混凝土構(gòu)件受力性能虛擬實驗教學(xué)平臺建設(shè)

宋曉濱 張偉平 黃慶華 任曉丹 朱鵬 陳寶

摘要：為響應(yīng)教育部關(guān)于深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平的號召，同濟大學(xué)土木工程學(xué)院在國家級實驗教學(xué)示范中心土木工程實驗教學(xué)中心平臺支撐下，建設(shè)了混凝土構(gòu)件受力性能虛擬實驗教學(xué)平臺。平臺圍繞混凝土構(gòu)件的測試過程，包括實驗設(shè)計、試件制作和準(zhǔn)備、實驗加載、實驗量測、實驗分析等環(huán)節(jié)，與混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程虛實結(jié)合，以虛補實，實現(xiàn)對實體實驗的補充、擴展和提高。同時，平臺以智能導(dǎo)學(xué)、智能助學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對理論知識拓展應(yīng)用、預(yù)測和驗證，激發(fā)學(xué)生探索興趣。

關(guān)鍵詞：混凝土構(gòu)件;受力性能;虛擬實驗;教學(xué)平臺

中圖分類號：G642423;TU-4?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）03-0158-07

2018年5月，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高函〔2018〕5號），深化和拓展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)及開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作內(nèi)容[1]。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是高等教育在人才培養(yǎng)領(lǐng)域推進“智能+教育”的積極探索，將成為形成高水平人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵一環(huán)，是推動人才培養(yǎng)質(zhì)量提升的新興生產(chǎn)力。

作為混凝土結(jié)構(gòu)基本原理的實驗實踐課，同濟大學(xué)已開展混凝土構(gòu)件力學(xué)性能實驗教學(xué)10余年，是國內(nèi)的先行者。實驗教學(xué)平臺作為同濟大學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，是土木工程實驗教學(xué)中心的重要組成部分，每年受教的土木工程專業(yè)本科生約500名。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院教學(xué)實驗系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)實驗加載場地承載能力要求高、混凝土裂縫肉眼觀察存在危險，以及實驗參與人數(shù)有限等局限，在試驗加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，以及實驗現(xiàn)象與實驗數(shù)據(jù)處理演示系統(tǒng)方面做了改進，通過采用自平衡試驗加載系統(tǒng)降低了對實驗室地面承載能力的要求，使得在普通實驗室開展教學(xué)試驗加載成為可能。此外，實驗室數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采用英國solartron公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集儀產(chǎn)品，并配備相應(yīng)的工控機、通訊卡、顯示屏、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理軟件，該系統(tǒng)可以實時處理數(shù)據(jù)并在顯示器上圖形顯示。同時，同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)實驗創(chuàng)新性地將醫(yī)用微創(chuàng)手術(shù)攝像機用于結(jié)構(gòu)教學(xué)，便于觀察試件微小裂縫的形成和發(fā)展，極大地改善了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的效果。

根據(jù)工科科研教學(xué)特點和混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)大綱要求，該教學(xué)實驗共設(shè)計了9個試驗項目，包括鋼筋混凝土適筋梁、少筋梁和超筋梁正截面受彎破壞試驗;梁耕截面剪壓、鋼筋混凝土梁受剪斜壓、斜拉和剪壓破壞試驗;鋼筋混凝土柱大偏心和小偏心受壓破壞試驗和鋼筋混凝土梁受扭試驗。學(xué)生通過實驗認(rèn)知教學(xué)了解實驗要求，并通過觀看實驗錄像提前了解相關(guān)實驗內(nèi)容，以小組為單位協(xié)作完成實驗項目方案和試驗加載過程。此外，通過教師講解、學(xué)生參觀等方式完成陳列架試件的教學(xué)，完善實驗教學(xué)內(nèi)容并提高教學(xué)效果。學(xué)生通過參與混凝土實體構(gòu)件破壞全過程演示實驗，進一步認(rèn)識混凝土基本構(gòu)件的力學(xué)性能和破壞機理，將基本原理應(yīng)用于實驗過程和結(jié)果的解釋分析，以進一步掌握基本理論知識教學(xué)。

