基于仿真技術(shù)的橋梁課程實驗教學系統(tǒng)研究

趙寧雨　蔣海飛

摘要：針對橋梁課程實驗教學中受實驗設(shè)備和場地的限制，使教學時數(shù)和橋型實驗種類受到制約；實驗設(shè)備更新升級代價高，實驗方法更新慢；設(shè)計性和創(chuàng)新型實驗較難實現(xiàn)等問題，提出了一種基于仿真技術(shù)的橋梁課程實驗教學系統(tǒng)。建立了其體系結(jié)構(gòu)，并對開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述。開發(fā)的仿真系統(tǒng)得到了應用實施，證明了其較高的實用性。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；橋梁結(jié)構(gòu)；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）29-0267-02

一、引言

實驗教學架起了理論和實踐的橋梁，并對培養(yǎng)學生正確的分析方法和解決問題的能力有著不可替代的作用[1，2]。傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)實驗教學中存在一些問題和不足：（1）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗教學受實驗設(shè)備和場地的限制，使教學時數(shù)和橋型實驗種類受到制約，分組中的學生人數(shù)多，組員不能都得到操作機會；（2）實驗設(shè)備更新升級代價高，實驗方法更新慢；（3）較難實現(xiàn)培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力的設(shè)計性實驗和創(chuàng)新型實驗。因此發(fā)展構(gòu)建一套新的適應于高等教育大發(fā)展形勢下的橋梁結(jié)構(gòu)實驗教學方法和系統(tǒng)是很有必要的。

目前國內(nèi)外針對實驗教學改革的研究取得了很多成果，但大都集中在實驗室管理、教學體系改革[3，4]、學生考評機制等方面。針對實驗儀器、實驗平臺的集成和系統(tǒng)開發(fā)的還很少，開發(fā)利用仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，整合現(xiàn)有的儀器設(shè)備和實驗平臺，發(fā)揮計算機仿真、圖形化的和數(shù)據(jù)管理等功能的實驗系統(tǒng)，使之能夠開發(fā)功能更多，集成性能更好，能滿足多教學人數(shù)和設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗，以減少實驗儀器的課堂使用時間，具有重要的意義。本文基于橋梁工程理論課程對結(jié)構(gòu)實驗仿真系統(tǒng)的要求，利用計算機仿真組件技術(shù)，在研究橋梁結(jié)構(gòu)試驗課程仿真實驗教學系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)了橋梁課程結(jié)構(gòu)仿真實驗系統(tǒng)并進行了教學實踐。

二、基于仿真技術(shù)的橋梁課程實驗教學系統(tǒng)

1.系統(tǒng)的總體架構(gòu)及功能。系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)分為四層，如圖1所示：第一層為實驗儀器、實驗橋型和實驗方法的數(shù)據(jù)庫支撐層，是整個系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第二層為實驗儀器和橋型的組件層，基于組件技術(shù)的思想，將實驗設(shè)備、橋梁結(jié)構(gòu)組件與實驗方法等定義成組件模塊；第三層為功能層，通過調(diào)用各組件實現(xiàn)不同實驗目的實驗教學仿真體系；第四層為用戶操作層，實現(xiàn)人機交互。

系統(tǒng)以實現(xiàn)橋梁課程實驗仿真為目的。仿真實驗系統(tǒng)的每一功能層的功能為：（1）儀器設(shè)備模型庫：負責實驗儀器設(shè)備組件的管理，具有在模型庫中新增、刪除實驗儀器設(shè)備組建的功能。（2）橋梁構(gòu)件模型和橋梁種類模型庫：負責橋梁構(gòu)件和橋梁種類組件庫的管理，具有在模型庫中新增、刪除橋梁構(gòu)件模型和橋梁種類模型的功能。（3）實驗建模：用戶可以將實驗設(shè)備組件庫和橋梁組件和橋梁種類庫中的儀器設(shè)備模型塊拖動到主窗體中，并對模型的屬性等參數(shù)進行定義，通過拖動組件可靈活構(gòu)建不同功能和性質(zhì)的仿真實驗教學模型。（4）仿真實驗運行：通過定義仿真實驗的儀器設(shè)備和實驗對象橋梁結(jié)構(gòu)模型及其運行參數(shù)后，啟動仿真運行，在此過程中調(diào)用各仿真算法組件函數(shù)。（5）實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析：能對仿真實驗運行過程中的各種實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并能以各種統(tǒng)計圖表的方式進行顯示。

