魯正 龔依捷 周穎

摘要：建筑結構抗震課程是土木工程專業(yè)學生本科階段的一門專業(yè)課程。該課程理論內容多，較為枯燥，教學中存在真實實驗操作困難、“重理論，輕實踐”等問題。對此，將交互性強、可操作性高的虛擬實驗引入建筑結構抗震課程教學，并與傳統(tǒng)真實實驗進行對比分析，闡述虛擬實驗的重要性與必要性。以隔震結構為例，提出可供參考、借鑒的虛擬實驗設計思路。從問卷調查獲取的反饋信息來看，虛擬實驗具有良好的教學效果，應合理利用虛擬實驗的優(yōu)勢，將其與土木工程專業(yè)課程教學融合，注重交互式開發(fā)。應注意的是虛擬實驗僅作為真實實驗的補充，不能忽視傳統(tǒng)的真實實驗。

關鍵詞：本科教育;虛擬實驗;建筑結構抗震;教學研究

中圖分類號：G642.0;TU3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）02-0106-07

隨著全球經濟和科技的發(fā)展與進步，人才競爭日益激烈，國家對高等教育的要求也逐步提高?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》明確指出，應“注重學思結合，倡導啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習” [1]。教學實驗是教育過程的重要組成部分，也是培養(yǎng)學生科研能力和綜合素質的必經途徑。近年來，教學體制改革不斷深化，對實驗教學也提出了更高的要求[2]。與此同時，虛擬實驗逐漸走進人們的視野，因其高仿真性、開放擴展性、實用性、人機交互性、共享性、重復使用性和安全性等諸多優(yōu)點，正在實驗教學領域掀起一股熱潮[3]。將虛擬實驗融入課程教學中，既能提高教學效率，也有助于培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型和探究型人才。

本文圍繞建筑結構抗震課程教學，探討虛擬實驗在該課程中的應用，并以隔震建筑結構為例，提出基于虛擬建造實驗的土木類專業(yè)課教育改革思路。

一、 建筑結構抗震課程教學現狀

建筑結構抗震課程是一門土木工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課。授課內容包括地震的基礎知識、場地地基基礎、結構的抗震設防策略、抗震設計基本原則、地震作用計算方法、混凝土結構抗震設計、砌體結構抗震設計、鋼結構抗震設計以及隔震、減震的基本概念等。在現階段的本科教學中，該課程具有以下特點。

（一）課程學習難度較大

建筑結構抗震課程與結構力學、材料力學等力學類、結構類課程緊密相關，對學生的專業(yè)基礎有一定要求;與此同時，該課程還涉及各種現行的規(guī)范、規(guī)程，學習內容多而雜[4]。此外，課程衍生的參考資料也較多，課堂上無法涵蓋參考資料的內容，都需要學生課后自行閱讀。公式、概念占據課程課本的大部分，這使得課程較為枯燥。許多學生反映“上課聽不懂”、難以理解，有些知識點需要投入大量的時間和精力才能掌握。

（二）真實實驗操作困難

結構的地震，對于學生來說，最為直觀的認識就是構件破壞現象。但單一的構件并不能體現“結構抗震性能”這一教學主旨，如果每次實驗都要準備一個建筑結構模型則代價太大。并且，大多數高校的設備體量、資源儲備等都不具備開設本科抗震教學真實實驗的規(guī)模和能力。

（三）課程教學中“重理論，輕實踐”

大部分建筑結構抗震課程教學，教師都偏向于理論知識講解，課后所留的習題也以概念性的思考題為主，計算與實踐微乎其微[5]。以同濟大學為例，在建筑結構抗震課程教學過程中，并沒有安排教學實驗，相關的案例也比較少，學生對抗震概念缺乏直觀的感性理解。同濟大學某學期建筑結構抗震課程安排見表1。

二、 虛擬實驗在建筑結構抗震課程中的優(yōu)勢

由于上述建筑結構抗震課程特點，虛擬實驗在課程教學中顯得十分必要。其作用可以歸納如下。

1.豐富教學方式，促進精品課程建設

土木類專業(yè)是一門實踐性極強的學科。虛擬實驗的引入，改變了目前土木工程專業(yè)教學中“重理論輕實踐”的通病。虛擬實驗圍繞土木工程領域的教學、科研試驗需求展開，成為實驗積累、特色展示的一個良好的交流平臺。

2.增強教學互動，改善學生課堂體驗

虛擬設計更為人性化、情感化。虛擬實驗可以做到交互式實驗，在交互式實驗中，學生和實驗系統(tǒng)有良好的互動關系，學生成為實驗的主動者[6]。這樣，一改以往課堂中教師為主動者的常態(tài)，學生的課堂感受得到重視，學習者的參與度也得到提高。