近年來，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬仿真逐漸成為提升學(xué)生實物認(rèn)知的重要手段[3-7]，建設(shè)與混凝土實體構(gòu)件實驗相配套的虛擬實驗教學(xué)平臺，可彌補傳統(tǒng)實體構(gòu)件力學(xué)性能實驗的不足，對培養(yǎng)土木工程專業(yè)本科生具有重要的現(xiàn)實意義。

一、虛擬實驗教學(xué)平臺創(chuàng)新性

（一）實驗方案設(shè)計思路

混凝土實體構(gòu)件破壞全過程演示實驗有助于學(xué)生進一步認(rèn)識混凝土基本構(gòu)件的力學(xué)性能和破壞機理，并且看得見摸得著，破壞過程真實，具有很好的教學(xué)演示效果。但考慮到實體

實驗參與度較低，加上課時有限，學(xué)生難以參與實驗方案設(shè)計、試件制作和安裝、材性實驗等實驗相關(guān)的全過程。另外，學(xué)生對基本原理知識掌握程度不一，一定程度上限制了實體構(gòu)件力學(xué)性能實驗課作用的發(fā)揮。

通過建設(shè)與混凝土實體構(gòu)件實驗相配套的虛擬實驗平臺，可彌補傳統(tǒng)實體構(gòu)件力學(xué)性能實驗的不足，可實現(xiàn)每個學(xué)生獨立完成若干構(gòu)件實驗;通過設(shè)置方案設(shè)計、試件制作和安裝、實驗量測、材性實驗、試驗加載、實驗數(shù)據(jù)整理等虛擬實驗過程環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解混凝土基本構(gòu)件各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，整體把握構(gòu)件實驗的全過程;開發(fā)知識點“學(xué)習(xí)—應(yīng)用—考核—導(dǎo)學(xué)”功能，實現(xiàn)針對每個學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)興趣的智能導(dǎo)學(xué)、智能助學(xué)。虛擬實驗還可通過改變截面尺寸、配筋等參數(shù)，拓展學(xué)生的知識深度，培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)。

（二）教學(xué)方法創(chuàng)新

本科生在進行混凝土實體構(gòu)件實驗前，優(yōu)先利用虛擬實驗教學(xué)平臺進行學(xué)習(xí)和虛擬實驗，通過虛擬教學(xué)實驗對相關(guān)的理論知識點進行復(fù)習(xí)及實驗方法的驗證，學(xué)生可參與1～2種混凝土構(gòu)件的實體實驗。學(xué)生根據(jù)自己的興趣，利用虛擬實驗平臺進行對實體實驗課外的混凝土構(gòu)件進行學(xué)習(xí)實驗。學(xué)有余力的學(xué)生還可通過該平臺，進行變參數(shù)分析虛擬實驗，分析實驗結(jié)果的規(guī)律。

（三）評價體系創(chuàng)新

虛擬教學(xué)平臺中，在每個模塊的主要知識點學(xué)習(xí)后都會設(shè)置考核模塊，在考核模塊中了解學(xué)生對知識的掌握程度和二次理解能力。通過對實驗理論知識的應(yīng)用，考核學(xué)生對知識的實際應(yīng)用能力，最終要求學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果，分析實驗中的數(shù)據(jù)和圖表，考核其綜合應(yīng)用和知識分析能力。將各部分的當(dāng)年考核分和歷年學(xué)分排名作為學(xué)生自我考核和教師綜合考核成績的重要依據(jù)。

（四）對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

虛擬實驗平臺本質(zhì)上是實體實驗平臺的延伸，是虛實結(jié)合的綜合實驗平臺。該平臺為實體實驗提供了理論復(fù)習(xí)和實驗方法預(yù)習(xí)條件，平臺的特色復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)內(nèi)容具有針對性。針對實驗相關(guān)內(nèi)容，

