多媒體技術在結構試驗教學中的應用

柳獻　王輝

摘要：試驗教學是土木工程專業教育的重要環節之一，多媒體信息技術的發展為結構試驗教學提供了便利。文章以盾構隧道極限承載力試驗為例，詳細介紹了多媒體試驗視頻的制作過程，并對多媒體信息技術在土木工程結構試驗教學中的應用效果進行了評價。

關鍵詞：多媒體信息技術；土木工程專業；結構試驗；教學改革

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2015）04014704

一、土木工程結構試驗教學改革的必要性

隨著我國經濟和城市化進程的迅速發展，土木工程專業進入了一個全新的發展階段。高速鐵路、大跨橋梁、超高層結構、綜合地下空間工程建設如火如荼，亟需大批具有扎實專業知識技能、技術應用能力和實踐創新能力的專業技術人才[1-2]。因此，如何不斷提高土木工程專業教學質量，加強創新能力的培養成為高等教育的重要課題。試驗教學是土木工程專業學生掌握試驗方法和技能、提高工程和創新能力的重要手段之一。

目前的試驗教學中還存在若干問題亟需解決[3-4]：（1）“重理論，輕實踐”的教學觀念。本科生的試驗教學一直處于弱勢地位，學生參與試驗多數抱著敷衍了事的心態。（2）教學內容單一陳舊。由于試驗條件的限制和試驗教學設計的復雜性，目前國內大多數院校的土木工程專業試驗均作為理論課的“附屬物”，教學內容以常規性、驗證性材料或簡單構件試驗為主，基本沒有開展工程意義更強的結構試驗。（3）教學方法單一。以灌輸式教學為主，學生處于被動學習狀態，難以真正提起興趣。

同時，大型土木工程結構試驗周期長，試驗過程復雜，且具有一定的破壞性和危險性，學生直接參與和操作試驗比較困難。教學方法和理念的陳舊，以及土木工程結構試驗自身的特點大大制約了結構試驗教學的發展。而近年來迅速興起的多媒體信息技術使解決這一難題成為可能，通過多媒體技術對結構試驗全過程進行記錄，并加以后期處理，用于試驗教學，有利于激發學生學習興趣，提高教學效果。

二、盾構隧道極限承載力試驗視頻制作

試驗教學視頻基于土木工程專業結構試驗制作，在整個拍攝和制作過程中有一些問題需要特別注意。首先，視頻內容專業性強。視頻將表現大型土木工程結構試驗全過程，制作視頻需要對整個試驗過程有較為深入的了解和認識。因此，試驗參與人員將完成視頻腳本的撰寫，并參與指導視頻制作全過程，對于跨學科知識要求高。其次，大型土木工程結構試驗準備工作復雜，試驗周期長，需要消耗大量人力、物力，一般都是結合教師科研課題進行，視頻素材的采集過程必然受到試驗進展和場地等各方面因素的限制。因此，在視頻采集前需要明確拍攝目的和內容，擬定信息采集流程并嚴格執行。

文章結合同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系所進行的地鐵盾構隧道極限承載力試驗[6]，如圖 1，針對土木工程結構試驗的視頻制作與應用展開討論。

圖1 地鐵盾構隧道極限承載力試驗

（一）試驗概況

盾構隧道一般采用預制管片拼裝式的襯砌結構，荷載作用下襯砌結構的徑向位移、管片間接縫內外張合位移是衡量其結構變形狀態的基本指標。本試驗以典型盾構隧道襯砌結構為背景，進行圓形隧道通縫拼裝襯砌結構極限承載試驗，探求隧道結構襯砌環受荷后變形特征，獲得結構極限承載力，分析結構變形隨荷載發展規律，指導工程實踐。

試驗采用的鋼筋混凝土預制管片厚度0.35 m，環寬（沿隧道縱向尺寸）1.2 m。拼裝出的圓環襯砌結構外徑6.2 m，內徑5.5 m。全環分為4種類型的6塊預制管片，如圖1所示，包括1個封頂塊（F塊）、2個鄰接塊（L1和L2塊）、2個標準塊（B1和B2塊）和1個底塊（D塊）。根據地鐵圓形盾構隧道襯砌結構受力特點，多個集中荷載近似地層壓力分布荷載。圓形裝配式襯砌環水平放置，由24個拉桿式反力架形成匯于中心鋼環的對拉加載框架12對，整個加載裝置構成一個自平衡體系，如圖 2。

