“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

［摘 要］ 為滿足新工科背景下的實(shí)踐型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，針對“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以教學(xué)目的為核心，使用Python編程語言的PySide開源框架，研發(fā)了虛擬仿真教學(xué)平臺。平臺包括材料力學(xué)性能模塊和基本構(gòu)件模塊，其開發(fā)架構(gòu)分為控制調(diào)用、參數(shù)設(shè)置、通用有限元軟件計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲模塊和顯示等五大模塊。利用平臺，學(xué)生能開展開放型、自主設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，直觀觀察結(jié)構(gòu)在加載過程中內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變變化，以及裂縫開展、結(jié)構(gòu)破壞過程，深入理解結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，掌握材料力學(xué)性能及構(gòu)件設(shè)計(jì)理論。提出了基于該教學(xué)平臺的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法及其在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用。

［關(guān)鍵詞］ 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理；虛擬仿真；新工科

［基金項(xiàng)目］ 2020年度武漢大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“混凝結(jié)構(gòu)基本原理線上線下混合式教學(xué)模式研究”（1403-413200076）

［作者簡介］ 余 敏（1982—），男，湖北武漢人，博士，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授，主要從事鋼管混凝土、超高性能土木工程材料研究；劉素梅（1972—），女，湖北武漢人，博士，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授，主要從事纖維混凝土及超高性能混凝土研究。

［中圖分類號］ G642.0；TU37 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）17-0001-04 ［收稿日期］ 2023-03-22

新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革對工程教育提出了新挑戰(zhàn)，亟須培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，這為各高校探索建立工科發(fā)展新范式，創(chuàng)新工程教育方式與手段，構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)提出了新的要求與思路［1］。

人才培養(yǎng)的核心要素是課程，培養(yǎng)質(zhì)量直接取決于課程質(zhì)量。“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”是土木工程專業(yè)必修專業(yè)課之一，課程內(nèi)容包括混凝土結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論［2-3］?；纠碚搶儆诎虢?jīng)驗(yàn)半理論范疇，是以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐為依據(jù)。因此，為訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)和工程思維，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，幫助學(xué)生以更直觀的方式理解結(jié)構(gòu)的受力性能，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，達(dá)到培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的目標(biāo)［4］。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問題，難以達(dá)到工程教育教學(xué)目的［5］。將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)教學(xué)中，可以克服傳統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)弊端，有效解決這些問題［6］。本文針對“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，以教學(xué)目的為核心，使用Python編程語言的PySide開源GUI框架，研發(fā)了虛擬仿真教學(xué)平臺，并采取基于該教學(xué)平臺的虛實(shí)相結(jié)合教學(xué)方法，開展開放型、自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，這對培養(yǎng)符合新工科要求的工程人才具有重要的實(shí)踐和創(chuàng)新意義。

一、實(shí)施虛擬仿真教學(xué)的必要性

“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”教學(xué)環(huán)節(jié)中關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分傳統(tǒng)的方式是課堂講授加上現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)存在諸多問題，主要包括：（1）實(shí)驗(yàn)成本高、消耗高，并且受各種條件限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法涵蓋所有基本構(gòu)件；（2）試件是針對特定條件設(shè)計(jì)的，無法對可能出現(xiàn)的每種破壞形式開展研究；（3）試件體量較大，根數(shù)有限，實(shí)驗(yàn)只能分組進(jìn)行，無法滿足每位學(xué)生實(shí)際動手能力培養(yǎng)的需要，難以開展開放型、自主設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真技術(shù)可以綜合運(yùn)用人工智能、人工交互等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，將二維分析拓展到三維，結(jié)構(gòu)在受力過程中應(yīng)力、應(yīng)變變化，裂縫開展，以及結(jié)構(gòu)破壞過程，也可以通過三維動畫形式生動地展現(xiàn)出來，有助于學(xué)生理解混凝土結(jié)構(gòu)受力性能。因此，研發(fā)虛擬仿真平臺輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開展探究式、自主式的教學(xué)方法十分必要［7-8］。

二、虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與研發(fā)

