土木工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討*

吳曉楓 錢紅萍

0 引言

在當(dāng)前的形勢(shì)下,計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)正在飛速發(fā)展,被人們應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。它傳輸信息快捷,使用方便,具有自主性,交互性,開放性和資源共享性等特征,給我們的生活和學(xué)習(xí)開辟了新的空間。另外,土木工程高等教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直存在著各種困擾。結(jié)合計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的嘗試和探索。

1 影響土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要問題

土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為兩大類:一類是材料類的實(shí)驗(yàn);另一類是構(gòu)件體系類的實(shí)驗(yàn)。其中材料類的實(shí)驗(yàn)占主要部分。首先要解決的是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地,每?jī)蓚€(gè)同學(xué)使用一臺(tái)儀器來(lái)計(jì)算,普通教室的面積最多只能容納部分學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,而且不同課程的實(shí)驗(yàn)需要不同的實(shí)驗(yàn)教室,因此,實(shí)驗(yàn)室所需要的面積大大增加。其次實(shí)驗(yàn)儀器也具有占地面積多,收納繁瑣,費(fèi)用高,易損壞等特點(diǎn)。如果不能滿足班級(jí)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,那就只能分批次進(jìn)行,這樣學(xué)生的實(shí)驗(yàn)被安排在不同的時(shí)間段,老師的工作量大大增加。

學(xué)生方面由于專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)準(zhǔn)備不充分,實(shí)驗(yàn)操作也只是“依葫蘆畫瓢”,按照老師的布置,自己動(dòng)一下手而已。對(duì)于材料的準(zhǔn)備,儀器的選擇,測(cè)讀的要求,以及原始數(shù)據(jù)的記錄要求和格式,報(bào)告的內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理等方面,并沒有一個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和鍛煉,不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思考,主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。甚至在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差和異常的時(shí)候,只是擅自修改結(jié)果而不是分析問題所在。這樣就造成了很多實(shí)驗(yàn)只是走過場(chǎng),并沒有最大限度開發(fā)學(xué)生自己動(dòng)手、自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考的能力。有的學(xué)生想要更高的實(shí)驗(yàn)要求,嘗試新方法,探索新問題,也不能在有限的實(shí)驗(yàn)課里實(shí)現(xiàn)自己的愿望。

2 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)演示

在土木工程專業(yè)課的教學(xué)過程中,很多專業(yè)課的技術(shù)要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)研究需要用實(shí)驗(yàn)演示來(lái)增強(qiáng)教學(xué)的效果和形象的驗(yàn)證,但是很多實(shí)驗(yàn)在課堂和實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作時(shí)需要很多準(zhǔn)備的時(shí)間和材料,而且課堂演示的效果也不能完全令人滿意,花費(fèi)的時(shí)間也很長(zhǎng),甚至有的具有一定的危險(xiǎn)性。如果采用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)重現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)過程,就可以解決以上這些問題,達(dá)到很好的演示效果。

計(jì)算機(jī)演示實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皯?yīng)用得最簡(jiǎn)單最普遍的就是視頻拍攝以后在課堂教學(xué)中播放。視頻演示非常逼真,特別是一些學(xué)校依據(jù)自身?xiàng)l件難以完成的大型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的視頻記錄,是非常寶貴的教學(xué)資源,可以使學(xué)生增長(zhǎng)知識(shí),開闊視野,了解課本之外的實(shí)驗(yàn)過程和成果。視頻演示實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)就是文件占用空間大,網(wǎng)絡(luò)傳輸速度慢,而且很多實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)拍攝困難,圖面質(zhì)量不高。

另外一種演示實(shí)驗(yàn)的手段是采用計(jì)算機(jī)制作的動(dòng)畫來(lái)演示實(shí)驗(yàn)過程和效果。比如采用美國(guó)Macromedia公司的Flash軟件制作。動(dòng)畫制作成本小,畫面清晰,美觀,并且可以通過程序控制演示的各種結(jié)果。Flash動(dòng)畫還可以嵌入網(wǎng)頁(yè),PPT演示文稿等。采用B/S結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)輔助演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在土木工程專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)上,可以發(fā)揮很大的作用。Flash動(dòng)畫制作的實(shí)驗(yàn)演示也存在不足之處,動(dòng)畫形象缺乏物理現(xiàn)象的真實(shí)性,因此可以把Flash動(dòng)畫和視頻演示相結(jié)合,為學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作做好準(zhǔn)備,同時(shí)可以幫助學(xué)生理解課堂上不實(shí)踐操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容部分,加強(qiáng)掌握專業(yè)知識(shí)的能力。

2.2 模擬仿真實(shí)驗(yàn)

