王英杰　孫玉周　邊亞東

摘 要：在新工科理念指導(dǎo)下，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的進(jìn)一步融合是教育教學(xué)改革的重要方向。在土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)過程中，課程理論教學(xué)團(tuán)隊(duì)與實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)緊密合作，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)周期長、成本高、場(chǎng)地要求高以及操作難度大等問題，構(gòu)建開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作實(shí)踐，學(xué)生得以真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了過程性考核與結(jié)果性考核相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到了開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：新工科；土木類；虛擬仿真；土工合成材料；土木工程施工

土工合成材料在國際上被稱為繼鋼材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”，主要包括土工格柵、土工格室、土工布、土工膜、土工網(wǎng)、土工保溫材料及其相關(guān)土工復(fù)合材料等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，土工合成材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如軟土地基加固、舊路堤加寬、堤壩邊坡加筋和加筋擋土墻等，具有提高路基路堤承載力、降低路基厚度、河流邊坡防護(hù)、隔離防水防滲、集水排水以及延長基層結(jié)構(gòu)使用壽命等作用。

一、土工合成材料應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，土工合成材料已被廣泛應(yīng)用于各類巖土工程和大量的水利及堤防工程中。在土工合成材料的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)只有樣品測(cè)重、垂直滲透率測(cè)定、抗剪切實(shí)驗(yàn)、抗拉伸實(shí)驗(yàn)以及摩擦實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)均是研究材料試樣的基本物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)。然而，關(guān)于土工合成材料在使用方面的實(shí)驗(yàn)和練習(xí)，卻難以在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。其主要原因有：一是場(chǎng)地要求高。以路堤加固為例，即使僅設(shè)置三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所需的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地總面積也至少近千平方米。二是實(shí)驗(yàn)周期長。路堤加固涉及土體的固結(jié)、沉降及穩(wěn)定性等問題，時(shí)間跨度最長可達(dá)一年以上。這使得課程的理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以同步進(jìn)行，進(jìn)而影響了授課質(zhì)量。三是經(jīng)濟(jì)成本高。除了大面積的合成材料費(fèi)用，實(shí)驗(yàn)中還需考慮基層處理成本、大型機(jī)械租賃費(fèi)、人工費(fèi)及養(yǎng)護(hù)成本等，這些費(fèi)用大大增加了實(shí)驗(yàn)預(yù)算。此外，土工合成材料的室外實(shí)驗(yàn)還容易受到環(huán)境的影響，如日曬、降雨等不易控制的因素，這些都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了克服現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件的限制，提高課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的操作能力，圍繞土工合成材料的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和研發(fā)，為學(xué)生提供交互式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅融合了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)和操作要求，還能提供室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的合成材料制作、鋪設(shè)方法、鋪設(shè)效果檢測(cè)以及時(shí)間跨度大的蠕變實(shí)驗(yàn)等重要內(nèi)容。

研究團(tuán)隊(duì)選取了三種具有代表性的土工合成材料——土工布、土工格柵及土工膜，以及它們?cè)趯?shí)際工程中對(duì)應(yīng)的三類典型應(yīng)用——路基加筋、邊坡防護(hù)以及水庫、河流、垃圾填埋場(chǎng)、污水處理等，通過采用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)土工合成材料實(shí)施從加工制作到鋪設(shè)檢測(cè)的全過程進(jìn)行仿真模擬，以期解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求高、實(shí)驗(yàn)周期長、原材料價(jià)格昂貴等限制因素的影響，為學(xué)生提供一個(gè)隨時(shí)隨地、可以反復(fù)操作的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能構(gòu)建及開發(fā)

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)與實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)專家團(tuán)隊(duì)緊密合作，充分利用虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求高、實(shí)驗(yàn)周期長、經(jīng)濟(jì)成本高的室外土工合成材料現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)。通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了合成材料的合成、檢測(cè)、鋪設(shè)、檢查等全過程的仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了土工合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環(huán)受載等實(shí)驗(yàn)的仿真模擬。此外，還實(shí)現(xiàn)了土工合成材料的鋪設(shè)方法、焊接工藝等的模擬。這一創(chuàng)新舉措不僅提升了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，還顯著增強(qiáng)了他們的實(shí)際操作技術(shù)能力。

（一）系統(tǒng)功能構(gòu)成

該虛擬系統(tǒng)主要分為專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)考查、課程知識(shí)考查、檢測(cè)試驗(yàn)知識(shí)考查、土工合成材料鋪設(shè)知識(shí)考查以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫五部分。在學(xué)生充分掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)不同類型土工合成材料適用范圍的判斷、原材料的選取與配比、合成材料的試驗(yàn)檢測(cè)以及鋪設(shè)的注意事項(xiàng)等內(nèi)容。同時(shí)，學(xué)生還需要結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的全過程完成最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（二）系統(tǒng)操作流程