圖2 加載裝置布置平面圖

整個試驗從設計準備至后期數據處理全周期長達1年時間，如此大規模長周期的結構試驗很難組織學生進行試驗現場的參觀學習，因此，采用多媒體信息技術對試驗設計、實施、收尾全過程進行記錄，并配以解說，用于課題教學，讓學生全面了解試驗過程。同時，對于本試驗而言，完整試驗過程的視頻記錄十分重要。由于地鐵盾構隧道極限承載力試驗參與人員眾多，試驗加載持續時間長，涉及因素眾多，在試驗全過程中，試驗人員難以完整記錄試驗現象，在試驗結束后也很難重現試驗現象。試驗全過程的視頻記錄可較為完整地記錄試驗實施過程及期間發生的各種試驗現象，在一定程度上突破時間的限制，把一次性不可重復的試驗過程變成可反復觀察、研究的多媒體信息資料，以便于后期試驗的分析和研究。

（二）試驗視頻制作

盾構隧道極限承載力試驗視頻制作過程包括腳本撰寫、素材采集和后期制作三個步驟，視頻涉及大量土木工程專業知識，試驗人員全程參與視頻制作。

1. 腳本撰寫

試驗多媒體視頻的基礎是設計視頻內容框架，撰寫視頻腳本。腳本的好壞直接關系到素材采集的完整性和可行性，乃至于最終的視頻質量。由于學科差異較大，視頻素材采集和制作人員在土木工程專業知識上存在明顯空缺。因此，視頻腳本務必要通俗易懂、可操作性強。

首先，明確拍攝目的。本視頻基于地鐵盾構隧道極限承載力試驗，通過記錄試驗準備、試驗設計、試驗實施和試驗結果處理和現象分析的全過程，為土木工程結構試驗教學提供素材和依據。因而，視頻重點應為試驗各部分原理、設計思路的介紹和試驗過程的完整記錄。

其次，設計視頻完整框架。視頻框架與試驗進行的流程一致，主要包括試驗背景、試驗目的、試驗設計、試驗過程和試驗結果五個部分，按照時間的順序清晰完整地展現整個盾構隧道極限承載力試驗設計、實施和后期結果處理全過程。

最后，撰寫試驗視頻腳本。腳本內容根據試驗先后順序分為五個部分。

（1）引言。地鐵盾構隧道極限承載力試驗由同濟大學土木工程學院、上海申通地鐵集團技術中心、上海隧道工程設計院、上海隧道股份有限公司共同實施完成。

（2）試驗背景和目的。上海地鐵盾構隧道投入運營多年，逐漸進入襯砌結構的頻繁維護期。為確保襯砌結構的安全，需要對地鐵襯砌結構的承載性能有進一步的研究，了解結構變形特征和安全系數，探求運營地鐵隧道襯砌結構維護的理論依據和技術手段，為此特進行盾構隧道極限承載力試驗研究。

（3）試驗設計。試驗設計主要包括設計準備工作、試驗場地、試件介紹、加載系統和測量系統。試驗設計前進行了大量的調研準備工作，對相關試驗的設計和實施進行了深入研究，并結合理論計算確定試驗各加載點荷載比值。試驗在同濟大學抗火實驗室進行，實驗室內設施齊全、空間寬敞，適宜進行本次試驗。本次試驗采用的試件為上海市盾構隧道標準襯砌試件，試驗加載經過精心設計，為模擬盾構隧道襯砌結構在土體中受力情況，采用3組24點徑向加載。試驗測量系統以機械測量與光學測量兩種方法結合，更加準確地觀察和描述試驗現象，測量的主要內容包括徑向位移、接縫張開、接縫錯臺、混凝土應變和螺栓應變。

（4）試驗過程。試驗過程主要包括荷載設計和控制程序、試驗準備、試驗過程和試驗收尾工作。加載過程前半段為荷載控制階段，后程為位移控制階段，模擬實際工況中側向土壓力達到被動土壓力后不再增加的情況，同時定義了試件的破壞標志。試驗準備階段的主要工作包括場地布置、吊裝襯砌管片和加載裝置、測件安裝和預加載。在試驗人員檢查測量設備、準備測量記錄試驗現象后，正式加載開始。試驗卸載后再次描繪襯砌結構上裂縫開展情況，現場對管片進行拆卸。