3.理論聯系實際，便于學生掌握知識

現階段的抗震課程主要教學模式是教師講、學生聽，理論應用實踐的機會較少;許多課堂教學接近于照本宣科，教學方式僵化。大多數學校設置的實踐課程都是與理論課程分別開設的，并未與理論學習緊密結合[7]。而在建筑結構抗震課程中直接對接虛擬實驗，可以使抽象的理論變得具體，讓學生直接理解如何將理論應用到實踐中，且學生在課前課后都可以自己模擬演練，有利于鞏固知識。

4.激發(fā)學生對抗震課程，以及土木工程專業(yè)的興趣

在虛擬實驗中，學生對專業(yè)的感性認知不斷積累，對專業(yè)的認識也逐步深入。與實踐的結合避免了“紙上談兵”的情況，讓學生自己在實驗過程中體驗問題的發(fā)現、思考和解決的全過程[8]。抓住了學生的興趣，也提高了學生的學習熱情。

以建筑結構抗震課程為例，將虛擬實驗與傳統(tǒng)的真實實驗對比如表2。從表2可以看到，在仿真性上，虛擬實驗和真實實驗一樣，存在不可避免的可控制在一定范圍內的誤差。但在安全性、操作難度、成本、學生參與度上，虛擬實驗都具有不可替代的優(yōu)越性[9]。

三、 隔震建筑結構虛擬建造演示實驗方案

隔震技術是采用特殊的措施隔離地震對上部結構的影響，使建筑物在地震作用下只產生很小振動的一種抗震技術。這種技術與利用材料強度和構件塑性變形來抵抗地震作用的傳統(tǒng)抗震設計不同，它不會造成結構和設施的破壞，還能保證結構物的正常作用功能[10]。以往的實例也顯示，傳統(tǒng)抗震建筑在地震中破壞嚴重，而隔震建筑在地震中僅輕微受損。隔震技術的推廣與普及應放在與傳統(tǒng)抗震手法同等的地位。

對于隔震技術，從課程教學到相關業(yè)主，甚至包括建造、監(jiān)理在內的許多從業(yè)人員都不甚了解，這在一定程度上妨礙了隔震技術的發(fā)展。因此，用虛擬實驗將隔震技術引入抗震課堂，是非常有前瞻性和必要性的。

以下，本文以隔震建筑結構為例，介紹虛擬實驗的思路，可供借鑒與學習。

A.方案一

1.形式

在線虛擬仿真實驗教學軟件。利用一套交互式實驗平臺軟件，讓學生自行使用軟件功能進行演示實驗。

2.實驗設計

實驗包含隔震結構基本原理的理論介紹、隔震結構建造施工過程的動畫展示、特殊構造設計的介紹和演示三大主要模塊，其設計思路如圖1所示。

3.功能實現

所開發(fā)軟件的主界面如圖2所示，根據需求選擇學習內容，則可跳轉進入相應的模塊，進行虛擬實驗教學。

在隔震結構的基本原理模塊中，用戶可以自由閱讀其中內容。在閱讀時，可以調整頁面大小，進行關鍵詞搜索。在隔震結構建造施工過程模塊，用戶可以觀看施工過程影片。特殊構造設計模塊則給出若干結構節(jié)點的模型，并配有相應的文字信息，用戶可以旋轉、平移、縮放觀察各個模型。

4.教師提供資料清單

隔震結構的基本原理內容;施工過程影片，包含施工過程介紹、重點展示步驟;構件相關的參數、文字介紹、圖片資料、操作方法介紹等。

B.方案二

1.形式

演示實驗視頻。將所需實驗教學的內容制作成演示視頻，供學生學習。在腳本設計時，應注重實驗的條理性、完整性，能吸引學生注意力，并引發(fā)學生思考。此方案演示視頻的交互性不如方案一，但其更方便操作，思路清晰，便于學生掌握實驗原理。

2.實驗設計

演示視頻腳本如下。

平面標題：隔震建筑結構虛擬建造演示實驗（10s）→動畫、視頻、圖片演示：有隔震結構與無隔震結構效果對比（10s）→平面標題：隔震結構建造施工過程演示（5）s→動畫演示：下部結構出現（8s）→動畫演示：設置隔震層施工過程（30s）→動畫演示：設置阻尼器施工過程（20s）→動畫演示：房屋模型放置在隔震結構上，模擬震動效果（10s）→平面標題：特殊構造設計（5s）→平面標題：結構節(jié)點的處理（5s）→依次通過動畫、圖片等分別展示鉛芯橡膠支座、滑板支座（20s）→圖片、動畫演示：隔震溝作法（15s）→圖片、動畫演示：樓梯及電梯井作法（15s）→圖片、動畫演示：水平管柔性連接（15s）→結束。