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要具備一定的理論知識(shí)，理解和掌握土工合成材料的屬性、應(yīng)用條件及適用范圍等關(guān)鍵要素，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象的工程類型。進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，學(xué)生需依次完成以下內(nèi)容：工程實(shí)驗(yàn)合成材料的選擇—原材料的選取—土工合成材料的制作—土工合成材料的物理力學(xué)特性測(cè)試（確保測(cè)試合格后才可進(jìn)入下一步）—鋪設(shè)前的檢查—土工合成材料的鋪設(shè)—鋪設(shè)后的檢查—在線測(cè)評(píng)—確認(rèn)實(shí)驗(yàn)完成等。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涵蓋了18個(gè)詳細(xì)的操作步驟，總計(jì)超過100個(gè)操作項(xiàng)，全面模擬了土工合成材料從選取、制作、檢測(cè)到鋪設(shè)使用的全過程。該系統(tǒng)能夠記錄并保存學(xué)生的每一個(gè)操作過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可在系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行查看。這樣既可以精準(zhǔn)評(píng)估學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，又可以對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和考核，實(shí)現(xiàn)了過程性考核和結(jié)果性考核的有機(jī)結(jié)合。

（三）系統(tǒng)特色

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建了“一人一工程”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。每個(gè)學(xué)生面對(duì)的都是不同的工程實(shí)際，或不同工程類型，或工程尺寸不同，或工程要求標(biāo)準(zhǔn)不同，給學(xué)生增加了實(shí)驗(yàn)難度。因此，學(xué)生需要根據(jù)自己的實(shí)際工程情況來確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)、材料尺寸及實(shí)施方案。這讓學(xué)生完整地經(jīng)歷了從工程模型建立、原材料制作到合成材料的測(cè)試、鋪設(shè)以及鋪設(shè)效果監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)全過程。同時(shí)，學(xué)生可以通過設(shè)定不同的溫度、荷載、濕度等變量，在虛擬仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環(huán)受載實(shí)驗(yàn)。此外，學(xué)生還可以選擇合成材料的搭接方式、縫合和焊接方式等。這使得學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)能熟悉實(shí)驗(yàn)的整個(gè)操作過程，并能對(duì)階段性結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行整理和分析。這種方式有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和主動(dòng)性。學(xué)生可以通過相互溝通、合作討論的方式完成實(shí)驗(yàn)，從而真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養(yǎng)他們解決工程實(shí)際問題的能力。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為配合土木工程類專業(yè)核心課程土木工程施工的教學(xué)要求而開發(fā)的，主要面向土木工程及其相關(guān)專業(yè)的大二或大三學(xué)生。它有效解決了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中重理論輕實(shí)踐的問題，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的全流程操作，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、周期、經(jīng)濟(jì)性等因素的限制，極大地提高了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握程度。自系統(tǒng)構(gòu)建開發(fā)以來，深受學(xué)生的歡迎，并取得了良好的應(yīng)用效果。此外，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)還可以為各個(gè)院所的科研人員、工程從業(yè)者以及土工合成材料行業(yè)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)商提供服務(wù)，進(jìn)而促進(jìn)土工合成材料的整體發(fā)展和進(jìn)步。

今后，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，不斷優(yōu)化和升級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。深入開展校企合作交流，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加貼近工程實(shí)際，并緊跟土工合成材料行業(yè)的最新發(fā)展成果。持續(xù)補(bǔ)充包括原材料、制作工藝、產(chǎn)品升級(jí)、機(jī)具更新以適用工程類別等內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫，逐步實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐促進(jìn)理論的良性發(fā)展。

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責(zé)編：應(yīng) 圖

基金項(xiàng)目：河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“‘智能+時(shí)代本科高校虛擬基層教學(xué)組織研究與實(shí)踐”（編號(hào)：2021SJGLX226）；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科理念下土木類專業(yè)人才實(shí)踐教學(xué)模式研究”（編號(hào)：2021BKJGLX520）；中原工學(xué)院教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“以立德樹人為根本任務(wù)的‘土木工程施工課程思政建設(shè)與實(shí)踐”（編號(hào)：2023ZGJGLX071）

作者簡介：王英杰（1990— ），男，中原工學(xué)院講師，研究方向?yàn)橥聊竟こ滩牧稀r土工程；孫玉周（1974— ），男，中原工學(xué)院教授，研究方向?yàn)槎喑叨攘W(xué)和工程數(shù)值仿真；邊亞東（1975— ），男，中原工學(xué)院教授，研究方向?yàn)樾滦屯聊竟こ滩牧?、邊坡工程與支擋結(jié)構(gòu)。