俞 设

(江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122)

钢筋混凝土结构实验教学是钢筋混凝土结构课程教学的一个重要环节，也是土木工程专业人才培养的一个重要组成部分，它具有实践性和应用性强的特点，主要注重培养学生的独立思考和实践能力[1]。

1 钢筋混凝土结构实验教学特点及现状

钢筋混凝土结构实验教学的内容可以分为三个层次[2]：第一层次为基础性实验，如应变片的粘贴、应变仪的使用等；第二层次为综合性验证实验，如钢筋混凝土梁的正截面受弯实验、斜截面受剪实验等；第三层次为探索性设计实验，如钢筋混凝土节点实验、装配式预制构件实验等。在混凝土结构实验教学过程中，这三个层次的内容循序渐进、相互补充，构成了一个立体的教学体系。

钢筋混凝土结构实验在实际教学中也存在诸多不足[3]，如应变片粘贴技术、应变仪的使用、裂缝宽度测量等都是实验中必须要掌握的技术，但是实际实验过程中，学生亲自动手操作的机会有限，往往无法很好的掌握。同时，以钢筋混凝土梁正截面加载实验为代表的综合性实验实际操作中投入大、耗时长、过程复杂，从准备材料、绑扎钢筋、浇筑养护到最后的加载破坏至少需要一个月的时间，有些学校因为实验条件的限制，无法让学生进行全周期的实验，学生只能参与最后的加载实验，部分学校的加载实验也只能进行演示性的。

2 虚实结合的钢筋混凝土结构实验体系设计

2.1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术又称虚拟现实技术，它是利用计算机建立三维数字模型产生逼真的“虚拟环境”，实现对真实世界(甚至是不存在的)的事物和环境的仿真，虚拟仿真技术具有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性的特征[4]。

2.2 钢筋混凝土结构实验虚拟仿真教学系统设计

钢筋混凝土结构实验虚拟仿真教学系统根据我校钢筋混凝土结构实验课程的实际进行设计和开发，该系统搭建了一个虚拟实验的互动交流平台作为基础，学生可利用该平台进行自主学习、考试、操作实验、与老师互动等。该平台包含三个模块的内容，分别是基础模块、综合模块和提高模块，各模块设计包含的实验如图1所示。

2.3 虚拟仿真系统在实际教学中的作用

2.3.1强化基础性实验训练

在虚拟仿真系统设计时，基础模块主要作为基础性实验的熟悉、强化训练、考核的途径。老师在理论课时，即可通过虚拟仿真系统形象的向学生讲解实验的原理和操作过程；在学生实际动手实验前，让学生利用虚拟系统进行模拟，提前熟悉操作的每个环节；同时，该系统可以让每个学生对实验进行反复练习，解决了实际实验过程中学生亲自动手操作机会有限的问题；在实验考核时，系统内的考核模块将问题穿插在学生的操作过程中，理论与实际紧密结合。

2.3.2弥补综合性实验的不足

在综合模块中该系统配合钢筋混凝土结构课程的教学设计了钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力这两个实验，实验包含钢筋笼制作、钢筋应变片布置、浇筑混凝土、试件装配、传感器布置连接和实验加载这6个环节，全过程的模拟了钢筋混凝土简支梁从制作到加载破坏的各个环节。由于本校的实验条件的限制，学生只分组进行钢筋混凝土简支梁的加载破坏实验，无法参与实验梁的制作过程，虚拟仿真系统很好地弥补了这个不足，虚实结合，让学生对于这类综合性实验可以全过程参与。

2.3.3搭建探索性实验的新平台

虚拟仿真系统的提高模块设计了装配式建筑虚拟建造仿真实验和钢筋混凝土结构抗震实验，其中装配式建筑虚拟建造仿真实验主要由我校主研装配式建筑的专业团队打造。该实验项目主要是通过虚拟仿真教学平台对装配式建筑的生产和施工环节进行虚拟建造仿真实验，包含了装配式建筑施工准备、装配式建筑施工测量技术、PC构件制作工序流程、现浇节点施工工艺、装配式建筑混凝土施工技术、装配式建筑套筒灌浆施工技术、装配式建筑构件支撑技术这7个主要环节。该实验契合了当下装配式建筑在国内重点发展的新时机，弥补了学生难以在真实项目环境中实习实践的不足，为学生搭建了学习探索装配式建筑建造技术的新平台。

3 师生对于钢筋混凝土结构实验虚拟仿真系统的反馈和持续改进

钢筋混凝土结构实验虚拟仿真系统和配套的虚实结合的实验教学模式在试运行后，参与的师生以问卷调查的形式对该系统的体验进行了反馈。从反馈结果看，全部参与调查的师生都对这种虚实结合的实验教学模式表示欢迎，认为虚拟仿真系统使理论教学过程更加生动、更易于接受，利用虚拟系统进行模拟后再进行实验使实际操作的步骤更加清晰、操作要点更加明确。师生的问卷中也反馈了该系统的不足，主要有以下几个方面需要持续改进：

1)实验对象单一，如应变片粘贴技术实验目前只有针对钢筋表面的实验，缺少在其他材料表面粘贴的实验；

2)实验设计单一，在钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力实验中，系统对于每种形式的梁只有1个配筋设计，学生无法根据自己的设计进行配筋选择；

3)实验的多路径模拟、“试错”模拟不足，系统在各实验环节设置中只有对正确的操作过程的模拟，学生无法通过该系统对未知、非可行情况的尝试与探索。

4 结语

虚拟仿真技术在钢筋混凝土结构实验教学中的应用为学生提供了一个逼真、生动的虚拟实验环境，使实验教学过程更加形象，激发学生参与实验的积极性。针对目前系统的不足，有必要进一步完成软件的设计与开发，力图为钢筋混凝土结构实验教学提供一个更加强大、实用的虚拟仿真实验教学平台。