土力學虛擬三軸實驗教學平臺的開發及應用

曹 培，張陳蓉，錢建固

（同濟大學 土木學院 地下建筑與工程系，上海 200092）

土力學是大土木工程專業課程教學體系中非常重要的專業基礎課，而土力學實驗則是土力學教學中不可或缺的實踐性教學環節。作為連接土力學基本理論與工程應用的“橋梁”，土力學實驗不僅促進了土力學基本理論的發展，而且推動了理論在工程實際中的應用[1]。土力學實驗教學的開展，既可以加強學生對土力學基本原理的深入理解和掌握，又能豐富學生對土體物理和力學特性的感性認識，同時還可以培養學生的實踐動手能力，激發學生的創新意識和創新思維，有利于培養學生的工程意識和綜合素質，是工程教育中必不可少的組成部分[2-4]。三軸剪切實驗是土力學實驗中一項重要的力學實驗，是測定土體抗剪強度的常用方法，是研究土的靜、動力學特性和砂土液化的主要實驗方法，也是研究土體本構關系的主要手段。三軸剪切實驗融合了土力學中的有效應力原理、固結理論和強度理論等重要概念，因此熟練掌握三軸實驗不僅是學好土力學的關鍵，而且可以為學生今后從事土木、交通工程設計和施工工作打下良好的基礎。

然而，在實際的實驗教學中，現有的實驗條件很難滿足三軸實驗的教學要求。首先，學生數量多而實驗儀器少是目前三軸實驗教學中的主要矛盾之一，無法實現學生進行獨立操作的教學目標，實驗教師也無法對學生的掌握程度進行準確評估[5]。其次，由于三軸實驗操作復雜，實驗所需時間較長，尤其是黏性土的三軸排水剪切實驗，實驗周期長達數天，而學生的實驗課時卻很有限，因此在實際教學中往往采取演示實驗的教學方式，這樣不容易激發學生的學習興趣，對學生理解掌握實驗原理及實際的教學效果都會產生不利的影響[6]。

近年來，虛擬仿真技術因其投入小、操作靈活、適用范圍大等優點，逐漸成為實驗教學的輔助手段[7]。作為彌補并促進實體實驗教學的重要手段，虛擬仿真技術綜合運用了前沿的數字仿真和信息化科學技術，改變了傳統的實驗教學方法，克服了實體實驗在場地、儀器、課時等方面的不足和局限，使學生能夠更靈活地安排實驗、更好地完成實驗，從而達到提高教學效果的目的，并最終提高學生的實踐能力和創新精神。傳統實驗室以實體和精煉為特色，而虛擬實驗室則以在線和廣泛為特色，兩者互為補充，相得益彰。

基于此，本文基于我校自主研發的 iS3智慧平臺（infrastructure smart service system，簡稱iS3）[8]，開發了土力學三軸剪切實驗虛擬仿真教學平臺，并將其應用到大土木工程專業本科生的土力學實驗教學和實驗培訓等方面。利用該虛擬仿真實驗平臺探索了虛實結合的實驗教學模式，使學生能夠較快地熟悉和掌握實驗設備及操作流程，學生也可以根據需求進行自主學習，隨時隨地開展虛擬三軸實驗操作，提高學習的積極性和主動性。同時，實驗教師可以通過系統后臺的操作數據和反饋信息，及時了解學生對實驗的掌握程度，對教學效果進行實時評估。

此外，2020年春季，一場突如其來的疫情使得線下實體教學變得暫不可行，在教育部“停課不停學”的號召下，各學校都在大力開展線上教學。如何開發和利用虛擬仿真實驗資源開展線上實驗教學并且保證實驗教學效果，成為各學校實驗教學關注的重點。本文對我校土力學三軸剪切實驗虛擬仿真教學平臺的開發和應用進行了介紹，以期為各高校虛擬仿真實驗平臺的開發和建設提供借鑒與幫助。

1 虛擬三軸平臺的設計

本著“虛實結合，以虛補實”的設計思路，遵循“教—學—用—創新”的教學規律和認知流程，將理論知識、實驗技能、實踐應用和創新思維融入貫穿到整個設計流程[4]，建立多模塊、多層次和多模式的高質量虛擬實驗系統，以達到解決土力學實驗教學中的實際問題、提高學生的實踐能力和創新能力的目的。總體上，土力學三軸剪切實驗虛擬仿真平臺的設計原則主要包括以下3個方面：