復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)模塊具有實時考核功能，確保學(xué)生在實驗前掌握必要的知識點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。虛擬平臺對知識點的應(yīng)用情況進行實時評價，確保學(xué)生正確應(yīng)用理論知識。虛擬平臺為學(xué)生提供了專享實驗，每個實驗可以獨立進行，不受同時進行實驗的人數(shù)限制，為每個學(xué)生提供了豐富的實驗項目。此外，虛擬平臺為學(xué)生提供了個性學(xué)習(xí)內(nèi)容，除了必修知識點外，其它知識點可根據(jù)個人興趣選擇，學(xué)習(xí)內(nèi)容具有彈性。平臺提供的變參數(shù)實驗，也擴展了實體實驗內(nèi)容，為優(yōu)秀學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提高提供了平臺。虛擬實驗中的互動環(huán)節(jié)、評分環(huán)節(jié)降低學(xué)生學(xué)習(xí)中知識點的掌握難度，同時大大提高了學(xué)習(xí)的趣味性。

二、虛擬實驗教學(xué)平臺的開發(fā)和功能架構(gòu)

本虛擬仿真實驗平臺的用戶界面基于虛擬的實驗空間，實驗空間包括先修區(qū)、虛擬實驗區(qū)和拓展區(qū)。先修區(qū)為學(xué)生提供相關(guān)知識學(xué)習(xí)和測試;虛擬實驗區(qū)選擇具體混凝土構(gòu)件虛擬實驗項目，進入后進行相應(yīng)的預(yù)習(xí)、實操、考核環(huán)節(jié)。最后選擇進入擴展區(qū)，通過進行改變截面尺寸、配筋等變參數(shù)分析實驗，進行相應(yīng)的實驗報告撰寫分析和考核。

本虛擬實驗平臺的模塊用戶（學(xué)員）通過web頁面登錄后，可調(diào)用插件啟動模塊應(yīng)用程序exe，同時與后臺Web服務(wù)器交互，進行模塊應(yīng)用程序exe版本檢查、模塊實驗任務(wù)的授權(quán)檢查、模塊應(yīng)用程序操作數(shù)據(jù)/成績同步、模塊正常關(guān)閉同步等操作。此外，平臺對不同類型人員設(shè)置了差異化的管理權(quán)限，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，對于平臺管理員，在登錄后可導(dǎo)入學(xué)員賬戶/教師賬戶，并進行信息管理系統(tǒng)增刪查改基本操作、添加新模塊/更新模塊（應(yīng)用程序）版本及文件等。而對模塊應(yīng)用管理者（教師），在登錄后頁面會自動跳轉(zhuǎn)至課程管理中心，可看到所有可管理的課程（模塊）信息，可進行學(xué)生管理（添加學(xué)生/課程有效時間/查看學(xué)習(xí)狀態(tài)等），也可進行任務(wù)管理（考試時間/分值權(quán)重等）。此外，對于模塊用戶（學(xué)員），登錄后頁面會自動跳轉(zhuǎn)至課程學(xué)習(xí)中心，可看到所有可學(xué)習(xí)的課程（模塊）信息，開始學(xué)習(xí)前必須先點擊下載安裝“啟動器”及“課程模塊”，點擊“開始實驗”進入課程學(xué)習(xí)界面。

本系統(tǒng)根據(jù)各模塊內(nèi)的實驗任務(wù)進行交互操作，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：單場景模型總面數(shù)179583，貼圖分辨率512～1024，每幀渲染次數(shù)30，動作反饋時間30毫秒以下，顯示刷新率60赫茲，分辨率為1920*1080。

