新工科背景下土木類專業(yè)核心課程虛擬仿真實驗探索研究

王英杰　孫玉周　邊亞東

摘 要：在新工科理念指導(dǎo)下，促進理論教學與實踐教學的進一步融合是教育教學改革的重要方向。在土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，課程理論教學團隊與實踐教學指導(dǎo)團隊緊密合作，針對現(xiàn)場實驗實驗周期長、成本高、場地要求高以及操作難度大等問題，構(gòu)建開發(fā)了虛擬仿真實驗系統(tǒng)。通過虛擬仿真實驗操作實踐，學生得以真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養(yǎng)了學生獨立解決工程實際問題的能力。同時，實現(xiàn)了過程性考核與結(jié)果性考核相結(jié)合的教學目標，達到了開展虛擬仿真實驗的預(yù)期目標。

關(guān)鍵詞：新工科；土木類；虛擬仿真；土工合成材料；土木工程施工

土工合成材料在國際上被稱為繼鋼材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”，主要包括土工格柵、土工格室、土工布、土工膜、土工網(wǎng)、土工保溫材料及其相關(guān)土工復(fù)合材料等。在實際工程應(yīng)用中，土工合成材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如軟土地基加固、舊路堤加寬、堤壩邊坡加筋和加筋擋土墻等，具有提高路基路堤承載力、降低路基厚度、河流邊坡防護、隔離防水防滲、集水排水以及延長基層結(jié)構(gòu)使用壽命等作用。

一、土工合成材料應(yīng)用及實驗教學現(xiàn)狀

目前，土工合成材料已被廣泛應(yīng)用于各類巖土工程和大量的水利及堤防工程中。在土工合成材料的實驗教學中，能夠進行的室內(nèi)實驗只有樣品測重、垂直滲透率測定、抗剪切實驗、抗拉伸實驗以及摩擦實驗等，這些實驗均是研究材料試樣的基本物理力學特性實驗。然而，關(guān)于土工合成材料在使用方面的實驗和練習，卻難以在室內(nèi)環(huán)境下進行。其主要原因有：一是場地要求高。以路堤加固為例，即使僅設(shè)置三組對比實驗，所需的實驗場地總面積也至少近千平方米。二是實驗周期長。路堤加固涉及土體的固結(jié)、沉降及穩(wěn)定性等問題，時間跨度最長可達一年以上。這使得課程的理論學習與實驗教學難以同步進行，進而影響了授課質(zhì)量。三是經(jīng)濟成本高。除了大面積的合成材料費用，實驗中還需考慮基層處理成本、大型機械租賃費、人工費及養(yǎng)護成本等，這些費用大大增加了實驗預(yù)算。此外，土工合成材料的室外實驗還容易受到環(huán)境的影響，如日曬、降雨等不易控制的因素，這些都會導(dǎo)致實驗誤差增大，進而對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了克服現(xiàn)場實驗條件的限制，提高課程的教學質(zhì)量和學生的操作能力，圍繞土工合成材料的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)進行構(gòu)建和研發(fā)，為學生提供交互式的虛擬仿真實驗平臺。該平臺不僅融合了室內(nèi)實驗的理論基礎(chǔ)和操作要求，還能提供室內(nèi)實驗無法進行的合成材料制作、鋪設(shè)方法、鋪設(shè)效果檢測以及時間跨度大的蠕變實驗等重要內(nèi)容。

研究團隊選取了三種具有代表性的土工合成材料——土工布、土工格柵及土工膜，以及它們在實際工程中對應(yīng)的三類典型應(yīng)用——路基加筋、邊坡防護以及水庫、河流、垃圾填埋場、污水處理等，通過采用虛擬仿真技術(shù)，對土工合成材料實施從加工制作到鋪設(shè)檢測的全過程進行仿真模擬，以期解決實驗場地要求高、實驗周期長、原材料價格昂貴等限制因素的影響，為學生提供一個隨時隨地、可以反復(fù)操作的虛擬仿真實驗平臺，切實提高學生的實踐操作能力。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能構(gòu)建及開發(fā)

課程教學團隊與實踐教學指導(dǎo)專家團隊緊密合作，充分利用虛擬仿真系統(tǒng)平臺的優(yōu)勢，將實驗場地要求高、實驗周期長、經(jīng)濟成本高的室外土工合成材料現(xiàn)場實驗轉(zhuǎn)化成三維可視化系統(tǒng)平臺。通過該平臺實現(xiàn)了合成材料的合成、檢測、鋪設(shè)、檢查等全過程的仿真模擬，實現(xiàn)了土工合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環(huán)受載等實驗的仿真模擬。此外，還實現(xiàn)了土工合成材料的鋪設(shè)方法、焊接工藝等的模擬。這一創(chuàng)新舉措不僅提升了學生對理論知識的掌握程度，還顯著增強了他們的實際操作技術(shù)能力。

