宋曉濱 張偉平 黃慶華 任曉丹 朱鵬 陳寶
摘要:為響應教育部關于深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合,不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用,著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平的號召,同濟大學土木工程學院在國家級實驗教學示范中心土木工程實驗教學中心平臺支撐下,建設了混凝土構件受力性能虛擬實驗教學平臺。平臺圍繞混凝土構件的測試過程,包括實驗設計、試件制作和準備、實驗加載、實驗量測、實驗分析等環(huán)節(jié),與混凝土結構基本原理課程虛實結合,以虛補實,實現對實體實驗的補充、擴展和提高。同時,平臺以智能導學、智能助學,引導學生對理論知識拓展應用、預測和驗證,激發(fā)學生探索興趣。
關鍵詞:混凝土構件;受力性能;虛擬實驗;教學平臺
中圖分類號:G642423;TU-4?? 文獻標志碼:A?? 文章編號:1005-2909(2021)03-0158-07
2018年5月,教育部發(fā)布了《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》(教高函〔2018〕5號),深化和拓展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設及開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作內容[1]。國家虛擬仿真實驗教學項目是高等教育在人才培養(yǎng)領域推進“智能+教育”的積極探索,將成為形成高水平人才培養(yǎng)體系的關鍵一環(huán),是推動人才培養(yǎng)質量提升的新興生產力。
作為混凝土結構基本原理的實驗實踐課,同濟大學已開展混凝土構件力學性能實驗教學10余年,是國內的先行者。實驗教學平臺作為同濟大學國家級實驗教學示范中心,是土木工程實驗教學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。同濟大學土木工程學院教學實驗系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)混凝土結構教學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,以及實驗參與人數有限等局限,在試驗加載系統(tǒng)、數據采集和處理系統(tǒng),以及實驗現象與實驗數據處理演示系統(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試驗加載成為可能。此外,實驗室數據采集和處理系統(tǒng)采用英國solartron公司生產的數據采集儀產品,并配備相應的工控機、通訊卡、顯示屏、數據采集器和數據處理軟件,該系統(tǒng)可以實時處理數據并在顯示器上圖形顯示。同時,同濟大學混凝土結構基本原理教學實驗創(chuàng)新性地將醫(yī)用微創(chuàng)手術攝像機用于結構教學,便于觀察試件微小裂縫的形成和發(fā)展,極大地改善了學生實驗學習的效果。
根據工科科研教學特點和混凝土結構基本原理教學大綱要求,該教學實驗共設計了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。學生通過實驗認知教學了解實驗要求,并通過觀看實驗錄像提前了解相關實驗內容,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、學生參觀等方式完成陳列架試件的教學,完善實驗教學內容并提高教學效果。學生通過參與混凝土實體構件破壞全過程演示實驗,進一步認識混凝土基本構件的力學性能和破壞機理,將基本原理應用于實驗過程和結果的解釋分析,以進一步掌握基本理論知識教學。
近年來,隨著計算機技術的高速發(fā)展,虛擬仿真逐漸成為提升學生實物認知的重要手段[3-7],建設與混凝土實體構件實驗相配套的虛擬實驗教學平臺,可彌補傳統(tǒng)實體構件力學性能實驗的不足,對培養(yǎng)土木工程專業(yè)本科生具有重要的現實意義。
一、虛擬實驗教學平臺創(chuàng)新性
(一)實驗方案設計思路
混凝土實體構件破壞全過程演示實驗有助于學生進一步認識混凝土基本構件的力學性能和破壞機理,并且看得見摸得著,破壞過程真實,具有很好的教學演示效果。但考慮到實體