（5）試驗成果。通過盾構隧道極限承載力試驗獲得了測試數據整理報告和上海地鐵襯砌整環結構極限承載力試驗研究綜合報告，主要包括襯砌結構分析計算結果和試驗測試結果的比較分析，試驗研究主要結論以及運營隧道襯砌結構修復加固建議指南。

2.素材收集

相比于普通多媒體視頻制作的素材采集過程，試驗視頻的素材采集過程在很大程度上受試驗進度制約。試驗的設計準備階段時間跨度長，素材采集有選擇地針對其中關鍵部分進行拍攝。而盾構隧道襯砌結構的正式加載時間持續大約12個小時，各加載步驟和數據采集均按照試驗前制定的流程操作，需要采集內容集中且不可重復，所以特設置多臺相機，嚴格按照視頻腳本進行素材采集。合理安排采集進度和正確選擇采集內容保證了素材收集的完整性，提高了工作效率，素材采集工作有條不紊地進行。

同時，為防止視頻制作人員因土木工程專業知識的欠缺導致對素材采集重點把握的不準確，每次素材采集前試驗人員會按照視頻腳本再次明確素材采集內容，保證素材收集的完整性。

3. 后期制作

完成視頻素材收集后，根據視頻腳本進行，對所收集素材進行剪輯、選擇、整合與變換，制作盾構隧道極限承載力試驗視頻多媒體文件。后期制作的主要工作包括素材剪輯整合和視頻配音兩個部分。

（1）素材剪輯整合。為滿足結構試驗課堂教學要求，整個視頻的長度控制在30分鐘以內。視頻需要完整展現整個試驗從設計準備到結束收尾全過程，使學生對結構試驗整體流程有清晰的認識。因此，試驗視頻需具有簡潔性和完整性。視頻腳本對所拍攝的視頻素材進行篩選，剔除重復和次要內容，將篩選后的視頻素材與文字、音頻和圖片素材有機組合，輔以視頻過渡動畫，完成視頻初稿。

（2）視頻配音。試驗參與人員對照視頻原稿和腳本文件，完成配音講稿的撰寫，如表1，再應用專業音頻處理軟件進行視頻的配音工作。

完成視頻內容制作后，按照相應的格式將視頻文件導出，便于其發布和播放。

（三）視頻多媒體的應用

大型土木工程結構試驗，由于場地和試驗進度等條件限制，往往難以大范圍組織學生現場參觀或參與。試驗原理和試驗過程的講述較為抽象，學生大多時候只能機械記憶試驗內容和方法，對試驗設計的原理過程和具體的操作沒有深入理解。本視頻完整記錄了盾構隧道襯砌結構極限承載力試驗從設計準備到試驗收尾的全過程，通過對各部分原理和具體操作的具象展示，其用于課堂教學之中，相比于傳統的試驗教學有巨大優勢。

（1）激發學習興趣，提高學習熱情。運用視頻系統記錄土木工程結構試驗全過程，通過后期剪輯制作，形成完整試驗視頻。試驗視頻圖文并茂、視聽一體，便于學生接受，有利于提高學生學習興趣。

（2）全方位刺激感官，提高教學效果。相比于傳統課堂教學，多媒體信息技術用于試驗教學，為學生提供聽覺和視覺上更全面的感官刺激，有利于提高教學效果。

此外，大型土木工程結構試驗準備周期長、試驗費用高，多媒體視頻完整記錄試驗過程，借助其傳播途徑的便捷性，更多學生接觸此類試驗、了解實驗過程，享受優質教育資源，實現教育資源的公開化、公平化。

三、結語

結合盾構隧道極限承載力試驗，文章

系統介紹了多媒體試驗視頻制作從腳本撰寫、素材收集到后期制作的全過程，并討論了試驗視頻的應用效果。課堂教學中利用多媒體信息處理技術記錄土木工程結構試驗全過程，有利于激發學生學習興趣，提高試驗教學效果，并推動優質教育資源的公開化、公平化，具有很好的應用前景。參考文獻：

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