虛擬仿真試驗(yàn)對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革影響實(shí)證研究

王秀麗

吉林建筑大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130118

土木工程包含基礎(chǔ)建設(shè)的計(jì)劃、建造和維修等，是建造各類土地工程設(shè)施的學(xué)科。土木工程學(xué)科具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，以培養(yǎng)具有理論知識(shí)、實(shí)踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的“復(fù)合型”工程技術(shù)人才為目標(biāo)。目前，土木類專業(yè)仍存在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)少、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，設(shè)備要求高、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大等問題，導(dǎo)致部分實(shí)體實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)階段難以有效開展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有學(xué)生自主設(shè)計(jì)、循環(huán)實(shí)驗(yàn)、機(jī)理可見、破壞可逆等實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)精神等均具有重要意義。因此，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新將會(huì)是教育信息化應(yīng)用模式創(chuàng)新的重大突破[1]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是《礦山壓力與巖層控制》課程理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室利用細(xì)砂、碳酸鈣、石膏等材料，依據(jù)煤巖賦存狀況，按照相似材料理論和相似準(zhǔn)則制作模型，然后進(jìn)行模擬開采，觀測(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)情況及支承壓力變化等，從而反推該條件下現(xiàn)場(chǎng)巖層運(yùn)移規(guī)律等。傳統(tǒng)的二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，存在實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，學(xué)生工作量大等缺點(diǎn)。而且課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，很難完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。為彌補(bǔ)上述不足，通過引入虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，可以在短時(shí)間內(nèi)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的全部過程，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

2 虛擬仿真試驗(yàn)對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革影響實(shí)證研究

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)方案

通過對(duì)建筑材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的梳理，確立以水泥性能及水泥混凝土綜合性能實(shí)驗(yàn)和瀝青混合料綜合性能實(shí)驗(yàn)為核心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)方案。水泥性能及水泥混凝土綜合性能實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目包括水泥性能實(shí)驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性）和水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目。瀝青混合料綜合性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目包括瀝青混合料試件成型、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)等項(xiàng)目。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中操作耗時(shí)長(zhǎng)、微觀過程難以觀測(cè)、操作復(fù)雜等問題，采用3D動(dòng)畫展示、交互性虛擬仿真操作、微觀反應(yīng)過程機(jī)理可視化等手段，讓學(xué)生掌握水泥水化反應(yīng)、水泥及水泥混凝土性能和瀝青混合料性能的基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)基本操作，為學(xué)習(xí)水泥混凝土及瀝青混合料綜合性能打好基礎(chǔ)。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟及要求

學(xué)生交互性操作步驟說明：實(shí)驗(yàn)步驟1：裝配模板，安裝底部三塊模板。實(shí)驗(yàn)步驟2：材料調(diào)配。按設(shè)計(jì)好的配比，分別稱重沙子、碳酸鈣、石膏、水等材料，然后進(jìn)行混合攪拌。實(shí)驗(yàn)步驟3：鋪設(shè)傳感器。鋪設(shè)第一層傳感器，位于煤層下方。實(shí)驗(yàn)步驟4：鋪設(shè)第一層砂漿。實(shí)驗(yàn)步驟5：將砂漿整平壓實(shí)。實(shí)驗(yàn)步驟6：在第一層模型上均勻撒上一薄層云母粉。實(shí)驗(yàn)步驟7：鋪設(shè)其他材料層。按第一層模型的鋪設(shè)過程依次鋪設(shè)其他層至整個(gè)模型成型，并在過程中按設(shè)計(jì)位置鋪設(shè)好第二層傳感器。將材料層鋪設(shè)至最頂層。實(shí)驗(yàn)步驟8：將墊木置于模型上方。實(shí)驗(yàn)步驟9：運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件DH3816N軟件、WLS軟件。實(shí)驗(yàn)步驟10：加載負(fù)荷。開啟油泵電源，啟動(dòng)油泵；在WLS軟件上加載負(fù)荷到參考值，然后停止加載負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)步驟11：拆除模板。在模型上布設(shè)觀測(cè)網(wǎng)格線。實(shí)驗(yàn)步驟12：模擬煤層開采。先開切眼，然后分七天開采完成；開采過程中分別觀察并記錄巖層出現(xiàn)垮塌、裂縫和彎曲下沉的情況。實(shí)驗(yàn)步驟13：卸載負(fù)荷。關(guān)閉DHA816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)主機(jī)電源；在WLS軟件上卸載負(fù)荷；在DH3816N軟件中保存應(yīng)力曲線；停止油泵、關(guān)閉油泵電源。實(shí)驗(yàn)步驟14：實(shí)驗(yàn)結(jié)論。標(biāo)注三帶范圍，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)，至此實(shí)驗(yàn)結(jié)束[2]。

2.3 改革與創(chuàng)新課程考核方式

土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)操作步驟考核、互動(dòng)測(cè)評(píng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三位一體的課程考核評(píng)價(jià)體系。首先，基于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱要求，對(duì)步驟操作的正確性、規(guī)范性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次，負(fù)責(zé)教師可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)效果提出建議，并可與學(xué)生進(jìn)行線上評(píng)測(cè)與實(shí)時(shí)交流。最后，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，提供試件設(shè)計(jì)、加載設(shè)計(jì)等模塊，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的數(shù)據(jù)支撐。由此可知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)的重要輔助手段，有效解決了老師借助PPT、板書等手段講解相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)時(shí)，學(xué)生無法具象化相應(yīng)結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)過程的問題。通過合理的考核評(píng)價(jià)方式，引導(dǎo)學(xué)生完成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、自主設(shè)計(jì)、解決問題、課程評(píng)價(jià)的完整交互性操作閉環(huán)。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)

土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)“成本高、周期長(zhǎng)、人員安全風(fēng)險(xiǎn)”等難題，遵從“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，具有“損傷可見、過程可逆、自主設(shè)計(jì)”等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢(shì)。以此為基礎(chǔ)的土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐則以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，力求實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的靈活化、信息化、智能化和現(xiàn)代化。同時(shí)，土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的持續(xù)建設(shè)是推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量，有利于高校為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的人才支撐[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，以優(yōu)化共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、服務(wù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，依托學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目深度融合，使其成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系的有機(jī)組成部分，在同類專業(yè)課程中有重要的示范作用和推廣價(jià)值。