刘 宁 杨艳敏 徐丽娜

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

虚拟实验教学的主要目标是培养学生的创新、研究和实践等综合能力及素质，是高等院校培养优秀人才的重要实践组成部分。近年来高校虚拟仿真实验教学的发展得到了国家的大力支持，在这种机遇下国内部分土建类高等院校利用虚拟仿真技术建立了相关专业的虚拟仿真实验室，并展开相应的虚拟仿真实验教学活动[1，2]。经过多年的探索和发展，虚拟仿真实验教学已成为高校信息化和实验教学基地建设中不可或缺的环节，并且是信息网络技术与各学科专业之间高度融合的产物[3]。

1 传统实验教学模式特点及问题

实践是土木工程学科发展的重要基础，土木工程专业的核心课程包括基础工程、钢结构设计基本原理、混凝土结构基本原理、工程结构抗震与防灾、桥梁结构等，所涉及的教学实验普遍存在以下特点。

1.1 实验构件成本高、制作周期长

实体的建筑结构如房屋、隧道、桥梁等工程通常体量较大，对这些体量较大的结构或构件很难在实验室完成足尺实验[4]。此外，与土木工程专业相关的实验存在实验周期较长、实验成本较高的特点，如“受弯构件实验”需要用到的钢筋混凝土梁、柱构件实体实验模型，从试件设计、钢筋下料、模具制作、浇筑及养护直至实验课上的加载试验不仅需要投入大量耗材，较长的实验周期也制约了学生的全程参与[5]。

1.2 实验危险系数高、消耗大

土木工程专业实验通常要进行破坏性试验，并且是脆性破坏，具有一定的突然性，实验过程中的安全情况难以完全掌控，尤其是工程结构抗震、结构耐高温等实体实验项目，其危险性更高，并且此类实验都属于一次性破坏实验，每次实验均需要制作模型试件，从而造成较大的资源消耗[6]。

1.3 学生缺少全过程的参与体验

土木工程实验课程通常包括试件的设计和制作、实验加载、数据采集与处理，最后提交实验报告册。由于试件数量及实验学时的限制，在实验授课过程中学生大多分为5～10人一组，每位同学负责一部分实验内容，分工合作，以组为单位共同完成实验。因此，会导致每位同学无法独立系统地操作，难以体验完整的实验过程，在一定程度上缺乏对实验整体的认知。

鉴于以上在传统土木工程专业实验教学中存在的问题，为化解传统实验教学与学生能力素质培养之间存在的障碍，提高实验教学效率，扩展实验课堂知识的广度和深度，在实验室完成试验和教室中学习理论的基础上，利用专业虚拟仿真实验平台，采用多媒体和网络通信技术，构建具有高度真实感、直观、精确的虚拟仿真实验教学平台是对传统实体实验教学的有益补充和创新。

2 虚拟仿真结构实验教学体系构建

土木工程实验中心经过近几年的实验教学积累和参与科研创新活动，整合了丰富的虚拟仿真实验教学资源，始终秉承“立足教学、面向工程、开放共享”的虚拟仿真实验教学理念，旨在将虚拟实验与实体实验相互补，实现教学资源与仿真实验的开放共享，不断提升学生的自主学习能力与实践创新能力。

2.1 建设思路

（1）土木工程虚拟仿真实验平台为加强土木工程学科专业实验室的教学能力，提供多种结构实验仿真模块，从而提升实验教学内容的丰富程度。将现有的专业知识结构分为实验原理介绍、课程相关综合实验、专业综合实验等难度逐级递进的多个实验项目，实现学生能够从不同的角度、视觉和领域掌握与学习专业知识。

（2）虚拟仿真实验平台与理论课程、实体实验紧密结合，三大虚拟仿真试验模块与三门实验课程支撑三门专业主干理论课程，辐射其他六门专业课程，基本覆盖了土木工程结构相关的主要课程。

