基于flash的瀝青虛擬仿真實驗設計

孫艷娜 趙鴻鐸 孫大權

摘要：瀝青材料是《道路工程材料》課程重點講授的內容，受教學資源和時間的限制，在實驗教學中學生只能進行最精華部分的測試。虛擬實驗不受時間、空間的限制，并且具有不計成本反復演練等優點。依托同濟大學交通運輸工程學院的上海市級實驗教學示范中心，開發了瀝青虛擬仿真實驗系統。該瀝青虛擬仿真實驗系統與實際瀝青實驗密切結合，涵蓋了瀝青最為基本的三大指標實驗，通過這些實驗，學生可以較為直觀地學習瀝青性能測試方法，理解瀝青的高溫性能、低溫性能、黏彈性能和延展性能，具有很好的學習效果。

關鍵詞：道路工程材料;瀝青實驗;虛擬實驗

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0265-02

瀝青材料是一種黏彈塑性材料，對溫度和時間的依賴性很大，是《道路工程材料》課程重點講授的內容[1]。課程內容包括瀝青的分類、組成、結構、生產工藝和物理性質等，以及道路工程中應具備的路用性能和技術要求等，具有知識點多、符號多、概念抽象、測試方法多樣等特點。該部分內容是學生學習的難點，也是教學大綱的教學重點。一般在理論教學之后安排相關的實驗教學，在實驗課程中存在一些問題，具體如下：（1）學生人數較多，實驗教學資源有限，只能進行分組測試，無法做到人人都動手操作，更不能保證實驗失敗后的更正實驗、多次實驗[2]。（2）實驗教學時間有限，在短短的實驗課上同學們只能進行最精華部分的測試，對于實驗前的準備、試件的制備以及測試結束后模具的清洗等，只能了解，不能實際操作[3]。虛擬實驗則不受時間、空間的限制，并且具有不計成本反復演練等優點，已成為實驗教學關注的熱點，國內外很多高校都開展了各種類型的虛擬仿真實驗，建立了虛擬仿真實驗平臺。

本文論述的瀝青虛擬仿真實驗系統與實際瀝青實驗密切結合，涵蓋了瀝青最為基本的三大指標實驗（針入度實驗、軟化點實驗、延度實驗），通過這些實驗，學生可以較為直觀地學習瀝青性能測試方法，理解瀝青的高溫性能、低溫性能、黏彈性能和延展性能，具有很好的學習效果。

一、虛擬仿真實驗的開發

1.實驗功能設計。瀝青虛擬仿真實驗包括實驗準備、實驗操作和實驗結果三部分。實驗準備主要是介紹實驗儀器的規格、用途和使用方法，講解實驗的原理、目的、意義和步驟，同時將實驗規范濃縮成精華版的簡易規范，方便學生查閱。

實驗操作包括演示錄像和自主實驗兩部分。演示錄像錄制的是專業實驗人員按規范流程操作的實驗過程，同時配上必要的原理和步驟講解;自主實驗部分則是利用虛擬實驗軟件，為學生提供虛擬的實驗情景、儀器和材料等，學生可根據規范或自行設計的步驟進行操作，自主完成實驗。

實驗結果分為結果評價和實驗報告兩部分。結果評價不僅可以評價學生的虛擬實驗結果是否接近真實實驗，還能根據學生在虛擬實驗操作環節的表現來打分，以此反映學生對該實驗的掌握程度，最后將學生的自主操作和規范操作做列表對比，加深記憶;實驗報告是依據實驗操作過程，針對實驗現象和結果，填寫實驗報告，可以作為存儲數據。

2.儀器模塊化設計。項目選用Flash作為開發軟件。

瀝青實驗需要特定的儀器，比如：針入度儀、軟化點儀、測力延度儀等，為了讓學生準確地認識、操作這些儀器，也為了避免在虛擬仿真實驗程序中重新編制這些儀器的圖像和功能，將這些儀器制作成固定的動畫模塊。在Flash制作過程中，可根據實際需要添加使用，非常方便簡潔。

