虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的改革探索

楊 光，王云洋，賀寒輝

（湖南文理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 湖南 常德 415000）

地震災(zāi)害是造成我國(guó)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要自然災(zāi)害之一，其中地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的震害影響大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)防是抵抗地震的有效手段之一。建設(shè)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)事關(guān)國(guó)計(jì)民生，設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)責(zé)任重大；而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程作為本科階段學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的主要課程，需要在教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的過(guò)程中切實(shí)傳授結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)專業(yè)理論與技術(shù)以提高學(xué)生結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)意識(shí)與能力。

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可使教學(xué)內(nèi)容變得直觀、生動(dòng)、形象、聲像并茂。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)制作成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)走進(jìn)專業(yè)課程教學(xué)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)[1]。國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)這門課程中，并取得了很好的效果：魯正[2]、周小龍[3]等將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)，提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的改革思路；顧冬生[4]將數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)教學(xué)中，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足；賈冠華等[5]探索并設(shè)計(jì)了VR實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群，同時(shí)提出VR實(shí)驗(yàn)在建筑抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的實(shí)施方法。

上述虛擬仿真教育資源引入結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)均取得了良好的教學(xué)效果，由此可見(jiàn)，虛擬仿真教學(xué)資源引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程很有必要結(jié)合校情繼續(xù)開(kāi)展探索和應(yīng)用。本文通過(guò)集成現(xiàn)有課程的虛擬仿真教學(xué)資源，探索線上和線下虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)改革，討論虛擬仿真教學(xué)資源入課以便提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在課程教學(xué)中的必要性

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程綜合了土木工程專業(yè)建筑工程方向大部分的專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容，以結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本概念和方法為重點(diǎn)，提出對(duì)各種建筑類型的結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[6]。地震屬于自然災(zāi)害，至今無(wú)法精確預(yù)測(cè)地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，學(xué)生絕大多數(shù)沒(méi)有親身經(jīng)歷過(guò)地震，對(duì)地震和震害的認(rèn)識(shí)只能從新聞媒體和課程內(nèi)容中得到；傳統(tǒng)教學(xué)模式傳授給學(xué)生的諸如結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算的可靠性等問(wèn)題僅僅使知識(shí)停留在抽象理解上，由于教師教學(xué)知識(shí)的不全面以及教學(xué)資源限制，使得學(xué)生在理解和學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)知識(shí)時(shí)比較困難且缺乏興趣，因此有必要對(duì)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，同時(shí)引進(jìn)新的教學(xué)資源和教學(xué)手段輔助教學(xué)以促進(jìn)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)的學(xué)習(xí)和認(rèn)知。

在新工科背景下，對(duì)學(xué)生結(jié)構(gòu)抗震的專業(yè)知識(shí)及設(shè)計(jì)能力提出較高的要求，教師將課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)清晰傳授給學(xué)生才能達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。將虛擬仿真教學(xué)資源融入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)教學(xué)，利用可感知、可交互、沉浸式VR等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可讓學(xué)生體驗(yàn)感受地震對(duì)人體感觀和建筑結(jié)構(gòu)物影響的烈度大小，有助于理解結(jié)構(gòu)抗震理論，更加深刻地理解建筑抗震設(shè)計(jì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全的重要性；利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)知識(shí)形象化、抽象思維直觀化，將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原本靜態(tài)抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)可操作性的動(dòng)態(tài)視覺(jué)感知或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于提升結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)教學(xué)效果，提高學(xué)生解決工程結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)和施工等方面問(wèn)題的能力[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)正處于起步階段，但現(xiàn)有研究已說(shuō)明該方法手段可提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目的，因此，非常有必要集成現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)展課程教學(xué)改革探索。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)探索

目前很多高校進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目入課的探索，但是由于土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入大，很難有高校僅針對(duì)一門課程購(gòu)置全部的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[8]。因此，為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程內(nèi)容在校內(nèi)外和線上尋找教學(xué)資源，整合形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)，然后設(shè)計(jì)合理可行的教學(xué)方式，讓學(xué)生更多地參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，接受更多形象、具體的結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)。

2.1 建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)

根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，充分利用校內(nèi)外教學(xué)資源，并利用網(wǎng)絡(luò)精品在線開(kāi)放課程平臺(tái)和國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)（實(shí)驗(yàn)空間）進(jìn)行挖掘和利用，初步集成以下虛擬仿真教學(xué)資源，見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.2.1 總體教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)資源的時(shí)空分布，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)教學(xué)時(shí)間和教學(xué)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。教學(xué)堅(jiān)持以學(xué)生為中心，教師起組織、引導(dǎo)、監(jiān)督和推動(dòng)作用，采用翻轉(zhuǎn)課堂穿插式教學(xué)、線上線下混合式教學(xué)等模式，教學(xué)內(nèi)容涵蓋沉浸體驗(yàn)、虛擬仿真動(dòng)畫技術(shù)、虛擬仿真在線實(shí)驗(yàn)等多樣化的表現(xiàn)形式，將學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的視覺(jué)認(rèn)識(shí)、感官體驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)理論和技術(shù)規(guī)范等教學(xué)過(guò)程形成一個(gè)有機(jī)整體[9]。教師在教學(xué)過(guò)程中充分利用教學(xué)資源，合理安排虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)和理論教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)揮各種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，注重學(xué)生對(duì)所涉及知識(shí)的認(rèn)知、理解及運(yùn)用，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流，有效提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