（1）真實可靠。真實性是虛擬仿真實驗系統的設計重點，主要表現在兩個方面：一是虛擬實驗系統的實驗過程要遵循土力學的基本原理，其模擬結果要符合土的力學規律，具有可重復性；二是虛擬系統中的實驗環境要趨于真實，通過逼真地模擬還原實驗設備、輔助工具、實驗材料和實驗場地等，從視覺、聽覺、觸覺等不同方面帶給學生真實的實驗體驗[9]。

（2）實用性強。虛擬實驗系統要扮演好實驗教學好幫手的角色，能夠切切實實應用到實驗教學過程中去，界面要人性化，操作要簡單方便，既要滿足土力學實驗教學的目標，還要兼顧科研實驗培訓的需求。同時，要充分利用互聯網實時開放的特點，將虛擬實驗平臺打造成開放共享的網絡平臺，實現教學資源的開放共享和高效利用，便于該虛擬平臺在同行業推廣。

（3）交互性強。充分利用iS3平臺的自主研發優勢，根據三軸剪切實驗的特點和教學要求，最大限度地保障虛擬實驗系統內容的豐富性和趣味性，構建“沉浸式”和“交互式”的實驗情境，而不是只提供簡單的動畫視頻播放。在實驗過程中學生能夠結合工程斷面選取實驗土樣、拆分和組裝儀器設備、設置實驗加載參數、選取剪切方式、處理實驗數據等，系統對學生的實驗過程可以自動進行實時評判，以便給學生提供有效的學習反饋和充足的練習機會，從而提高學習效率和互動體驗。

2 虛擬三軸平臺的建設

2.1 實驗系統的組成

本虛擬實驗系統主要由權限模塊、原理模塊、操作模塊、數據模塊和考核模塊共5個功能模塊組成，在使用中有教學模式、學習模式和考核模式3種用戶模式可供選擇，每種模式由土樣獲取、試樣制備安裝、儀器操作和數據處理4大流程組成。系統的框架結構如圖1所示。

圖1 土力學虛擬三軸實驗教學平臺的組織框架

本虛擬平臺提供教師和學生2種用戶登錄身份，根據用戶身份提供相應的操作權限。

原理模塊由原理介紹和設備介紹2個功能模塊組成，通過PDF、視頻和三維動畫演示等方式對三軸實驗的基本原理和儀器設備進行詳細介紹和展示，以加深學生對理論知識的理解和掌握；根據應力路徑三軸儀和其附屬設備進行三維數字建模，完整展現儀器設備的信息，逼真還原實驗教學中所用的儀器設備。學生不僅可以清晰直觀地觀察了解儀器設備的組成和各部件的功能，而且可以自主手動拆解、組合、安裝儀器，以便熟練掌握儀器的構造和使用方法。同時，通過國產設備與進口設備在功能和構件上的對比，激發學生的探索精神和創新意識。設備介紹模塊如圖2所示。

圖2 虛擬三軸實驗教學平臺的設備介紹模塊

操作模塊提供三維實驗場景，學生通過控制鼠標完成實驗操作，同時具有輔助提示系統，提醒學生關注關鍵實驗信息，提高學習效率。

數據模塊提供實驗數據查看、數據處理、實驗表格填寫和結果上傳等功能。平臺數據庫中收集了大量上海本地不同土層土樣三軸剪切實驗結果作為虛擬實驗數據的樣本，而且數據庫不斷更新，以建立土力學實驗教學與工程實踐的緊密聯系。

考核模塊具有實時評價功能，用以考核評價學生對于實驗知識的掌握程度。通過動態監控和實時評判機制，系統自動記錄學生的實驗操作行為，并對操作結果進行評判，給出操作成績。教師通過后臺記錄分析，可以掌握每個學生的學習情況和對知識點的掌握情況，并據此及時調整實驗教學的重點。

2.2 實驗系統的使用流程

（1）土樣獲取。土的三軸剪切特性與土的物理性質、取土深度、應力歷史和剪切方法等有密切關系，土樣的初始條件對實驗結果有重要影響。為了幫助學生建立對試樣的剪切特性及其初始條件之間關系的直觀認識，平臺基于上海地鐵12號線某站點真實鉆孔資料生成地層模型，提供5個不同位置的鉆孔、6種不同土層的土樣以供選取，如圖 3(a)所示。通過預設工程背景，引導學生將有效應力原理、應力歷史對土體特性的影響等土力學理論與工程項目應用進行對接。