（一）系統(tǒng)功能構(gòu)成

該虛擬系統(tǒng)主要分為專業(yè)基礎(chǔ)知識考查、課程知識考查、檢測試驗知識考查、土工合成材料鋪設(shè)知識考查以及實驗報告填寫五部分。在學生充分掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，重點考查學生對不同類型土工合成材料適用范圍的判斷、原材料的選取與配比、合成材料的試驗檢測以及鋪設(shè)的注意事項等內(nèi)容。同時，學生還需要結(jié)合虛擬仿真實驗的全過程完成最終的實驗報告。

（二）系統(tǒng)操作流程

學生在進行實驗之前，需要具備一定的理論知識，理解和掌握土工合成材料的屬性、應(yīng)用條件及適用范圍等關(guān)鍵要素，并根據(jù)實驗要求確定實驗對象的工程類型。進入虛擬仿真實驗系統(tǒng)后，學生需依次完成以下內(nèi)容：工程實驗合成材料的選擇—原材料的選取—土工合成材料的制作—土工合成材料的物理力學特性測試（確保測試合格后才可進入下一步）—鋪設(shè)前的檢查—土工合成材料的鋪設(shè)—鋪設(shè)后的檢查—在線測評—確認實驗完成等。

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)涵蓋了18個詳細的操作步驟，總計超過100個操作項，全面模擬了土工合成材料從選取、制作、檢測到鋪設(shè)使用的全過程。該系統(tǒng)能夠記錄并保存學生的每一個操作過程和實驗數(shù)據(jù)，并可在系統(tǒng)后臺進行查看。這樣既可以精準評估學生在實驗過程中各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，又可以對學生的實驗結(jié)果進行分析和考核，實現(xiàn)了過程性考核和結(jié)果性考核的有機結(jié)合。

（三）系統(tǒng)特色

該虛擬仿真實驗項目構(gòu)建了“一人一工程”的實驗教學方法。每個學生面對的都是不同的工程實際，或不同工程類型，或工程尺寸不同，或工程要求標準不同，給學生增加了實驗難度。因此，學生需要根據(jù)自己的實際工程情況來確定實驗參數(shù)、材料尺寸及實施方案。這讓學生完整地經(jīng)歷了從工程模型建立、原材料制作到合成材料的測試、鋪設(shè)以及鋪設(shè)效果監(jiān)測等實驗全過程。同時，學生可以通過設(shè)定不同的溫度、荷載、濕度等變量，在虛擬仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)對合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環(huán)受載實驗。此外，學生還可以選擇合成材料的搭接方式、縫合和焊接方式等。這使得學生在短時間內(nèi)能熟悉實驗的整個操作過程，并能對階段性結(jié)果和實驗報告結(jié)果進行整理和分析。這種方式有效彌補了傳統(tǒng)實踐教學的不足，提高了學生的實驗興趣和主動性。學生可以通過相互溝通、合作討論的方式完成實驗，從而真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養(yǎng)他們解決工程實際問題的能力。

三、虛擬仿真實驗系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展

該虛擬仿真實驗項目是為配合土木工程類專業(yè)核心課程土木工程施工的教學要求而開發(fā)的，主要面向土木工程及其相關(guān)專業(yè)的大二或大三學生。它有效解決了傳統(tǒng)課堂教學中重理論輕實踐的問題，通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)的全流程操作，學生能夠?qū)⒗碚撝R與工程實踐相結(jié)合。同時，虛擬仿真實驗突破了實驗場地、周期、經(jīng)濟性等因素的限制，極大地提高了學生對課程知識的掌握程度。自系統(tǒng)構(gòu)建開發(fā)以來，深受學生的歡迎，并取得了良好的應(yīng)用效果。此外，該虛擬仿真實驗的系統(tǒng)還可以為各個院所的科研人員、工程從業(yè)者以及土工合成材料行業(yè)的設(shè)計和生產(chǎn)商提供服務(wù)，進而促進土工合成材料的整體發(fā)展和進步。

今后，研究團隊將繼續(xù)發(fā)揮虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢，不斷優(yōu)化和升級實驗項目。深入開展校企合作交流，使虛擬仿真實驗教學內(nèi)容更加貼近工程實際，并緊跟土工合成材料行業(yè)的最新發(fā)展成果。持續(xù)補充包括原材料、制作工藝、產(chǎn)品升級、機具更新以適用工程類別等內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫，逐步實現(xiàn)理論指導(dǎo)實踐、實踐促進理論的良性發(fā)展。

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責編：應(yīng) 圖

基金項目：河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“‘智能+時代本科高校虛擬基層教學組織研究與實踐”（編號：2021SJGLX226）；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會高等教育教學改革研究項目“新工科理念下土木類專業(yè)人才實踐教學模式研究”（編號：2021BKJGLX520）；中原工學院教學改革研究與實踐項目“以立德樹人為根本任務(wù)的‘土木工程施工課程思政建設(shè)與實踐”（編號：2023ZGJGLX071）

作者簡介：王英杰（1990— ），男，中原工學院講師，研究方向為土木工程材料、巖土工程；孫玉周（1974— ），男，中原工學院教授，研究方向為多尺度力學和工程數(shù)值仿真；邊亞東（1975— ），男，中原工學院教授，研究方向為新型土木工程材料、邊坡工程與支擋結(jié)構(gòu)。