（二）系統(tǒng)的運行流程

如圖2所示，仿真橋梁課程實驗教學系統(tǒng)運行流程為：實驗者登錄后，可選擇進入模型庫，對各種組件進行管理；也可以直接進入仿真實驗主窗口，通過拖動儀器設(shè)備組件和實驗橋梁組件模型在主窗口內(nèi)組裝來建立實驗模型，也可以直接調(diào)用已存儲的實驗模型；然后設(shè)置儀器設(shè)備的測試參數(shù)、實驗橋梁組件模型和橋梁種類模型的參數(shù)；啟動仿真運行后，系統(tǒng)會自動調(diào)用組件函數(shù)來完成仿真實驗，并記錄下各相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，同時可調(diào)用實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析組件，通過圖、表等顯示仿真實驗結(jié)果，并形成實驗報表。

三、橋梁課程實驗教學系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.建立實驗設(shè)備組件模型、實驗橋梁組件模型和橋梁種類模型組建庫實現(xiàn)多類型實驗。橋梁課程實驗的實驗設(shè)備、橋梁結(jié)構(gòu)種類、實驗手段和實驗目的比較固定，這使構(gòu)建仿真實驗教學系統(tǒng)的橋梁組件模型和橋梁種類模型、實驗設(shè)備模型變得可行。首先，對各組件的實驗屬性進行功能分析，對具有相同參數(shù)和特征的儀器設(shè)備和橋梁組件進行抽象建模。然后，對這些模型的屬性和方法進行封裝。最后，實驗者只需通過拖動組件模型，修改少許屬性，就能定義出選定實驗課程的儀器和實驗對象組件庫，再進行特定的組合，就能靈活實現(xiàn)仿真實驗建模。

2.基于組建技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)。對不同的實驗課程，實驗對象是具有不同結(jié)構(gòu)形式的各種橋梁，采用橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件組件建模的方法，可使仿真試驗教學系統(tǒng)具有較高柔性，能適應不同橋梁結(jié)構(gòu)實驗的要求。系統(tǒng)實現(xiàn)了對實驗設(shè)備組件和橋梁模型構(gòu)件的拖放功能，實驗者可從模型庫中拖動組件來定義實驗。其實現(xiàn)方法為：（1）拖動組件的實現(xiàn)方法：在組件中設(shè)置拖放事件方法及其接口。拖放事件方法包括：拖放過程中儀器設(shè)備的圖像顯示、拖動動態(tài)效果曾強。實現(xiàn)方法為：將拖放屬性設(shè)為自動。當鼠標按住設(shè)備組件并拖動時觸發(fā)拖放事件。設(shè)備組件拖動到布局窗體內(nèi)放開鼠標時，會觸發(fā)該事件，在布局窗體內(nèi)預先寫好事件函數(shù)來響應此事件。（2）封裝的實現(xiàn)：目前，可用于實現(xiàn)以上組件封裝技術(shù)的工具有很多，本文的實驗仿真系統(tǒng)采用擁有ActiveX快速開發(fā)組件的VB6.0進行開發(fā)。將定義的實驗設(shè)備和橋梁構(gòu)件組件的事件函數(shù)和屬性分別寫好，然后編寫對應的事件處理函數(shù)將這些事件和屬性集成起來。使用該工具可極大地減少定制組件的工作量。

四、案例

本文研究開發(fā)的基于仿真技術(shù)的橋梁課程實驗教學系統(tǒng)，進行了實驗教學應用，取得了良好的效果。通過應用實驗仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)了對橋梁課程實驗的動態(tài)建模；通過仿真教學解決了實驗設(shè)備和場地的限制，提高了教學時數(shù)和橋型實驗種類；改善了學生的動手條件；同時，提供了一種實驗設(shè)備和實驗方法更新升級，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力的設(shè)計性實驗和創(chuàng)新型實驗的手段。

五、結(jié)論

本文基于橋梁課程實驗教學的需求，利用計算機仿真技術(shù)的優(yōu)點，研究了基于實驗課程教學需求的實驗仿真系統(tǒng)的架構(gòu)，并利用組件技術(shù)開發(fā)了橋梁課程實驗教學仿真系統(tǒng)。

1.建立了基于仿真技術(shù)的橋梁工程實驗課程仿真教學系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)；

2.通過建立實驗儀器設(shè)備和橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件組件庫來實現(xiàn)教學實驗的組合建模；

3.運用拖放事件技術(shù)實現(xiàn)了實驗儀器模型和不同結(jié)構(gòu)實驗橋梁模型的動態(tài)定義，系統(tǒng)擁有足夠柔性和擴展性。

最后，該橋梁實驗教學仿真系統(tǒng)得到了教學應用實踐，取得了良好的教學效果。

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