2.2 教学内容

（1）以钢筋混凝土简支梁受弯试验为例，该实验是土木工程专业三年级本科生必修的基础实验，由于在传统实体实验中受到场地、耗材量、时间的限制，学生在课堂上能完成的简支梁加载破坏试验数量并不多。钢筋混凝土简支梁受弯虚拟仿真实验可以作为实体实验的有效辅助手段，在虚拟仿真实验平台中，学生可以利用虚拟动画模拟钢筋混凝土梁的制作，并根据设计完成适筋、少筋及超筋梁，不同配筋率的简支梁破坏试验模拟。并且能够在虚拟试验场景中反复调整实验工况及参数，体验不同工况条件下的实验过程及实验结果之间的区别。主要包括：对每种试件可通过设置构件长度、截面尺寸以及配筋等模型参数，在模拟试验场景中设置百分表、混凝土及钢筋应变片，可实现实验梁的裂缝出现并逐渐发育，动态显示加载曲线。同时，可调整分配梁、两端支座、加载点控制、应变片布设位置、百分表布设条件，实现多次重复实验。在实验工况参数确定后，虚拟仿真实验系统可完成数值归零、加载值显示、变形及试件开裂显示、变形曲线绘制等功能，如图1所示。

图1 钢筋混凝土简支梁受弯虚拟仿真试验

（2）教师可查看学生使用虚拟实验平台的登录日志，登录IP及登录时间和时长，从而评价学生是否在认真完成虚拟实验学习任务。学生完成某个试验模块学习后可在线进行原理考核、试验操作考核并提交实验报告，系统自动批改后将成绩、详情保存至服务器。通过管理权限教师能够查看学生的学习进程、考试成绩和下载实验报告进行批阅，从而形成多角度、多层次的实验教学评价体系。

（3）由于虚拟仿真实验平台挂靠在校内云端的服务器上，因此学生可以在寝室、自习室等任何校内的地方通过校园网和计算机访问虚拟仿真实验平台中的实验资源。对于校内资源共享，学生可以更合理地分配学习时间，在不限定的地点和规定时间内完成虚拟实验学习任务即可。同时，虚拟仿真实验平台的教学资源还可以对开放性实验及大学生创新创业项目等创新性实验开放共享。

3 虚拟仿真结构实验在教学中的作用

目前，虚拟仿真实验平台已结合“土木工程结构试验”“混凝土结构基本原理”的课内实验完成了尝试性的实验教学，试用对象为土木建工系2019级学生，分4次课开展了8个学时的“实体+虚拟”实验教学。学生对实验平台内的实验项目进行了学习体验并撰写完成相应的实验报告。结合实验成绩和实际教学效果分析，虚拟仿真实验平台在纳入实验教学实际应用后，主要体现出以下3个方面反馈效果：

（1）教学效果有所提升。通过与往届学生对实验仪器设备及操作步骤的掌握程度进行对比，可以发现参与本次虚拟仿真实验的学生由于在虚拟平台上的提前预习，进入实体实验室后能够更快速熟练地掌握设备仪器使用以及数据采集、数据分析的方法。虚拟动画中生动、直观的实验表现形式也帮助学生们对实验课程的理论知识有更深刻的体会和领悟。

（2）学习兴趣提高。对比传统的实验教学模式，学生对这种较为新颖的结合虚拟仿真的教学方式表现出强烈的学习兴趣，学习热情明显提高，并且大部分学生表示在课余时间会登录虚拟仿真平台继续学习相关实验知识和实践操作。

（3）课程考核成绩提升。与往届学生的实验成绩相比，参加本次虚拟仿真实验教学的学生考核成绩整体上有所提升。实验结束后，学生可以根据实验报告中的批阅意见回顾自己在实验操作和数据处理中存在的问题，也可以再次登录系统进行操作，在加深学习印象的同时给予学生有效的实践指导和反馈。

4 结语

虚拟仿真实验教学在高校实验室中的应用范围不断扩大是高校应用型人才培养与现代信息技术在发展和探索过程中的必然结果，已成为实验教学中重要的实验辅助工具。本文通过在钢筋混凝土简支梁受弯虚拟仿真实验教学中的实践表明，将虚拟仿真实验应用于土木工程结构实验教学中，能够在一定程度上缓解传统实验教学与当代工程化人才培养之间存在的问题。尽管目前虚拟仿真实验教学模式在实际实施过程中仍存在一些问题或不足，但其作为一种结合了信息技术的教学模式，丰富了实验教学内容的广度和深度，强化了对学生工程素质的培养，对持续推进实验教学信息化建设，促进实验教学的改革和创新具有重要的意义。