jìn)行細(xì)致拆分，提供演示并嵌入理論知識點供學(xué)生思考和自主進(jìn)行學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)模式中，針對學(xué)生的不合理操作給予自動反饋，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和解決問題，有的放矢地進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

（3）儀器操作。土樣安裝好后，打開操作軟件，輸入前期獲得的土樣參數(shù)和根據(jù)土層參數(shù)確定的周圍壓力，如圖3(c)所示。選取實驗方法并設(shè)置實驗步驟，通過三軸UU、CU和CD實驗加載條件的控制來模擬飽和地基施工的時效性。以CU實驗為例，實驗分為固結(jié)和剪切兩個階段：在固結(jié)階段，操作界面上會顯示軸向位移、排水量或孔隙水壓力隨時間的變化關(guān)系曲線；在剪切階段，界面上會顯示偏應(yīng)力或孔隙水壓力隨軸向應(yīng)變的變化關(guān)系曲線，直至試樣剪切破壞。改變試樣的周圍壓力，重復(fù)進(jìn)行3~4次不同圍壓的實驗，可以得到一組完整的三軸實驗數(shù)據(jù)。

圖3 虛擬三軸實驗操作流程

（4）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)后臺數(shù)據(jù)庫中的樣本，結(jié)合土層參數(shù)和實驗參數(shù)，通過隨機(jī)算法生成實驗數(shù)據(jù)，以避免學(xué)生得到的實驗結(jié)果千篇一律。學(xué)生可以直接在平臺上查看、處理數(shù)據(jù)，提交實驗結(jié)果，也可以自行下載數(shù)據(jù)，處理后再將結(jié)果上傳，以供任課教師查看評判。平臺顯示的實驗數(shù)據(jù)形式如表1所示。

表1 虛擬三軸實驗數(shù)據(jù)列表

3 虛擬三軸平臺的應(yīng)用

目前，本虛擬三軸實驗教學(xué)平臺已實現(xiàn)開放共享，并已成功運用到我校土木工程學(xué)院、交通學(xué)院各專業(yè)本科生的實驗教學(xué)中。通過傳統(tǒng)實體實驗和線上虛擬實驗相互結(jié)合、各取所長，逐漸建立了線上與線下相互配合、相互補充，且兼具特色與規(guī)模的實驗教學(xué)新模式，切實提高了實驗教學(xué)的綜合實力和水平。學(xué)生首先在虛擬三軸實驗教學(xué)平臺上學(xué)習(xí)相關(guān)實驗知識，通過環(huán)環(huán)相扣的學(xué)習(xí)和操作模塊訓(xùn)練，對實驗的基本理論、儀器設(shè)備和實驗流程有了清晰的認(rèn)知和整體把握。這樣在進(jìn)入實體實驗教學(xué)環(huán)節(jié)后，學(xué)生能夠更快、更準(zhǔn)確、更有效地融入到實體操作中，避免了學(xué)生一知半解、“走過場式”地做實驗的現(xiàn)象。課后，學(xué)生還可以利用開放的平臺隨時進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固，經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生會對實驗有更深層次的體會，對知識的理解和掌握也會進(jìn)一步加深。

在 2020年春季學(xué)期，本虛擬三軸實驗教學(xué)平臺為我校廣大師生提供了在線實驗教學(xué)資源和在線實訓(xùn)演練渠道，全方位立體化地幫助實驗教學(xué)的有效開展，很大程度上解決了學(xué)生暫不能開展實體實驗訓(xùn)練的困難。

除了應(yīng)用于本科實驗教學(xué)外，本虛擬平臺還兼顧科研需要，可應(yīng)用于科研實驗培訓(xùn)。我校巖土及地下工程教育部重點實驗室有多臺進(jìn)口多功能三軸儀，為廣大師生的科研工作提供服務(wù)。由于部分學(xué)生對三軸實驗和儀器設(shè)備并不十分了解，造成了儀器設(shè)備損耗嚴(yán)重、占用時間長和實驗數(shù)據(jù)不合理等問題，因此該重點實驗室利用本虛擬三軸實驗教學(xué)平臺，對申請使用重點實驗室三軸設(shè)備的學(xué)生進(jìn)行準(zhǔn)入培訓(xùn)和考核，規(guī)范學(xué)生的使用和操作，有效地減少了儀器設(shè)備的損耗，提高了實驗的準(zhǔn)確性和儀器設(shè)備的周轉(zhuǎn)效率。

4 結(jié)語

利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了土力學(xué)虛擬三軸實驗教學(xué)平臺，積極探索和改進(jìn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式與方法，不僅豐富了大土木工程專業(yè)的實驗教學(xué)資源，而且解決了當(dāng)前實驗教學(xué)中存在的問題，節(jié)約了實驗教學(xué)成本，有效地提高了實驗教學(xué)效果。

平臺的應(yīng)用和開放共享，拓展了土力學(xué)實驗教學(xué)的時間和空間，完善了多元化的教學(xué)體系，彌補了實體實驗教學(xué)的不足，為培養(yǎng)具有扎實專業(yè)基礎(chǔ)知識、較強實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型工程人才提供了有力保障。

在后續(xù)工作中，將在iS3平臺引進(jìn)現(xiàn)代土力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)，建立大型虛擬仿真共享數(shù)據(jù)庫；結(jié)合虛擬穿戴設(shè)備，為學(xué)生提供身臨其境的虛擬現(xiàn)實模擬場景，以進(jìn)一步提升虛擬實驗感受和效果。