橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗實踐與探索

徐勛倩,葛文璇,項宏亮,張 晨

(南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

隨著交通運輸工具的快速發(fā)展,橋梁作為跨越山、河、道路和疏導(dǎo)交通的重要建筑物,對于滿足我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求意義重大。但在自然環(huán)境、材料老化、荷載作用效應(yīng)、疲勞損傷等因素作用下,橋梁結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的傷亡事故、經(jīng)濟損失和社會影響等都是不可預(yù)估的。因此,對橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況進行檢測與評定至關(guān)重要,故土木工程(路橋方向)專業(yè)將其設(shè)置為一門新興的專業(yè)課程。在虛擬仿真實驗教學(xué)方面,由于長期投入不足,實驗條件建設(shè)較為緩慢,目前,在學(xué)生橋梁檢測與評定技術(shù)能力培養(yǎng)方面存在“理論知識較好,但工程應(yīng)用能力明顯不足”的現(xiàn)象,不能滿足“卓越計劃”對土木工程(路橋方向)專業(yè)的要求。橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測與評定包含了無損檢測、數(shù)據(jù)信號采集、動力學(xué)分析、大數(shù)據(jù)挖掘等綜合性技術(shù)。目前,教育部還沒有統(tǒng)一的規(guī)劃教材,高校如何使學(xué)生掌握并應(yīng)用這一技術(shù)是主講教師面臨的首要問題,需要專任教師不僅要有豐富的工程應(yīng)用實踐經(jīng)驗,還需要合理掌握授課技巧,能夠最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)的能力,使橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測與評定工作能夠更好地服務(wù)于社會。

近年來,飛速發(fā)展的信息技術(shù)極大地推進了教育現(xiàn)代化進程。2017年,教育部發(fā)布通知,要求開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè),以促進新時代大學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的提升。為解決橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測與評定成本高、不可重復(fù)、交互性差、危險性高、不易共享、實踐難度大等特點問題,本文基于Unity3d技術(shù)、WebGL技術(shù)、OpenGL技術(shù)和3D仿真技術(shù),開發(fā)并構(gòu)建一個交互性好、綜合性強、沉浸式體驗、集檢測與評定一體化的橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗系統(tǒng),以便學(xué)生能夠具有身臨其境的情景感知,進而提高實訓(xùn)課程的教學(xué)效果。

一、虛擬仿真實驗設(shè)計

(一)建設(shè)思路

對應(yīng)PC端,通過http://115.159.109.101/JX/網(wǎng)址登錄進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)頁版,如圖1。對應(yīng)移動端,通過手機掃描橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)頁版下方的二維碼,下載對應(yīng)應(yīng)用程序登錄并進行實驗。

圖1 登錄系統(tǒng)

具體橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真教學(xué)項目的建設(shè)思路如下:

(1)通過工程實例觀摩和對公路橋梁分部結(jié)構(gòu)組成的3D模型分拆、重構(gòu)在線操作,提升學(xué)生對各類橋梁工程各部位系統(tǒng)的形態(tài)特征、整體結(jié)構(gòu)體內(nèi)的空間分布及其相互位置關(guān)系和病害形成機理的感性認(rèn)識。

(2)該系統(tǒng)鏈接到我校校企合作企業(yè)——江蘇華通工程檢測有限公司的華通橋涵管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,通過對公路橋梁三維虛擬仿真及病害檢測在線操作,可以根據(jù)橋梁地點,熟悉橋梁工程行政識別信息(橋址、交通荷載、橋型、跨度、橋孔和樁號等),并隨機調(diào)取該橋的病害檢測信息,進而了解各類橋梁工程技術(shù)病害檢測的分類和基本內(nèi)容。

(3)通過教師虛擬仿真實驗前操作指南教學(xué)視頻的學(xué)習(xí),如圖2。熟悉《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范(JTG D62-2004)》《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程(JTG/T J21-2011)》中橋梁工程技術(shù)狀況評定的基本原理及方法,了解和掌握橋梁工程病害閾值控制指標(biāo)識別以及技術(shù)狀況評定的基本流程。

圖2 操作指南教學(xué)視頻

(4)通過對“分布部件、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、分項工程、全橋”技術(shù)狀況的在線評定和評定報告操作,了解和掌握橋梁工程技術(shù)狀況檢測與評定的規(guī)范化操作。

(二)教學(xué)目的與內(nèi)容

1.教學(xué)目的

應(yīng)用橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),開展覆蓋“預(yù)習(xí)、實施、復(fù)習(xí)、考核”全過程的虛實結(jié)合仿真實驗,既可較好解決單一實體實驗由于受成本、安全風(fēng)險和進度安排限制而致病害檢測操作復(fù)習(xí)難、考核難,公路橋梁組成構(gòu)件空間分布位置再現(xiàn)難、技術(shù)狀況評定示教效果差等問題,還可增強學(xué)生在進入實體工程現(xiàn)場前對具體分部件在工程空間位置關(guān)系的感性認(rèn)識,掌握橋梁工程檢測與技術(shù)狀況評價的規(guī)范化操作流程,實現(xiàn)對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗項目的“完整、高效、綠色、環(huán)?！?做到實驗過程考核的全覆蓋。

