實(shí)體演示和虛擬仿真結(jié)合的三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

趙明志 劉鋼 舒志樂

[摘 要] 在“新工科”建設(shè)背景下，實(shí)踐教育和實(shí)驗(yàn)教學(xué)日益受到重視。為提升“土力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中三軸實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，提出了實(shí)體演示和虛擬仿真相結(jié)合的三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。其中，線下實(shí)體演示教學(xué)側(cè)重于學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)和功能、實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)以及土體狀態(tài)變化的理解，線上虛擬仿真教學(xué)則強(qiáng)調(diào)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作步驟和相應(yīng)基本理論知識的掌握。通過將實(shí)體演示和虛擬仿真教學(xué)手段相結(jié)合，互相補(bǔ)充，相得益彰，能夠有效深化學(xué)生對相關(guān)知識的理解、掌握和運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞] 土力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);三軸實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;實(shí)體演示

[基金項(xiàng)目] 2020年度西華大學(xué)一流課程建設(shè)項(xiàng)目“土力學(xué)線下一流課程建設(shè)”（RC2000000893）

[作者簡介] 趙明志（1988—），男，河北南宮人，博士，西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院講師，主要從事土力學(xué)相關(guān)研究。

[中圖分類號] TU411? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）22-0053-04? ?[收稿日期] 2021-01-26

一、引言

在“新工科”建設(shè)背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科階段高等教育的重要組成部分，也是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵[1]?！巴亮W(xué)”作為土木工程、水利水電工程等專業(yè)的核心課程，對學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力具有較高的要求。同時(shí)，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)也是連接土力學(xué)基礎(chǔ)理論知識和工程實(shí)踐的橋梁。因此，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在工程人才培養(yǎng)中起到舉足輕重的作用。

三軸實(shí)驗(yàn)是土力學(xué)本科教學(xué)中三個(gè)基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，它能夠嚴(yán)格控制試樣的排水條件，并明確地反映試樣的應(yīng)力狀態(tài)，因此，三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比直剪、固結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更為重要的工程參考價(jià)值，也更受到土力學(xué)教學(xué)工作者的重視。然而，開展三軸實(shí)驗(yàn)所需的三軸儀比直剪儀、固結(jié)儀構(gòu)造更復(fù)雜，單臺設(shè)備占用空間更大，造價(jià)也更高。由于受實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間、課時(shí)數(shù)量和儀器設(shè)備等客觀條件的限制，難以針對每位學(xué)生提供足夠的時(shí)間，讓其獨(dú)立完成三軸實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場實(shí)際操作。這導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識和理解往往不夠深入，不僅影響了學(xué)生對土力學(xué)基礎(chǔ)理論的理解，也阻礙了學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

虛擬仿真教學(xué)因資金投入小、實(shí)施簡便、具體形象等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了越來越重要的作用[2，3]。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)字仿真和信息技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)試樣制備、飽和、固結(jié)、加載全過程三軸實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真模擬，為學(xué)生提供可視化的三軸實(shí)驗(yàn)操作場景和人機(jī)互動操作界面，幫助學(xué)生熟練掌握三軸實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟和實(shí)施作用，在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足[4，5]。

鑒于此，基于國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺，開展基于實(shí)體演示和虛擬仿真結(jié)合的土力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索研究。一方面分小組開展三軸實(shí)驗(yàn)的實(shí)體演示，目的在于讓學(xué)生掌握三軸儀各部分組件的具體結(jié)構(gòu)和操作步驟的響應(yīng)機(jī)理;另一方面開展線上虛擬仿真三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為每位學(xué)生提供單獨(dú)操作的機(jī)會，深化對三軸實(shí)驗(yàn)操作步驟和細(xì)節(jié)的認(rèn)知。通過實(shí)體演示和虛擬仿真有機(jī)結(jié)合，可促進(jìn)學(xué)生對土力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)的全方位理解和掌握，為“土力學(xué)”課程和其他后續(xù)專業(yè)課程的開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)

（一）國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺

為堅(jiān)持立德樹人、強(qiáng)調(diào)能力為先的辦學(xué)理念，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度與深度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量，教育部于2019年成立了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺。通過將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息化、網(wǎng)絡(luò)化，不僅構(gòu)建了多種實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真模擬教學(xué)管理平臺，而且實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)共享。

目前，該平臺可提供涵蓋物理學(xué)類、電器類、礦業(yè)類、電子信息類、機(jī)械類、交通運(yùn)輸類、土木類等41個(gè)大類學(xué)科2079種實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)。其中，土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源119種，包含道路勘測設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、地下綜合管廊的消防安全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、巖土工程靜力觸探實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜環(huán)境作用下土的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、滑坡地質(zhì)災(zāi)害及其防治實(shí)驗(yàn)、土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。

其中，土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可模擬不同種類土體、不同圍壓條件、不同剪切速率和不同應(yīng)力路徑下的組合實(shí)驗(yàn)，分別探究土體種類、圍壓、剪切速率和應(yīng)力路徑等因素對土體強(qiáng)度和變形特性的影響。該三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)體三軸實(shí)驗(yàn)完全一致的操作步驟模擬，并可在實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺中所提供的“土體力學(xué)性質(zhì)研究的三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”模塊可為土力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)提供虛擬仿真教學(xué)平臺[6]。

（二）三軸實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真模擬

土體力學(xué)三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊可開展砂土和黏土兩類土體的三軸實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真三軸實(shí)驗(yàn)中的三軸儀[6]如圖1所示。與實(shí)體三軸實(shí)驗(yàn)儀相同，虛擬仿真三軸儀由試樣加載臺（左）和控制箱（右）兩部分組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣放置在右側(cè)加載臺上并用壓力室罩住，通過左側(cè)的控制箱為試樣施加圍壓和偏應(yīng)力，從而完成試樣的三軸實(shí)驗(yàn)。

該虛擬仿真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試樣制備、安裝、飽和、固結(jié)、剪切全過程三軸實(shí)驗(yàn)操作。其中，試樣安裝和飽和過程[6]如圖2所示。與實(shí)體三軸實(shí)驗(yàn)相似，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是在三軸儀底座上設(shè)置承膜桶，向內(nèi)填土并擊實(shí)，然后將試樣外側(cè)承膜桶內(nèi)空氣排盡，安裝壓力室，最后利用二氧化碳易溶于水的原理將試樣內(nèi)的空氣置換，并利用反壓飽和使試樣的孔隙水壓力系數(shù)B值大于0.95。由圖2可知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以較為真實(shí)地反映實(shí)體三軸實(shí)驗(yàn)在試樣安裝和飽和階段的操作步驟。

完成試樣制備并飽和后，可進(jìn)入試樣的固結(jié)和剪切階段。虛擬仿真三軸實(shí)驗(yàn)的固結(jié)和剪切階段操作[6]如圖3所示。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M了與實(shí)體三軸實(shí)驗(yàn)相同的操作界面，首先對土體試樣施加圍壓，待孔壓逐漸減小至零后，認(rèn)為此時(shí)試樣固結(jié)完成;隨后可以設(shè)置剪切速率，進(jìn)入剪切階段，當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變逐漸增大至20%時(shí)，剪切完成，操作界面也會出現(xiàn)相應(yīng)的提示信息。剪切完成后，仿真模擬三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還提供了卸除圍壓、卸壓力室和拆除試樣等一系列結(jié)束和收尾工作，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣，使其自覺遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)細(xì)則。