2.2.2 校內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)校附近的市科技館建設(shè)有地震體驗(yàn)平臺(tái)，除了能科普地震成因和地震波的一些基本常識(shí)外，還可以模擬體驗(yàn)低、中、強(qiáng)震不同烈度的震感下人體的感受，可建立起“地震成因→地震波的傳播→地震能量及烈度”的地震基本常識(shí)的虛擬場(chǎng)景及烈度感受，給予學(xué)生直觀的認(rèn)識(shí)和親身感受。

學(xué)院建設(shè)有虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，除了常見(jiàn)建筑結(jié)構(gòu)和不同建筑類型的微縮模型外，還可以通過(guò)大屏配合VR眼鏡漫游建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)空間，并能顯示諸如鋼筋配筋及分布的細(xì)部構(gòu)造。通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)相關(guān)的細(xì)部構(gòu)造，結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，可使學(xué)生直觀了解結(jié)構(gòu)構(gòu)造在抗震設(shè)防要求下與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，深刻理解建筑的平立面布置、結(jié)構(gòu)選型與布置、多重抗震防線等建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)內(nèi)容。

利用有限元軟件分別模擬震動(dòng)作用下不同高層和地層建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)，對(duì)比分析高層和低層建筑結(jié)構(gòu)的振型、振動(dòng)頻率和層間位移，讓學(xué)生觀察建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)態(tài)特征，建立起“結(jié)構(gòu)振動(dòng)振型/頻率→振型分解反應(yīng)譜法”的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析場(chǎng)景，讓學(xué)生結(jié)合書本的理論公式推導(dǎo)更好地掌握結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計(jì)理論與方法。

2.2.3 線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

充分挖掘利用國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)的教學(xué)相關(guān)資源，組織引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展線上抗震相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)地震波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生操作設(shè)置和感受地震波的分類和傳動(dòng)特性，更深層次了解地震波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響，即“縱波使建筑物產(chǎn)生上下顛簸，橫波使建筑物產(chǎn)生水平搖晃，面波使建筑物既產(chǎn)生上下顛簸又產(chǎn)生左右晃動(dòng)”。通過(guò)地震遺址建筑物結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過(guò)操作和地震震害場(chǎng)景漫游，了解和觀看還原真實(shí)強(qiáng)震對(duì)不同建筑類型建筑結(jié)構(gòu)的影響和震害特征，認(rèn)識(shí)各種建筑結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)生震害的力學(xué)機(jī)理，同時(shí)融入課程思政教育，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷、工程道德意識(shí)和大國(guó)自信意識(shí)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果

3.1 改進(jìn)了教學(xué)手段，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)教學(xué)中教師面對(duì)抗震知識(shí)難點(diǎn)和抽象深?yuàn)W的問(wèn)題很難進(jìn)行深入的剖析，通過(guò)改進(jìn)教學(xué)手段引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可以深入淺出地傳授學(xué)生相關(guān)抽象難懂的知識(shí)，可以較好地解決理論與實(shí)踐教學(xué)中遇到的實(shí)際困難，改善了土木工程專業(yè)設(shè)計(jì)類課程較為枯燥的教學(xué)模式，增加了知識(shí)趣味性，提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解程度，課堂抬頭率明顯提升。

3.2 完善了教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生綜合素質(zhì)

受限于教學(xué)資源的匱乏，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容大都停留在書本和教學(xué)用多媒體上，教學(xué)方式以理論教學(xué)為主，缺少相關(guān)的觀摩和實(shí)踐環(huán)節(jié)。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的新方法、新技術(shù)和新理念都得到了更新。充分利用體驗(yàn)式、操作式等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，與時(shí)俱進(jìn)引進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)新知識(shí)，通過(guò)學(xué)生參與觀看和體驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景，避免了課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，完善了教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展了學(xué)生的視野，增強(qiáng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

通過(guò)過(guò)程階段性和期末考核，學(xué)生交流回答問(wèn)題時(shí)的理論水平更高了，期末測(cè)試時(shí)學(xué)生的考試作答成績(jī)更高。通過(guò)對(duì)班級(jí)同學(xué)們的調(diào)查反饋，100%的學(xué)生都能接受虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，95%以上的學(xué)生認(rèn)為通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)收獲匪淺，基本掌握了本科階段的結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)集成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)校內(nèi)外和線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)，改進(jìn)了教學(xué)手段，完善了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效彌補(bǔ)了學(xué)生感性認(rèn)識(shí)方面距地震“遠(yuǎn)”和理論實(shí)踐學(xué)習(xí)方面對(duì)地震作用理解“虛”等教學(xué)問(wèn)題，該教學(xué)方式得到了學(xué)生的認(rèn)同，提高了教學(xué)效果。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索的深入，后續(xù)將繼續(xù)充分利用好各類共享虛擬仿真教學(xué)資源輔助課程教學(xué)，同時(shí)自制一些動(dòng)畫和數(shù)值模擬類仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為社會(huì)培養(yǎng)更多高素質(zhì)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用型人才。