瀝青實驗中，時間周期較長，比如瀝青加熱到150℃大概需要2h;針入度實驗中：盛樣皿在室溫下冷卻不小于1.5h，移入25℃的恒溫水槽不小于1.5h，整個針入度實驗，大概需要5h—6h。考慮到真實實驗轉化成虛擬實驗的可操作性，本實驗系統引入“時間軸”的概念。時間軸是把一段時間以一條或多條線表達，具體就是采用一個可調整時間流速的時鐘來“操控”時間。該時鐘具有正常、2倍速、10倍速、50倍速四個檔，學生可以在加熱瀝青或試樣冷卻過程中將時間撥快，如采用50倍速，原本的2h只需要2.4min，這樣的技術并不妨礙學生對實驗的理解和實驗結果的準確性，還可以節省時間。

3.開放設計和結果控制。瀝青虛擬仿真實驗采用完全開放的控制形式進行設計，即實驗過程中學生可以隨意移動儀器、進行任何操作。虛擬實驗放寬了對過程的限制，卻加大對實驗結果的控制。學生雖然可以自由進行實驗，但其實驗結果會隨著不同操作的影響而變化，這與真實相符，也體現了系統的智能性。實驗結果評價環節分為結果偏差影響、分數評價和步驟對比。（1）結果偏差影響。瀝青實驗受溫度、時間等因素影響很大，如瀝青加熱時間直接影響瀝青的溫度，進而影響瀝青的性能（如：溫度太高，瀝青會老化，針入度值會減小）;瀝青在水浴中保溫時間長短等。針對這些情況，設定了實驗結果偏差機制：如果實驗完全按照規范進行，將對應一個實驗結果標準值;如果學生在操作過程中，出現了儀器溫度設定不當、材料加熱或冷卻時間不對等失誤，實驗結果相對于標準值就會上下浮動，浮動幅度由實驗特性決定。學生可以通過實驗結果的異常反思自己的操作，從而進行改正。（2）分數評價。如何準確地反饋學生操作是否得當，最直接的方法是采用分數來評價。基于“扣分法”的思想建立了結果評價模型，即用滿分100分減去操作不當產生的失誤分數，得到就是反映學生操作水平的分數，分數越高，操作越規范。失誤分數來源于儀器操作不當、實驗步驟的缺失或順序不對、溫度設置錯誤，以及加熱/冷卻時間超出范圍等。（3）步驟對比。為了幫助學生在實驗后更好地回憶自己在操作過程中的失誤，用文本列出學生實際操作步驟，通過與正確實驗步驟的對比，學生方便進行自我糾正、復合和鞏固[4]。

4.開發流程。瀝青虛擬仿真實驗的開發流程如下：（1）根據瀝青實驗規范要求以及瀝青實驗的知識點，寫出虛擬實驗的操作腳本，明確學生實驗操作要完成的內容、步驟，制定虛擬實驗的整體方案;（2）收集實驗材料、儀器圖像資料等，采用Flash軟件制作虛擬材料模塊、儀器模塊、虛擬動畫等;（3）對虛擬動畫進行交互設計，保證不同的操作產生不同的動畫效果，并能模擬因為學生的參與出現的實驗結果偏差，通過不斷測試和優化，完善動畫應用程序;（4）為每一項錯誤操作設定一定的分值，實驗結束后，后臺自動計算實驗項目的得分值，并自動記錄學生的操作步驟。

二、結語

同濟大學交通運輸工程學院自2000年開設《道路工程材料》課程以來，一直秉承著實驗教學和理論教學相結合的原則，將實驗教學與課堂理論教學緊密結合起來。自2014年開發了瀝青虛擬仿真實驗系統以來，又將虛擬仿真實驗和真實實驗結合起來。實驗前同學們首先通過觀看演示錄像自學，了解實驗過程;然后采用虛擬仿真實驗系統進行實驗模擬，掌握實驗誤區，并在虛擬實驗中得到糾正;之后在真實實驗室親自動手操作，鍛煉動手能力;最后再采用虛擬仿真實驗進行鞏固，提高學習的效率。經過幾批學生的實踐，效果良好。

參考文獻：

[1]李立寒，孫大權，等.道路工程材料[M].北京：人民交通出版社，2018.

[2]尹萍.淺談_道路建筑材料_課程教學改革[J].科技創新導報，2009，（14）：141-142.

[3]孫艷娜，孫大權.實驗教學中開展虛實結合的教學模式探討與實踐——以道路工程材料實驗為例[J].教育教學論壇，2016，39（9）：129-131.

[4]胡敏，王梅.分布式虛擬現實中數據分發管理算法研究[J].計算機與數字工程，2011，39（001）：45-47.