基于計(jì)算的模擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是確定正確反映實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)特性的數(shù)學(xué)模型,然后通過對(duì)模型的計(jì)算,從而得到輸出,可以用圖形或三維動(dòng)畫輸出的結(jié)果。用計(jì)算機(jī)模擬仿真的軟件比較多,性能比較突出的主要是Math works公司的Matlab軟件和NI公司的LabVIEW虛擬儀器軟件。Matlab具有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境,人機(jī)交互性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行。程序語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用,并且具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力。Matlab還具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能,應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱。將其用于土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算,仿真實(shí)驗(yàn)和研究,是值得應(yīng)用的工具。

NI公司的LabVIEW則主要擅長(zhǎng)于計(jì)算的虛擬儀器。虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化的硬件結(jié)合起來(lái),用戶可以通過友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī),就像操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的儀器一樣,從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)的主題部分。典型的虛擬卡特系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、數(shù)據(jù)采集卡、硬件接口、信號(hào)調(diào)理部分、傳感器和連接電纜。

虛擬儀器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求功能多樣化,測(cè)試結(jié)果顯示多樣化(可能要求同時(shí)顯示數(shù)據(jù),曲線、波形等),測(cè)量要求可重復(fù)性好,操作簡(jiǎn)便等。傳統(tǒng)儀器組成的測(cè)試系統(tǒng)存在測(cè)試項(xiàng)目單一,靈活性差的特點(diǎn)。用虛擬儀器平臺(tái)可以高效靈活地組建用戶自己定義的測(cè)試儀器,充分滿足計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,可以替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中許多原有的分割獨(dú)立的儀器,并且具有開發(fā)成本低、周期短和維護(hù)方便等特點(diǎn)。

虛擬儀器應(yīng)用于土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下一些優(yōu)點(diǎn):1)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的集成,而且節(jié)省了器材占用的空間,節(jié)約了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資;2)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬儀器軟件LabVIEW功能的日益強(qiáng)大,為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)提供了一定的開發(fā)基礎(chǔ),且支持TCP和UDP協(xié)議,第三方程序可以用TCP,UDP方式通過網(wǎng)絡(luò)與LabVIEW虛擬儀器程序交換數(shù)據(jù),另外還提供了Active X客戶機(jī)程序和ActiveX服務(wù)器程序,可以在網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;3)低耗能、高效率。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需要的器材種類和數(shù)量限制較少,在使用中,器材損耗大大降低,并且由于試驗(yàn)準(zhǔn)備和分析處理的集成、精簡(jiǎn),實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的速度更為快捷,測(cè)量及分析處理的精確性大大提高,這樣使得實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作、快捷使用成為可能,從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

2.3 遠(yuǎn)程控制的設(shè)備共享遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn),由于試驗(yàn)設(shè)備的昂貴,如果能夠提供網(wǎng)絡(luò)共享,這將無(wú)疑最大程度地發(fā)揮其功能和效用,還可以避免資源的重復(fù)投資和閑置浪費(fèi)。目前,土木工程專業(yè)迅速發(fā)展,實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)驗(yàn)師資不足,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源也遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上專業(yè)發(fā)展的要求。而建立基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn),則可以提高設(shè)備的利用率,學(xué)生自主登錄,遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并通過網(wǎng)絡(luò)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本地機(jī)再根據(jù)數(shù)據(jù)圖形化仿真顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。遠(yuǎn)程控制的虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅應(yīng)用了遠(yuǎn)程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),也涉及多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。學(xué)生可通過因特網(wǎng)登錄進(jìn)入該虛擬實(shí)驗(yàn)室,自主安排時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也可觀看他人實(shí)驗(yàn),并可以反復(fù)進(jìn)行操作。

通過遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn),可以不受時(shí)間、空間限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn),提高了設(shè)備利用率,也可以供距離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和設(shè)備遠(yuǎn)的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)的誤操作,系統(tǒng)還可以提示、警示,避免有損壞性操作,有效地保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。

2.4 計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用為土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)有力的輔助作用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速前進(jìn),計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)也一定會(huì)得到快速的發(fā)展。讓我們一起來(lái)展望其發(fā)展的趨勢(shì):演示性實(shí)驗(yàn)向增加三維演示、互動(dòng)演示發(fā)展;基于計(jì)算的仿真模擬實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型的建立,使模型能更好的反映客觀現(xiàn)實(shí),開發(fā)更多方便的專用軟件工具包;基于遠(yuǎn)程控制的試驗(yàn)更是存在很大的發(fā)展空間,其將來(lái)會(huì)朝著實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)反饋、設(shè)備共享、信息共享的多功能多元化的方向發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展具有不可估量的前景和應(yīng)用,其并不能完全代替實(shí)際的真實(shí)實(shí)驗(yàn),但是它可以有效地提高學(xué)生認(rèn)識(shí)專業(yè)科學(xué)知識(shí)現(xiàn)象,可以幫助學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)手段和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且可以嘗試不同的實(shí)驗(yàn)過程帶來(lái)的不同實(shí)驗(yàn)成果,使得學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn),掌握技能,同時(shí)在開發(fā)學(xué)習(xí)興趣等方面具有很重要的實(shí)際意義。計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)影響著我們的學(xué)習(xí)和生活,也為我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑。

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