2.教學(xué)與實施內(nèi)容

教學(xué)與實施內(nèi)容分為三個階段:實驗前準(zhǔn)備階段(“文檔管理”中下載實驗依據(jù)、操作指南、實驗任務(wù)書等,“三維展示”中以工程為例在線觀摩學(xué)習(xí));實驗中階段(“首頁”“結(jié)構(gòu)”和“檢查評定”,以及在線操作學(xué)習(xí));實驗后拓展階段(“實時監(jiān)測”“養(yǎng)護決策”,在線進行動態(tài)數(shù)據(jù)分析及養(yǎng)護決策),具體操作流程如圖3。

圖3 實驗流程

步驟一:對橋梁工程結(jié)構(gòu)特征、分布部件及構(gòu)件“空間分布及其相互位置”關(guān)系進行學(xué)習(xí)。學(xué)生通過身份認(rèn)證,進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),點擊“結(jié)構(gòu)”模塊,如圖4。學(xué)生選擇項目并錄入橋梁工程行政識別信息,應(yīng)用系統(tǒng)3D模型“分拆”和“重構(gòu)”,在無提示的情況下,按照各分部構(gòu)件3D模型在結(jié)構(gòu)中的空間位置,學(xué)生可完成對結(jié)構(gòu)地圖、結(jié)構(gòu)形態(tài)特征、分布部件和構(gòu)件“空間分布及其相互位置”的學(xué)習(xí),如圖4。

圖4 “結(jié)構(gòu)”模塊

步驟二:對橋梁病害檢測項目分類和基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過身份認(rèn)證,進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),點擊“檢查評定”中的“檢查”模塊,完成對橋梁技術(shù)狀況現(xiàn)場檢測項目分類和基本內(nèi)容的在線學(xué)習(xí),如圖5。

圖5 “檢查評定”中的“檢查”模塊

步驟三:對橋梁技術(shù)狀況評定基本原理和方法的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過身份認(rèn)證,進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),點擊“檢查評定”中的“評定”模塊,完成橋梁工程各構(gòu)件、分部結(jié)構(gòu)和全橋技術(shù)狀況評定依據(jù)與方法的在線學(xué)習(xí),如圖6。

圖6 “檢查評定”中的“評定”模塊

步驟四:對實驗的形成性考核。教師通過系統(tǒng)管理員的身份認(rèn)證,進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),通過“檢查評定”中的“審核”模塊,完成對學(xué)生全橋病害檢查的審核和對學(xué)生“04評定”和“11評定”后的評定審核。這兩種審核都只有本系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員(一般設(shè)定為教師)才有權(quán)限進行操作的行為,如圖7。

圖7 “檢查評定”中的“審核”模塊

步驟五:對橋梁技術(shù)狀況評定報告規(guī)范化撰寫的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過身份認(rèn)證,進入橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),點擊“檢查評定”中的“報告”模塊,完成橋梁工程各構(gòu)件、分部結(jié)構(gòu)和全橋技術(shù)狀況評定報告規(guī)范化撰寫的在線學(xué)習(xí),如圖8。

圖8 “檢查評定”中的“報告”模塊

二、實踐效果分析

(一)實驗方法

學(xué)生戶借助電腦、平板、智能手機(安卓系統(tǒng))等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,訪問橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)(網(wǎng)址:http://115.159.109.101/JX),依據(jù)各自的身份認(rèn)證信息(登錄名:南通大學(xué),密碼:666)登錄進入,點擊相應(yīng)的功能模塊,就可對《橋梁工程橋梁技術(shù)狀況評定》開展在線虛擬觀摩和仿真操作學(xué)習(xí)。

(二)考核要求

學(xué)生通過PC、平板、智能手機(安卓系統(tǒng))登錄橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),在系統(tǒng)中,點擊“結(jié)構(gòu)”“檢查評定”模塊,完成對病害檢測與評定試驗操作流程的規(guī)范性,從形態(tài)上“識別”各類病害和對各分部構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體內(nèi)的“空間分布及其排列位置”的考核。在網(wǎng)頁界面,點擊“檢查評定”中的“審核”模塊,完成對相關(guān)理論與操作注意事項教學(xué)考核,在線考核成績由系統(tǒng)自動評判。通過在線考核,只有達到一定成績的“合格者”才能取得進入實體工程開展相關(guān)實驗操作的資格,且在線考核成績計入學(xué)生總成績中。