3.教師提供資料清單

相關施工過程介紹，重點展示步驟。

四、 實踐與反饋

筆者在建筑結構抗震課程教學中開展虛擬實驗教學改革，為了解實際教學效果，在學期末以調查問卷的形式在班級進行調查。此次調查共發(fā)放問卷52份，回收50份，回收率為96.2%。據反饋信息來看，學生對虛擬實驗的教學效果是肯定的。部分調查問題統(tǒng)計如表2。

五、 結語

課程教學，既是教，也是學。在建筑結構抗震課程教學中引入虛擬演示實驗，將以往的理論教學轉變?yōu)樯鷦拥膶嶒灲虒W，有助于克服“重理論，輕實踐”的教學弊端。本文以建筑結構抗震課程為出發(fā)點，提出建設虛擬實驗的思路，旨在重視學生課堂體驗，提高學生自主學習能力和實踐能力，強化學生的感性認知，使土木工程類專業(yè)的教學更符合社會大環(huán)境的要求，也有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。需要注意的是，在虛擬實驗的應用上，切忌生搬硬套和盲目安排虛擬實驗。各學科有其自身的特點，不是所有學科都適合虛擬實驗，也不是任何課程、實驗都適合采用虛擬實驗。建筑結構抗震課程因其理論性強、真實實驗實現困難等原因而給了虛擬實驗“大顯神通”的機會，但在面對不同的情況時，仍應具體問題具體分析。對土木工程類專業(yè)的虛擬實驗提出以下建議。

一是在教學中更多地尋找可以進行虛擬實驗的機會。如前文所述，實踐性極強是土木工程類專業(yè)的鮮明特征。由于場地、技術等限制，土木工程類專業(yè)教學的實踐環(huán)節(jié)略顯薄弱。虛擬實驗給了教學實驗一條新的路徑，建議每學期在課程中融入適量的虛擬實驗教學。

二是選擇合適的教學環(huán)節(jié)引入虛擬實驗。合理的教學實驗安排可以使課程教學事半功倍。不同的課程、章節(jié)各有各的特點，部分章節(jié)可能并不適合采用虛擬實驗教學。對各個教學章節(jié)應仔細分析，選擇合適的知識點采用虛擬實驗教學。而且應合理地設計虛擬實驗，讓其更好地發(fā)揮作用。

三是注重交互式平臺的開發(fā)。交互式平臺相比其他虛擬實驗方式，效率更高，效果也更好，具有明顯的優(yōu)越性。在虛擬實驗設計上，應更多地添加與學習者的互動要素，要能從學習者那里獲得反饋，讓學習者從“被動學”轉變?yōu)椤爸鲃訉W”，提高學習者的積極性。在軟件開發(fā)時，應完善其功能，盡可能地做到人性化，便于學習者從中掌握原理。

四是不應忽視傳統(tǒng)的真實實驗。虛擬實驗并不能完全替代真實實驗。前文的對比顯示，真實實驗的仿真性更強，其帶給學生的感性體驗也更好。在有條件的情況下，實驗教學應是虛擬與真實二者的結合，虛擬實驗宜作為真實實驗的補充。

總之，將虛擬實驗教學合理引入土木工程類專業(yè)教學，助力新時期新工科的人才培養(yǎng)，仍然是一個重要而值得深入探討的議題，還有很長的路要走。

參考文獻：

[1]中華人民共和國中央人民政府.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）[EB/OL].[2010-07-29].http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[2]王玉瓊.虛擬實驗在中學物理教學中的應用研究[D].成都：四川師范大學，2008.

[3] 王濟軍， 魏雪峰. 虛擬實驗的 “熱” 現狀與 “冷” 思考[J]. 中國電化教育， 2011（4）： 126-129.

[4] 任曉崧，郭雪峰， 周球尚， 等. 對建筑結構抗震課程教學的思考[J]. 高等建筑教育， 2015， 24（4）： 55-58.

[5]鄭妮娜，楊溥，劉立平，等.結構抗震設計課程教學問題調研[J].高等建筑教育，2014，23（3）：75-77.

[6] 楊雪， 吳雙， 宋金剛. 虛擬實驗的感性設計研究[J]. 中國電化教育， 2012（1）： 127-131.

[7] 董倩， 劉東燕， 黃林青. 卓越土木工程師實踐教學體系構建[J]. 中國大學教學， 2012（1）： 77-80.

[8]蔡東升.淺談土木工程專業(yè)學生學習興趣的培養(yǎng)[J].泰州職業(yè)技術學院學報，2009，9（2）：76-78.

[9] 黃榮懷， 鄭蘭琴， 程薇， 等. 虛擬實驗及其學習者可信度認知[J]. 開放教育研究， 2012， 18（6）： 9-15.

[10]呂西林. 建筑結構抗震設計理論與實例[M]. 4版. 上海： 同濟大學出版社， 2015.