虛擬仿真試驗對土木工程專業(yè)實踐教學改革影響實證研究

王秀麗

吉林建筑大學 吉林長春 130118

土木工程包含基礎建設的計劃、建造和維修等，是建造各類土地工程設施的學科。土木工程學科具有很強的實踐性，以培養(yǎng)具有理論知識、實踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的“復合型”工程技術人才為目標。目前，土木類專業(yè)仍存在實驗經費少、實驗周期長，設備要求高、實驗風險大等問題，導致部分實體實驗在本科教學階段難以有效開展。虛擬仿真實驗具有學生自主設計、循環(huán)實驗、機理可見、破壞可逆等實體實驗不具備的優(yōu)勢，對于培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)、動手能力、團隊精神等均具有重要意義。因此，通過虛擬仿真實驗驅動土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新將會是教育信息化應用模式創(chuàng)新的重大突破[1]。

1 傳統(tǒng)實驗存在的問題

二維相似材料模擬實驗是《礦山壓力與巖層控制》課程理論學習的基礎上，在實驗室利用細砂、碳酸鈣、石膏等材料，依據(jù)煤巖賦存狀況，按照相似材料理論和相似準則制作模型，然后進行模擬開采，觀測覆巖運動情況及支承壓力變化等，從而反推該條件下現(xiàn)場巖層運移規(guī)律等。傳統(tǒng)的二維相似材料模擬實驗，存在實驗不可重復性，實驗周期較長，學生工作量大等缺點。而且課內實驗學時較少，很難完成整個實驗過程。為彌補上述不足，通過引入虛擬仿真技術，建立虛擬實驗場景，可以在短時間內再現(xiàn)實驗的全部過程，達到實驗教學的目的。

2 虛擬仿真試驗對土木工程專業(yè)實踐教學改革影響實證研究

2.1 虛擬仿真實驗教學項目建設方案

通過對建筑材料課程實驗教學項目的梳理，確立以水泥性能及水泥混凝土綜合性能實驗和瀝青混合料綜合性能實驗為核心的虛擬仿真實驗教學項目建設方案。水泥性能及水泥混凝土綜合性能實驗虛擬仿真實驗教學項目包括水泥性能實驗（標準稠度用水量、凝結時間、安定性）和水泥混凝土抗壓強度、抗折強度實驗等項目。瀝青混合料綜合性能虛擬仿真實驗教學項目包括瀝青混合料試件成型、車轍試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗等項目。針對傳統(tǒng)實驗過程中操作耗時長、微觀過程難以觀測、操作復雜等問題，采用3D動畫展示、交互性虛擬仿真操作、微觀反應過程機理可視化等手段，讓學生掌握水泥水化反應、水泥及水泥混凝土性能和瀝青混合料性能的基礎知識與實驗基本操作，為學習水泥混凝土及瀝青混合料綜合性能打好基礎。

2.2 虛擬仿真實驗步驟及要求

學生交互性操作步驟說明：實驗步驟1：裝配模板，安裝底部三塊模板。實驗步驟2：材料調配。按設計好的配比，分別稱重沙子、碳酸鈣、石膏、水等材料，然后進行混合攪拌。實驗步驟3：鋪設傳感器。鋪設第一層傳感器，位于煤層下方。實驗步驟4：鋪設第一層砂漿。實驗步驟5：將砂漿整平壓實。實驗步驟6：在第一層模型上均勻撒上一薄層云母粉。實驗步驟7：鋪設其他材料層。按第一層模型的鋪設過程依次鋪設其他層至整個模型成型，并在過程中按設計位置鋪設好第二層傳感器。將材料層鋪設至最頂層。實驗步驟8：將墊木置于模型上方。實驗步驟9：運行監(jiān)測軟件DH3816N軟件、WLS軟件。實驗步驟10：加載負荷。開啟油泵電源，啟動油泵；在WLS軟件上加載負荷到參考值，然后停止加載負荷。實驗步驟11：拆除模板。在模型上布設觀測網(wǎng)格線。實驗步驟12：模擬煤層開采。先開切眼，然后分七天開采完成；開采過程中分別觀察并記錄巖層出現(xiàn)垮塌、裂縫和彎曲下沉的情況。實驗步驟13：卸載負荷。關閉DHA816N靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)主機電源；在WLS軟件上卸載負荷；在DH3816N軟件中保存應力曲線；停止油泵、關閉油泵電源。實驗步驟14：實驗結論。標注三帶范圍，進行實驗總結，至此實驗結束[2]。

2.3 改革與創(chuàng)新課程考核方式

土木工程專業(yè)虛擬仿真實驗可以設計操作步驟考核、互動測評、實驗報告三位一體的課程考核評價體系。首先，基于實驗課程教學大綱要求，對步驟操作的正確性、規(guī)范性進行評價。其次，負責教師可以對學生設計思路和實驗效果提出建議，并可與學生進行線上評測與實時交流。最后，基于實驗目的要求，提供試件設計、加載設計等模塊，以實驗報告作為評價學生實驗教學效果的數(shù)據(jù)支撐。由此可知，虛擬仿真實驗作為理論教學的重要輔助手段，有效解決了老師借助PPT、板書等手段講解相應的專業(yè)知識時，學生無法具象化相應結構或實驗過程的問題。通過合理的考核評價方式，引導學生完成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、自主設計、解決問題、課程評價的完整交互性操作閉環(huán)。

2.4 虛擬仿真實驗教學項目推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)

土木工程專業(yè)虛擬仿真實驗可以解決土木工程專業(yè)實驗“成本高、周期長、人員安全風險”等難題，遵從“虛實結合、能實不虛”的原則，具有“損傷可見、過程可逆、自主設計”等傳統(tǒng)實驗不具備的優(yōu)勢。以此為基礎的土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實踐則以培養(yǎng)學生的實踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，力求實現(xiàn)人才培養(yǎng)的靈活化、信息化、智能化和現(xiàn)代化。同時，土木工程專業(yè)虛擬仿真實驗的持續(xù)建設是推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)高質量發(fā)展的重要力量，有利于高校為地方經濟建設和社會的發(fā)展提供更為堅實的人才支撐[3]。

3 結語

虛擬仿真實驗堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，以優(yōu)化共享優(yōu)質教學資源、服務專業(yè)實驗教學為目標，以提高學生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，依托學院實驗教學示范中心的建設，將虛擬仿真實驗與課程教學、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目深度融合，使其成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系的有機組成部分，在同類專業(yè)課程中有重要的示范作用和推廣價值。