（一）教學(xué)平臺設(shè)計(jì)目的及設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真教學(xué)平臺設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)在平臺上自主設(shè)計(jì)試件，包括材料等級、截面尺寸、荷載類型、加載方式，并且實(shí)時觀察其在加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化、裂縫發(fā)展以及破壞過程。根據(jù)前述設(shè)計(jì)目的，虛擬仿真教學(xué)平臺包括材料力學(xué)性能模塊和混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件模塊。

材料力學(xué)性能模塊包括混凝土和鋼筋兩個部分。混凝土的力學(xué)性能包括受壓和受拉兩個方面，鋼筋主要是受拉力學(xué)性能；混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件模塊包括了受彎、受拉、受壓、受扭構(gòu)件加載下可能發(fā)生的各種破壞形態(tài)，以及加載中應(yīng)力—應(yīng)變發(fā)展特點(diǎn)、裂縫出現(xiàn)和開展的動態(tài)發(fā)展過程。

（二）虛擬仿真教學(xué)平臺研發(fā)

虛擬仿真教學(xué)平臺的開發(fā)架構(gòu)如圖1所示，分為控制調(diào)用、參數(shù)設(shè)置、通用有限元軟件計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲、顯示這五大模塊?？刂普{(diào)用模塊是用戶和虛擬仿真平臺進(jìn)行交互的主要操作模塊，該模塊有兩種調(diào)用方式：其一可以直接在結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲目錄中查詢已有數(shù)據(jù)，并在顯示模塊中進(jìn)行展示；其二可以調(diào)用參數(shù)設(shè)置模塊，在已有標(biāo)準(zhǔn)化建模代碼文件上進(jìn)行參數(shù)修改，實(shí)時建立有限元模型，將修改后的代碼文件導(dǎo)入通用有限元計(jì)算軟件中進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，完成后通過數(shù)據(jù)存儲模塊按序保存到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲路徑中，以便在顯示模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。顯示模塊可以根據(jù)用戶的需要，對已存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方式的可視化操作，從各個方位展示虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。上述合理的開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)保證了軟件各部分功能的相對獨(dú)立，使得師生協(xié)同開發(fā)成為可能，極大地促進(jìn)了師生交流，加深了學(xué)生對課程知識的理解，并且為平臺功能的擴(kuò)展提供了廣闊的空間。

依據(jù)圖1所展示的開發(fā)框架，采用Ribbon的設(shè)計(jì)風(fēng)格開發(fā)虛擬仿真教學(xué)平臺（見圖2）。其具體實(shí)現(xiàn)方式為主窗口中Ribbon欄在放置切換按鈕的同時提供Abaqus計(jì)算入口。菜單懸浮窗口中的顯示按鈕將處理好的數(shù)據(jù)顯示到主顯示窗口中的播放窗口上。在Abaqus實(shí)時計(jì)算方面，開發(fā)了Abaqus類，調(diào)用其內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置、提交及數(shù)據(jù)提取方法，以實(shí)現(xiàn)Abaqus的python參數(shù)化建模的腳本文件生成，并提交生成的腳本文件至Abaqus求解器，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。課堂上，教師可以利用平臺，同步以短視頻的形式展示計(jì)算好的有限元模型結(jié)果，輔助課堂講授。學(xué)生可以實(shí)時改變構(gòu)件的各項(xiàng)參數(shù)，通過文件生成按鈕，保存、加載各項(xiàng)參數(shù)，提交到通用有限元軟件中進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，并在模型結(jié)果中進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)自主型、開放型的虛擬實(shí)驗(yàn)。

通過虛擬仿真教學(xué)平臺，學(xué)生可以設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相同參數(shù)的構(gòu)件進(jìn)行模擬計(jì)算，對比差異，并通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行拓展分析，以考慮實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的各種情況，深入理解結(jié)構(gòu)的受力性能。

三、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法及其在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

（一）虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法

利用虛擬仿真教學(xué)平臺，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中可以采取虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，實(shí)施步驟如下。

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。在布置了實(shí)驗(yàn)任務(wù)之后，學(xué)生查閱相關(guān)資料，制訂實(shí)驗(yàn)方案。

2.課堂教學(xué)。在此階段講授實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以及實(shí)驗(yàn)中需要觀察的現(xiàn)象和測試的數(shù)據(jù)，學(xué)生對擬定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行相應(yīng)修訂。

