杜二峰 邰扣霞 徐明

摘要：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)是東南大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。本文基于東南大學(xué)國(guó)家級(jí)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和國(guó)家級(jí)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行初步探索，闡述了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和基本功能。教學(xué)實(shí)踐表明，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法拓展了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，增強(qiáng)了虛擬實(shí)驗(yàn)的感知性，激發(fā)了學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)體實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)結(jié)合

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）32-0271-03

東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程集混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等于一體，是土木工程專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門(mén)理論性、經(jīng)驗(yàn)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程[1]。該課程的教學(xué)效果對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的塑造有著深遠(yuǎn)的影響。實(shí)驗(yàn)研究對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的基本概念，以及原理的誕生和發(fā)展起著十分重要的作用，因此，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理理論教學(xué)的一個(gè)重要關(guān)聯(lián)和支撐環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維、增長(zhǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能、涵養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新品格等方面的作用，是其他任何教學(xué)形式所不能替代的[2]。通過(guò)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理的理解，使他們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的受力過(guò)程、變形特性及破壞形態(tài)有更加直觀的認(rèn)識(shí)，而且能夠提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣及研究熱情[3-4]。

隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大和科研實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展，目前實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地和設(shè)備較難滿(mǎn)足日益增多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展，本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究生科研試驗(yàn)的矛盾日益突出，已開(kāi)展的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有一定局限性；（2）由于消耗大、成本高、操作的復(fù)雜性以及安全性，使得本該由學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)只能作為演示性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，且無(wú)法開(kāi)展大批量的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)。這造成學(xué)生工程意識(shí)薄弱、實(shí)踐能力差，對(duì)實(shí)際工程的掌握和處理能力受到極大制約[5]。近年來(lái)，隨著土木工程專(zhuān)業(yè)科研的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于數(shù)值模擬技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真手段在土木工程專(zhuān)業(yè)的工程實(shí)踐和科學(xué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。這為解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足提供了可行的技術(shù)路線，即開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有投入少、消耗低和共享性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此眾多高校諸如同濟(jì)大學(xué)、中南大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)[6]和西安建筑科技大學(xué)[7]等均開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的教學(xué)項(xiàng)目。2013年，教育部依據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，開(kāi)始啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作[8]，東南大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)和土木工程施工與管理等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)，獲批建設(shè)了國(guó)家級(jí)土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和江蘇省土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)。筆者依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和國(guó)家實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。本文對(duì)東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、基本功能和應(yīng)用情況，以及對(duì)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)初步探索過(guò)程進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對(duì)進(jìn)一步的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研發(fā)進(jìn)行展望。

一、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)

東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)獨(dú)立于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程，與土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、水力學(xué)實(shí)驗(yàn)等組成土木工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)課包括4個(gè)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)和6個(gè)學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)分別為鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土斜截面斜壓和斜拉破壞實(shí)驗(yàn)；實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)分別為鋼筋混凝土適筋梁正截面抗彎實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱大偏心受壓實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱小偏心受壓實(shí)驗(yàn)、鋼柱軸心受壓實(shí)驗(yàn)和磚砌體受壓實(shí)驗(yàn)。由于受場(chǎng)地、設(shè)備和師資的限制，目前尚未開(kāi)展鋼梁穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)、組合結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和木結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)面向土木工程專(zhuān)業(yè)和工程管理專(zhuān)業(yè)開(kāi)課。每年授課班級(jí)共八個(gè)班，每班30人左右。上課時(shí)，先由老師集中講解儀器的使用方法和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，然后學(xué)生在老師指導(dǎo)下分組按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)做實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中，每組同學(xué)分工操作，相互配合。例如，在適筋梁受彎承載力實(shí)驗(yàn)中，一位同學(xué)用液壓千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載，兩位同學(xué)用手持式應(yīng)變儀測(cè)量混凝土變形，一位同學(xué)用靜態(tài)應(yīng)變采集儀測(cè)量鋼筋應(yīng)力應(yīng)變，兩位同學(xué)用裂縫讀數(shù)儀測(cè)量裂縫寬度，兩位同學(xué)讀取跨中和兩端支座百分表的數(shù)據(jù)，兩位同學(xué)記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生學(xué)習(xí)各種儀器儀表的測(cè)量方法，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使他們真實(shí)地感受構(gòu)件的受力過(guò)程，加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，教學(xué)教育作用十分顯著。

二、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是基于有限元分析軟件ANSYS、ABQUAS、VC++面向?qū)ο蟪绦蚝蚅abVIEW軟件等開(kāi)發(fā)而成，將數(shù)據(jù)、文字、圖片、聲音、影像和動(dòng)畫(huà)等媒體表現(xiàn)方式融合在一體。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括鋼筋混凝土梁正截面抗彎實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱軸心受壓實(shí)驗(yàn)、鋼結(jié)構(gòu)柱壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)和砌體結(jié)構(gòu)靜載實(shí)驗(yàn)6個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。每個(gè)模塊中包含數(shù)量不等的變參數(shù)實(shí)驗(yàn)。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖2所示。

每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置了預(yù)習(xí)、自測(cè)、實(shí)驗(yàn)、提交和互動(dòng)五個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生需先對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后進(jìn)行自測(cè)，自測(cè)通過(guò)后方可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并可結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程在互動(dòng)平臺(tái)中和教師及同學(xué)進(jìn)行交流。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以進(jìn)行虛擬試件制作、安裝、加載、數(shù)據(jù)采集和處理，如圖3中鋼筋混凝土適筋梁正截面抗彎實(shí)驗(yàn)所示。限于篇幅，本文不再給出其他實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可在系統(tǒng)內(nèi)完成課后習(xí)題，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

借助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，極大地拓寬了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，能夠覆蓋更多的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生可以獨(dú)立開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，掌控實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，虛擬仿真平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)處理數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的曲線，學(xué)生可以同步掌握實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的表觀現(xiàn)象與內(nèi)在受力行為之間的關(guān)系，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件受力機(jī)理及相關(guān)理論知識(shí)的理解。此外，學(xué)生除了按照教學(xué)要求完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)外，還可以根據(jù)自己的理解進(jìn)一步推演實(shí)驗(yàn)工況，開(kāi)拓思維，提高認(rèn)知水平，培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)兩種教學(xué)方式相互配合、互為補(bǔ)充、交叉進(jìn)行、相互印證。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，擺脫了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與空間限制，拉長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的“短板”。目前，東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)正在對(duì)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展進(jìn)一步的探索和創(chuàng)新，主要舉措包括實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的固化與提升，鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)實(shí)體與虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)真實(shí)度的進(jìn)一步提升，裝配式建筑虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的研發(fā)，以及虛實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合等。通過(guò)不斷改進(jìn)和提高，最終達(dá)到理論教學(xué)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)統(tǒng)一，為土木工程領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)提供教學(xué)支撐。

三、結(jié)語(yǔ)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)是土木工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐動(dòng)手能力鍛煉、科研創(chuàng)新精神培養(yǎng)等有著重要影響。東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索和實(shí)踐，豐富了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，增強(qiáng)了虛擬實(shí)驗(yàn)的感知性，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)操、鞏固、提高和創(chuàng)新提供了廣闊的空間和有效的手段。教學(xué)實(shí)踐表明，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和主動(dòng)性明顯提高，創(chuàng)造意識(shí)得到提升。綜合效果顯示虛實(shí)結(jié)合是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效手段，可供其他專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)借鑒和參考。

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