實驗參與度較低,加上課時有限,學生難以參與實驗方案設計、試件制作和安裝、材性實驗等實驗相關的全過程。另外,學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件力學性能實驗課作用的發(fā)揮。
通過建設與混凝土實體構件實驗相配套的虛擬實驗平臺,可彌補傳統(tǒng)實體構件力學性能實驗的不足,可實現每個學生獨立完成若干構件實驗;通過設置方案設計、試件制作和安裝、實驗量測、材性實驗、試驗加載、實驗數據整理等虛擬實驗過程環(huán)節(jié),使學生了解混凝土基本構件各環(huán)節(jié)之間的關系,整體把握構件實驗的全過程;開發(fā)知識點“學習—應用—考核—導學”功能,實現針對每個學生學習基礎和學習興趣的智能導學、智能助學。虛擬實驗還可通過改變截面尺寸、配筋等參數,拓展學生的知識深度,培養(yǎng)其科學素養(yǎng)。
(二)教學方法創(chuàng)新
本科生在進行混凝土實體構件實驗前,優(yōu)先利用虛擬實驗教學平臺進行學習和虛擬實驗,通過虛擬教學實驗對相關的理論知識點進行復習及實驗方法的驗證,學生可參與1~2種混凝土構件的實體實驗。學生根據自己的興趣,利用虛擬實驗平臺進行對實體實驗課外的混凝土構件進行學習實驗。學有余力的學生還可通過該平臺,進行變參數分析虛擬實驗,分析實驗結果的規(guī)律。
(三)評價體系創(chuàng)新
虛擬教學平臺中,在每個模塊的主要知識點學習后都會設置考核模塊,在考核模塊中了解學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用,考核學生對知識的實際應用能力,最終要求學生根據實驗結果,分析實驗中的數據和圖表,考核其綜合應用和知識分析能力。將各部分的當年考核分和歷年學分排名作為學生自我考核和教師綜合考核成績的重要依據。
(四)對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展
虛擬實驗平臺本質上是實體實驗平臺的延伸,是虛實結合的綜合實驗平臺。該平臺為實體實驗提供了理論復習和實驗方法預習條件,平臺的特色復習和預習內容具有針對性。針對實驗相關內容,
復習和預習模塊具有實時考核功能,確保學生在實驗前掌握必要的知識點,提高學生學習的效率。虛擬平臺對知識點的應用情況進行實時評價,確保學生正確應用理論知識。虛擬平臺為學生提供了專享實驗,每個實驗可以獨立進行,不受同時進行實驗的人數限制,為每個學生提供了豐富的實驗項目。此外,虛擬平臺為學生提供了個性學習內容,除了必修知識點外,其它知識點可根據個人興趣選擇,學習內容具有彈性。平臺提供的變參數實驗,也擴展了實體實驗內容,為優(yōu)秀學生的科學素養(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)降低學生學習中知識點的掌握難度,同時大大提高了學習的趣味性。
二、虛擬實驗教學平臺的開發(fā)和功能架構
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)為學生提供相關知識學習和測試;虛擬實驗區(qū)選擇具體混凝土構件虛擬實驗項目,進入后進行相應的預習、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、配筋等變參數分析實驗,進行相應的實驗報告撰寫分析和考核。
本虛擬實驗平臺的模塊用戶(學員)通過web頁面登錄后,可調用插件啟動模塊應用程序exe,同時與后臺Web服務器交互,進行模塊應用程序exe版本檢查、模塊實驗任務的授權檢查、模塊應用程序操作數據/成績同步、模塊正常關閉同步等操作。此外,平臺對不同類型人員設置了差異化的管理權限,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如,對于平臺管理員,在登錄后可導入學員賬戶/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(應用程序)版本及文件等。而對模塊應用管理者(教師),在登錄后頁面會自動跳轉至課程管理中心,可看到所有可管理的課程(模塊)信息,可進行學生管理(添加學生/課程有效時間/查看學習狀態(tài)等),也可進行任務管理(考試時間/分值權重等)。此外,對于模塊用戶(學員),登錄后頁面會自動跳轉至課程學習中心,可看到所有可學習的課程(模塊)信息,開始學習前必須先點擊下載安裝“啟動器”及“課程模塊”,點擊“開始實驗”進入課程學習界面。