三、虛擬實驗教學(xué)平臺實驗項目和教學(xué)演示

本虛擬仿真實驗平臺圍繞混凝土構(gòu)件的破壞過程，針對鋼筋混凝土受彎（包括少筋、適筋和超筋等3類構(gòu)件）、受剪（包括斜壓、剪壓和斜拉破壞等3類構(gòu)件）、偏心受壓構(gòu)件（包括大偏壓、小偏壓）和受扭（包括部分超筋和適筋等2類構(gòu)件）的受力全過程，以鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能為內(nèi)核，以圖形顯示為表現(xiàn)手段，具體教學(xué)內(nèi)容包括實驗設(shè)計、試件制作和準(zhǔn)備、實驗加載、實驗量測、實驗分析等環(huán)節(jié)，與混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程的混凝土構(gòu)件實體實驗相結(jié)合，實現(xiàn)對實體實驗的補充、擴展和提高。

本虛擬仿真實驗平臺采用模塊化設(shè)計，不同實驗項目共用教學(xué)考核和圖形演示模塊。故此，下文以鋼筋混凝土受彎構(gòu)件為例，簡要介紹系統(tǒng)主要教學(xué)考核手段和演示內(nèi)容。

（一）先修學(xué)習(xí)

先修學(xué)習(xí)包含安全教育、基礎(chǔ)知識、儀器設(shè)備三個模塊。學(xué)生必須完成此三個模塊的學(xué)習(xí)并考核通過后，才可進入虛擬實驗。

進入主漫游場景后，學(xué)生可以任意在場景中漫游。其中，安全教育（圖2a）中包含進入實驗室中需要注意及遵守的安全規(guī)范，重在提高學(xué)生實驗安全的意識。通過填空題的形式強化重要知識點，引導(dǎo)學(xué)生完成考核，考核通過后反饋證書結(jié)果。基礎(chǔ)知識（圖2b）主要介紹基本原理內(nèi)容，并通過打開外部鏈接的方式，跳轉(zhuǎn)到同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理慕課的在線學(xué)習(xí)資料。

儀器設(shè)備介紹了混凝土構(gòu)件實驗中一些常用的實驗儀器或設(shè)備，如位移計、傾角儀、鋼筋拉伸試驗機等。軟件界面的介紹面板左側(cè)為功能區(qū)，右側(cè)為演示區(qū)，如圖3所示。

（二）實驗操作和展示

在實驗?zāi)K可通過窗口選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容（圖4a）。進入實驗場景后，左側(cè)為功能菜單，右側(cè)為顯示區(qū)域（圖4b）。功能菜單從上到下依次分五個菜單項，包括預(yù)習(xí)（包含實驗?zāi)康摹⒃嚰O(shè)計、結(jié)果預(yù)測、加載方案、量測方案）、實操（包含試件制作、設(shè)備安裝、材性分析、實驗加載、數(shù)據(jù)分析）、考核（成績查看，教師賬號增加批閱、導(dǎo)出功能）、設(shè)置（設(shè)置場景相機、移動速度、語音控制等功能）和返回（即返回主漫游場景）。

預(yù)習(xí)部分主要使學(xué)生了解實驗?zāi)康模ο嚓P(guān)內(nèi)容進行考核。通過引導(dǎo)性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解建筑梁的設(shè)計過程，復(fù)習(xí)荷載預(yù)估方法和設(shè)計計算過程。在加載方案模塊，學(xué)生可以學(xué)習(xí)加載裝置、加載機制;在量測方案模塊，學(xué)生可以學(xué)習(xí)混凝土平均應(yīng)變、縱向受拉鋼筋應(yīng)變、撓度、裂縫測量等知識內(nèi)容。

實操部分包含虛擬實驗整體操作流程（圖5a），按照實驗步驟分為試件制作、設(shè)備安裝、材性分析、實驗加載等過程。試件制作包含了混凝土試件制作的全過程，分為鋼筋下料成形、綁扎、混凝土澆筑、劃線等步驟。軟件界面面板左側(cè)顯示操作步驟及該步驟相關(guān)說明，面板下部功能區(qū)控制步驟的切換及重置當(dāng)前操作回到原始狀態(tài)（圖5b）。