3.現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生首先利用仿真系統(tǒng)模擬現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，然后改變參數(shù)進(jìn)行拓展分析，觀察虛擬實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展，裂縫出現(xiàn)及發(fā)展過程，破壞形態(tài)，分析裂縫形成及結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，總結(jié)分析現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的差異。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法如圖3所示。通過采取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法，學(xué)生既能親身經(jīng)歷整個實(shí)驗(yàn)過程，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、結(jié)果分析，又能進(jìn)行拓展分析，充分理解結(jié)構(gòu)特性，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。

（二）虛擬仿真教學(xué)平臺在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

1.構(gòu)建以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式。新工科建設(shè)背景下更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的自主能動性，虛擬仿真教學(xué)平臺的應(yīng)用突破了時間和空間的限制，可實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、自主學(xué)習(xí)式的線上線下相結(jié)合、課上課下相結(jié)合的教學(xué)方法。

2.通過虛實(shí)結(jié)合學(xué)習(xí)和闖關(guān)考核，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)難以滿足每個學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)全過程的需求，影響了教學(xué)效果，虛擬仿真教學(xué)平臺可以實(shí)現(xiàn)每個人都參與其中，并在教學(xué)中實(shí)施游戲式的闖關(guān)考核，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.開展以項(xiàng)目為引領(lǐng)，以培養(yǎng)工程實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)的新范式實(shí)踐教學(xué)。傳統(tǒng)的教學(xué)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上體現(xiàn)為單個試件的一次性實(shí)驗(yàn)。以項(xiàng)目為引領(lǐng)的教學(xué)模式則是通過項(xiàng)目牽引，以結(jié)果為導(dǎo)向，通過虛擬仿真教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)整個項(xiàng)目的模擬分析，建立結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，提高其科學(xué)和工程素養(yǎng)。

結(jié)語

本文以“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”教學(xué)目的為核心，研發(fā)了虛擬仿真教學(xué)平臺，主要結(jié)論如下。

1.Python開發(fā)簡單且快速，便于師生的及時交流反饋，同時海量的第三方庫賦予了Python協(xié)調(diào)不同軟件的強(qiáng)大功能，契合了土木工程專業(yè)綜合性的特點(diǎn)，為學(xué)生提供了快速解決綜合性問題的手段。

2.平臺包括材料力學(xué)性能和混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件兩個應(yīng)用模塊，開發(fā)架構(gòu)分為控制調(diào)用、參數(shù)設(shè)置、通用有限元軟件計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和顯示等五個功能模塊。控制調(diào)用模塊是用戶和虛擬仿真平臺進(jìn)行交互的主要操作模塊，通過該模塊可以將代碼文件導(dǎo)入有限元計(jì)算模塊中進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，完成后通過數(shù)據(jù)存儲模塊按序保存到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲路徑中，顯示模塊對已存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方式的可視化操作，從各個方位展示虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.利用虛擬仿真教學(xué)平臺，可構(gòu)建以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，開展以項(xiàng)目為引領(lǐng)，以培養(yǎng)工程實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)的新范式實(shí)踐教學(xué)。

（課題組成員：徐禮華、池寅）

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Discussion on Virtual Simulation Teaching of Fundamental of Concrete Structures

YU Min， LIU Su-mei， YU Chun-lei

（School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China）

Abstract： To satisfy the goal of training practical and creative talents based on new engineering education， aimed at core knowledge of the course “Fundamental of Concrete Structures”， a virtual simulation teaching platform was developed using Python with PySide framework， a third-part open-source python library. The platform includes the material mechanical properties module and the basic elements module， and its development framework consists of five sections： control module， parameter-assignment module， finite-element-method calculating module， storage module and display module. Students can design and carry out virtual experiments by themselves using this platform. Besides， they can observe real-time stress and strain of the structure during loading process， as well as the development of cracks and the process of structural failure， which is significant for students to deeply understand the mechanism of structural failure， the mechanical properties of materials， and the theory of basic elements design. The teaching method based on virtual simulation teaching platform is proposed and its function on training innovative personnel is analyzed.

Key words： fundamental of concrete structures; virtual simulation; new engineering