(三)實施效果

(1)通過對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,可減少甚至取消以往在實體檢測實驗時,在學(xué)生動手檢測、評定前有教師“示教”操作的內(nèi)容,既增加了學(xué)生在實驗室“自主”評測的相對時間,又減少了實驗場地使用及安全風(fēng)險,節(jié)省了實驗教學(xué)成本,達成了綠色實驗的教學(xué)目標(biāo)。

(2)通過對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,解決了以往由于評測實驗原理復(fù)雜抽象,實驗規(guī)模較大、信息量大、費用昂貴,實驗儀器精密、耗時長、步驟繁瑣,實驗技術(shù)要求高,難以按教學(xué)進度安排實施的問題,通過“虛實結(jié)合”確保了實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的完整和高效。

(3)通過對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用,解決了由于考核一對一、費時費力、安全風(fēng)險高,而致實驗考核不全面、不完整的問題,實現(xiàn)了考核對實驗過程的全覆蓋。

(四)項目特色

特色一:提出了“積為教用、虛為實用、虛實互補、提升實效”的建設(shè)思路。在虛擬仿真資源建設(shè)與應(yīng)用過程中,聚焦科學(xué)技術(shù)發(fā)展對實驗教學(xué)組織形式和實驗教學(xué)資源媒介表現(xiàn)形式所帶來的變革,注重信息技術(shù)與土木工程實驗教學(xué)的融合與應(yīng)用,提出了“積為教用、虛為實用、虛實互補、提升實效”的虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)思路,逐步形成了以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心教學(xué)理念,充分發(fā)揮數(shù)字化實驗教學(xué)資源的共享優(yōu)勢,通過實施虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式和構(gòu)建形成性實驗考核體系,系統(tǒng)地培養(yǎng)了學(xué)生的實驗技能、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

特色二:實訓(xùn)環(huán)節(jié)的“完整、高效、綠色、環(huán)?！薄Ｔ趯I(yè)培養(yǎng)方案與課程教學(xué)大綱指導(dǎo)下,應(yīng)用Unity3d技術(shù)開發(fā)工具開展了橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗。通過橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗,既可完成在實體實驗中開展橋梁工程結(jié)構(gòu)組成特征、規(guī)范化檢測與評定試驗流程等教學(xué)內(nèi)容,還可完成在實體實驗室中由于實驗規(guī)模較大、信息量大、費用昂貴,實驗儀器精密、耗時長、步驟繁瑣,實驗技術(shù)要求高等,而致無法實施各系統(tǒng)的空間位置、結(jié)構(gòu)與病害關(guān)聯(lián)等教學(xué)內(nèi)容,實現(xiàn)了實驗項目“完整、高效、綠色、環(huán)?！钡哪繕?biāo)。

特色三:形成性考核評價體系。依托網(wǎng)絡(luò),借助PC、平板、智能手機等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,登錄訪問橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗系統(tǒng),通過在線觀摩、操作、答題、互動等方式,在線完成對橋梁檢測與加固課程中橋梁技術(shù)狀況檢測與評定教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí),既解決了以往學(xué)生在進入實體實驗室前對橋梁檢測及技術(shù)狀況檢測與評定規(guī)范化操作流程感性認(rèn)識不足、考核內(nèi)容不全面的問題,還為引入MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)新形態(tài),實施形成性考核評價體系創(chuàng)造了條件。

特色四:全天候、全時空開放運行。橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗是對資源數(shù)據(jù)庫進行自主管理的獨立系統(tǒng),學(xué)生以學(xué)號或其他測試賬號登錄,可全天候、全時空的對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗進行在線學(xué)習(xí)。

特色五:虛實結(jié)合的考核評價指標(biāo)體系。以橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)過程中所涉及的檢測流程、橋梁部件、結(jié)構(gòu)和分系統(tǒng)的形態(tài)特征與空間分布、病害檢測與評定注意事項等為考點,按照各自在橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗中的權(quán)重,形成虛實結(jié)合的考核評價指標(biāo)體系,實現(xiàn)對橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)過程的全覆蓋。

三、結(jié)語

應(yīng)用橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng),結(jié)合實體實驗,使學(xué)生能夠掌握橋梁工程技術(shù)狀況現(xiàn)場檢測操作流程,及其在技術(shù)狀況評定過程中的注意事項;了解并掌握橋梁工程結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部部件、構(gòu)件在結(jié)構(gòu)組成上的特征,及在空間分布上的位置關(guān)系;了解并掌握公路橋梁各子系統(tǒng)的分部組成與其病害的對應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系;最終通過評定實驗,掌握橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定方法及其操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

橋梁技術(shù)狀況評定虛擬仿真實驗項目的實踐與探索,主動適應(yīng)了信息技術(shù)變革,符合新時代中國高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的實際,對如何深化教育部“五大金課”建設(shè)和培養(yǎng)“卓越工程師”拔尖人才具有一定的啟發(fā)和借鑒作用,也是高等教育推進“智能+教育”模式的有益探索,對推動高校新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量提升提供了新的動力。