設(shè)備安裝包含千斤頂?shù)陌惭b、油泵的連接、支座鉸支座及位移計等的安裝過程。材性分析主要包含了實驗加載過程中所涉及到的理論知識及相關(guān)參數(shù)計算，在實驗加載前對實驗鋼筋的強度及力學(xué)性能參數(shù)進行分析。實驗加載分為手動加載和自動加載兩種模式（圖6a），手動加載模式下，可以自主選擇加載荷載值，自動加載采用分級加載制度，不同加載階段最大荷載值不同。加載頁面左側(cè)面板包含荷載輸入功能及數(shù)據(jù)顯示功能，數(shù)據(jù)分析主要讓用戶學(xué)習(xí)如何整理實驗數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線（圖6b）。

四、虛擬實驗教學(xué)平臺應(yīng)用情況及效果分析

本虛擬仿真實驗平臺自建設(shè)以來，最初通過配合同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)實驗?zāi)K，虛實結(jié)合，極大地提升了教學(xué)實驗授課能力和教學(xué)效率，累計完成了441位學(xué)生的教學(xué)和考核工作，并得到了學(xué)生認(rèn)可。此外，平臺針對系統(tǒng)使用流暢度、功能模型人性化等方面的學(xué)生反饋意見，逐步完善優(yōu)化，目前已將服務(wù)對象由校內(nèi)學(xué)生為主逐步擴展到校外學(xué)生，并獲批了2019年度上海市虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

虛擬教學(xué)實驗平臺可通過個性化學(xué)習(xí)，智能導(dǎo)學(xué)、智能助學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教師的授課積極性;通過自主拓展模塊，引導(dǎo)學(xué)生對理論知識進行拓展應(yīng)用、預(yù)測和驗證，拓展學(xué)生知識深度，體會研究的樂趣;通過個性化考核確保學(xué)生掌握先導(dǎo)知識，并可實時展示學(xué)生本人及他人的學(xué)習(xí)掌握情況。因此，虛擬教學(xué)實驗平臺以個性化和趣味化

提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)拓展學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)有余力的學(xué)生的探索興趣，真正做到因材施教。

參考文獻：

[1]

教育部辦公廳. 教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知（教高廳〔2017〕4號）[EB/OL].（2017-07-21）[2019-09-08].http：// www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721309819.html.

[2]徐明， 劉艷， 陸金鈺，等. 土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2015， 32（12）：116-119.

[3]徐明，熊宏齊，吳剛，等.土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：139-142.

[4]祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀探析[J].實驗技術(shù)與管理，2015（11）：156-158.

[5]徐明，劉艷，陸金鈺，等.土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：116-119

[6]徐偉杰，徐明，郭彤，等. “金課”背景下土木類虛擬仿真實驗教學(xué)發(fā)展趨勢——基于2018 年國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺公示數(shù)據(jù)[J].高等建筑教育，2020， 29（1）： 74-85.

Development of virtual experimental teaching platform for mechanical

behavior of reinforced concrete members

SONG Xiaobin， ZHANG Weiping， HUANG Qinghua， REN Xiaodan， ZHU Peng， CHEN Bao

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

In response to the Ministry of Educations call to further promote the deep integration of information technology and experimental teaching of higher education， to continuously strengthen the development and application of high-quality resources for experimental teaching in higher education， and to substantially improve the quality of experimental teaching and practice of talent education in higher education， the College of Civil Engineering of Tongji University， supported by the platform of the Civil Engineering Experimental Teaching Center of the National Experimental Teaching Demonstration Center， has developed a virtual experimental teaching platform for the mechanical behavior of reinforced concrete members. The platform focuses on the entire testing process of concrete members， including experimental design， specimen preparation， loading， measuring and data analysis， combined with the course “basic principles of concrete structures” as to achieve a mutual supplement between virtual and physical testing. It is expected that the physical experiments can be then complemented， expanded and improved. Meanwhile， the platform guides students， via intelligent guidance and assistance， to expand the application， prediction and verification of theoretical knowledge and to stimulate students interest in further exploring.

Key words： reinforced concrete members; mechanical behavior; virtual experiments; teaching platform

（責(zé)任編輯 崔守奎）