本系統(tǒng)根據各模塊內的實驗任務進行交互操作,相關技術參數如下:單場景模型總面數179583,貼圖分辨率512~1024,每幀渲染次數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、虛擬實驗教學平臺實驗項目和教學演示
本虛擬仿真實驗平臺圍繞混凝土構件的破壞過程,針對鋼筋混凝土受彎(包括少筋、適筋和超筋等3類構件)、受剪(包括斜壓、剪壓和斜拉破壞等3類構件)、偏心受壓構件(包括大偏壓、小偏壓)和受扭(包括部分超筋和適筋等2類構件)的受力全過程,以鋼筋混凝土構件受力性能為內核,以圖形顯示為表現手段,具體教學內容包括實驗設計、試件制作和準備、實驗加載、實驗量測、實驗分析等環(huán)節(jié),與混凝土結構基本原理課程的混凝土構件實體實驗相結合,實現對實體實驗的補充、擴展和提高。
本虛擬仿真實驗平臺采用模塊化設計,不同實驗項目共用教學考核和圖形演示模塊。故此,下文以鋼筋混凝土受彎構件為例,簡要介紹系統(tǒng)主要教學考核手段和演示內容。
(一)先修學習
先修學習包含安全教育、基礎知識、儀器設備三個模塊。學生必須完成此三個模塊的學習并考核通過后,才可進入虛擬實驗。
進入主漫游場景后,學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,引導學生完成考核,考核通過后反饋證書結果?;A知識(圖2b)主要介紹基本原理內容,并通過打開外部鏈接的方式,跳轉到同濟大學混凝土結構基本原理慕課的在線學習資料。
儀器設備介紹了混凝土構件實驗中一些常用的實驗儀器或設備,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為功能區(qū),右側為演示區(qū),如圖3所示。
(二)實驗操作和展示
在實驗模塊可通過窗口選擇學習內容(圖4a)。進入實驗場景后,左側為功能菜單,右側為顯示區(qū)域(圖4b)。功能菜單從上到下依次分五個菜單項,包括預習(包含實驗目的、試件設計、結果預測、加載方案、量測方案)、實操(包含試件制作、設備安裝、材性分析、實驗加載、數據分析)、考核(成績查看,教師賬號增加批閱、導出功能)、設置(設置場景相機、移動速度、語音控制等功能)和返回(即返回主漫游場景)。
預習部分主要使學生了解實驗目的,并對相關內容進行考核。通過引導性學習,讓學生了解建筑梁的設計過程,復習荷載預估方法和設計計算過程。在加載方案模塊,學生可以學習加載裝置、加載機制;在量測方案模塊,學生可以學習混凝土平均應變、縱向受拉鋼筋應變、撓度、裂縫測量等知識內容。
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。軟件界面面板左側顯示操作步驟及該步驟相關說明,面板下部功能區(qū)控制步驟的切換及重置當前操作回到原始狀態(tài)(圖5b)。
設備安裝包含千斤頂的安裝、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參數計算,在實驗加載前對實驗鋼筋的強度及力學性能參數進行分析。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。加載頁面左側面板包含荷載輸入功能及數據顯示功能,數據分析主要讓用戶學習如何整理實驗數據,繪制數據曲線(圖6b)。
四、虛擬實驗教學平臺應用情況及效果分析
本虛擬仿真實驗平臺自建設以來,最初通過配合同濟大學混凝土結構基本原理課程教學實驗模塊,虛實結合,極大地提升了教學實驗授課能力和教學效率,累計完成了441位學生的教學和考核工作,并得到了學生認可。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生反饋意見,逐步完善優(yōu)化,目前已將服務對象由校內學生為主逐步擴展到校外學生,并獲批了2019年度上海市虛擬仿真實驗教學項目。
虛擬教學實驗平臺可通過個性化學習,智能導學、智能助學,提高了學生學習效率和教師的授課積極性;通過自主拓展模塊,引導學生對理論知識進行拓展應用、預測和驗證,拓展學生知識深度,體會研究的樂趣;通過個性化考核確保學生掌握先導知識,并可實時展示學生本人及他人的學習掌握情況。因此,虛擬教學實驗平臺以個性化和趣味化
提高了學生學習效率和學習效果,實現拓展學習激發(fā)學有余力的學生的探索興趣,真正做到因材施教。
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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
(責任編輯 崔守奎)