（2）試樣制備安裝。獲取土樣后，平臺將切換到實驗室場景。學生通過點擊鼠標進行土樣制備，包括土樣切削、測量直徑和高度、貼濾紙條、裝透水石、套乳膠膜、裝試樣帽、裝壓力室罩、活塞桿對中和向壓力室中注水等環節，如圖3(b)所示。在教學模式中，將實驗操作進行細致拆分，提供演示并嵌入理論知識點供學生思考和自主進行學習。在學習模式中，針對學生的不合理操作給予自動反饋，引導學生自主發現和解決問題，有的放矢地進行學習和訓練。

（3）儀器操作。土樣安裝好后，打開操作軟件，輸入前期獲得的土樣參數和根據土層參數確定的周圍壓力，如圖3(c)所示。選取實驗方法并設置實驗步驟，通過三軸UU、CU和CD實驗加載條件的控制來模擬飽和地基施工的時效性。以CU實驗為例，實驗分為固結和剪切兩個階段：在固結階段，操作界面上會顯示軸向位移、排水量或孔隙水壓力隨時間的變化關系曲線；在剪切階段，界面上會顯示偏應力或孔隙水壓力隨軸向應變的變化關系曲線，直至試樣剪切破壞。改變試樣的周圍壓力，重復進行3~4次不同圍壓的實驗，可以得到一組完整的三軸實驗數據。

圖3 虛擬三軸實驗操作流程

（4）數據處理。根據后臺數據庫中的樣本，結合土層參數和實驗參數，通過隨機算法生成實驗數據，以避免學生得到的實驗結果千篇一律。學生可以直接在平臺上查看、處理數據，提交實驗結果，也可以自行下載數據，處理后再將結果上傳，以供任課教師查看評判。平臺顯示的實驗數據形式如表1所示。

表1 虛擬三軸實驗數據列表

3 虛擬三軸平臺的應用

目前，本虛擬三軸實驗教學平臺已實現開放共享，并已成功運用到我校土木工程學院、交通學院各專業本科生的實驗教學中。通過傳統實體實驗和線上虛擬實驗相互結合、各取所長，逐漸建立了線上與線下相互配合、相互補充，且兼具特色與規模的實驗教學新模式，切實提高了實驗教學的綜合實力和水平。學生首先在虛擬三軸實驗教學平臺上學習相關實驗知識，通過環環相扣的學習和操作模塊訓練，對實驗的基本理論、儀器設備和實驗流程有了清晰的認知和整體把握。這樣在進入實體實驗教學環節后，學生能夠更快、更準確、更有效地融入到實體操作中，避免了學生一知半解、“走過場式”地做實驗的現象。課后，學生還可以利用開放的平臺隨時進行復習鞏固，經過這樣的訓練，學生會對實驗有更深層次的體會，對知識的理解和掌握也會進一步加深。

在 2020年春季學期，本虛擬三軸實驗教學平臺為我校廣大師生提供了在線實驗教學資源和在線實訓演練渠道，全方位立體化地幫助實驗教學的有效開展，很大程度上解決了學生暫不能開展實體實驗訓練的困難。

除了應用于本科實驗教學外，本虛擬平臺還兼顧科研需要，可應用于科研實驗培訓。我校巖土及地下工程教育部重點實驗室有多臺進口多功能三軸儀，為廣大師生的科研工作提供服務。由于部分學生對三軸實驗和儀器設備并不十分了解，造成了儀器設備損耗嚴重、占用時間長和實驗數據不合理等問題，因此該重點實驗室利用本虛擬三軸實驗教學平臺，對申請使用重點實驗室三軸設備的學生進行準入培訓和考核，規范學生的使用和操作，有效地減少了儀器設備的損耗，提高了實驗的準確性和儀器設備的周轉效率。

4 結語

利用虛擬仿真技術開發了土力學虛擬三軸實驗教學平臺，積極探索和改進傳統實驗教學模式與方法，不僅豐富了大土木工程專業的實驗教學資源，而且解決了當前實驗教學中存在的問題，節約了實驗教學成本，有效地提高了實驗教學效果。

平臺的應用和開放共享，拓展了土力學實驗教學的時間和空間，完善了多元化的教學體系，彌補了實體實驗教學的不足，為培養具有扎實專業基礎知識、較強實踐能力和創新能力的復合型工程人才提供了有力保障。

在后續工作中，將在iS3平臺引進現代土力學的數值模擬技術，建立大型虛擬仿真共享數據庫；結合虛擬穿戴設備，為學生提供身臨其境的虛擬現實模擬場景，以進一步提升虛擬實驗感受和效果。