土木工程專業(yè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究①

張 利

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京東燕郊 101601)

土木工程專業(yè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究①

張 利②

(華北科技學(xué)院土木工程系,北京東燕郊 101601)

以FlASH MX、AUTOCAD、PHOTOSHOP7.0、REALBASIC等軟件和工具作為多媒體編輯平臺(tái),合理地應(yīng)用文本、圖形、圖像、音頻、視頻等媒體手段,構(gòu)建了以土力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等土木工程專業(yè)主干課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多媒體系統(tǒng),具有仿真性、互動(dòng)性、可重復(fù)性、低成本性、網(wǎng)絡(luò)普及性等多種優(yōu)點(diǎn),不僅可以很好地滿足人才培養(yǎng)的需求還可以在一定程度上解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置不足的問(wèn)題,對(duì)于提升土木工程類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量,具有一定的先進(jìn)性、針對(duì)性和適用性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;建筑工程專業(yè)實(shí)驗(yàn);仿真教學(xué);FlASH

土木工程專業(yè)具有綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、與工程實(shí)際聯(lián)系緊密的特點(diǎn)。工程實(shí)踐能力培養(yǎng)作為工科教育的重要內(nèi)容,不僅是應(yīng)用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點(diǎn),也是檢驗(yàn)素質(zhì)教育成效的關(guān)鍵性指標(biāo),更是基層單位的迫切要求。然而,目前在許多院校的土木工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在以下三方面的問(wèn)題：一是由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的相對(duì)滯后使一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法正常開出;二是由于儀器造價(jià)較高以及操作的復(fù)雜性,使得本該是由學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)只能作為演示性實(shí)驗(yàn)開出;三是已開出的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于是建立在以實(shí)驗(yàn)室為中心、以某一具體工程部位為依托基礎(chǔ)上的試驗(yàn),因此具有一定的局限性,無(wú)法使學(xué)生掌握建筑工程中施工第一現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)而全面的狀況。其結(jié)果往往造成學(xué)生的工程意識(shí)薄弱、實(shí)踐能力差,進(jìn)而使其對(duì)實(shí)際工程的掌握和處理能力受到極大的制約。

開展以實(shí)際工程環(huán)境為背景基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的土木工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,不僅可以很好地滿足人才培養(yǎng)的需求,還可以在一定程度上解決教學(xué)資源配置的不足的問(wèn)題。目前調(diào)查顯示,在國(guó)內(nèi)土建類相關(guān)院校以實(shí)際工程環(huán)境為背景仿真型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究并未見有任何相關(guān)報(bào)道。本課題研究具有一定的先進(jìn)性,具有十分必要和現(xiàn)實(shí)的意義。

1 研究思路

本課題選擇建筑工程類專業(yè)課程中最具代表性的土力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬,進(jìn)行大膽改革嘗試。

在深入細(xì)致地研究建筑工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和相關(guān)主干課程的教學(xué)大綱及實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱基礎(chǔ)上,通過(guò)深入工程現(xiàn)場(chǎng)和相關(guān)國(guó)家法定建筑質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)部門收集關(guān)于土木工程質(zhì)量檢測(cè)的圖片、錄像和資料素材,再通過(guò)文本、圖形、圖像、音頻、視頻等媒體手段和現(xiàn)代媒體技術(shù)構(gòu)建以土力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等專業(yè)主干課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),以形象、直觀、生動(dòng)的形式引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際,逐步養(yǎng)成自主分析問(wèn)題、并主動(dòng)解決問(wèn)題的良好習(xí)慣,提高綜合能力,滿足建筑工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

2 研究成果

2.1 土力學(xué)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)

土力學(xué)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要分為兩大部分：一是多媒體演示系統(tǒng),二是Flash仿真模擬程序。

用flash軟件制作動(dòng)畫,模擬三軸壓縮試驗(yàn),從而讓操作者了解試驗(yàn),并在操作中學(xué)習(xí)三軸實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí),加深記憶。

操作界面由了解實(shí)驗(yàn)、土樣制備、土樣安裝、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)四部分組成,四個(gè)詞組就是按鈕,需按既有順序依次點(diǎn)擊即可進(jìn)入演示實(shí)驗(yàn)界面。

了解實(shí)驗(yàn)部分——操作者通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)到儀器名稱上可以觀看試驗(yàn)儀器圖片,認(rèn)識(shí)儀器,同時(shí)可以了解本實(shí)驗(yàn)的目的、方法、適用對(duì)象以及一些基本說(shuō)明。點(diǎn)擊“返回”回到主界面。

土樣安裝部分——結(jié)合文本內(nèi)容分步驟介紹土樣安裝過(guò)程,每一部分點(diǎn)擊按鈕播放相應(yīng)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)部分——按數(shù)據(jù)范圍提示輸入土樣特征值和圍壓,依次點(diǎn)擊“確定”、“下一步”、“開始”,測(cè)力計(jì)表盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)模擬顯示實(shí)時(shí)荷載,土樣出現(xiàn)壓縮變形動(dòng)畫,同時(shí)每一時(shí)刻的測(cè)力計(jì)讀數(shù)和土樣軸向形變值將在數(shù)據(jù)區(qū)顯示,并對(duì)形變達(dá)到3%和15%的數(shù)據(jù)給出提示(如圖1)。點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕,可以得出該試樣在形變15%時(shí)的最大主應(yīng)力,同時(shí)繪出τ-σ曲線。

圖1 土樣壓縮變形動(dòng)畫模擬與實(shí)時(shí)壓力變形顯示

點(diǎn)擊“下一步”輸入不同圍壓值,重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)三個(gè)土樣的實(shí)驗(yàn),最終得到三條曲線并繪出這三條曲線的公切線,即土的抗剪強(qiáng)度包線,標(biāo)出公切線與σ軸的夾角和c的值,由此獲得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和粘聚系數(shù)(如圖2)。

多媒體演示系統(tǒng)主要利用Flash的幻燈片功能將三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的基本原理和操作步驟以多媒體形式進(jìn)行表現(xiàn),目的是使觀看者了解實(shí)驗(yàn)的基本原理及其實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要領(lǐng)。Flash仿真模擬程序主要模擬實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程,模擬程序具有試樣選擇、加荷、變形觀測(cè)等功能。“實(shí)驗(yàn)”時(shí)輸入一定的荷載,可以及時(shí)觀測(cè)到“試樣”的變形隨時(shí)間變化,得到荷載與變形的數(shù)據(jù)和曲線。這兩部分是相輔相成,相互糅合在一起,不可分開的。

圖2 土的內(nèi)摩擦角和粘聚系數(shù)測(cè)定

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)系統(tǒng)研究

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)是基于結(jié)構(gòu)基本原理,使用各種儀器,儀表和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)結(jié)構(gòu)物受作用后的性能進(jìn)行觀測(cè),通過(guò)量測(cè)的數(shù)據(jù),如變形,應(yīng)變,溫度,振幅,頻率,裂縫寬度等。了解并掌握結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力和使用性能做出評(píng)估,為驗(yàn)證和發(fā)展結(jié)構(gòu)理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

由于模擬混凝土構(gòu)件實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是能夠在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示裂縫從產(chǎn)生直到破壞的全部變化所以本研究以FLASH8.0為演示、處理平臺(tái),以建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論為依據(jù),忠實(shí)合理直觀形象的描述鋼筋混凝土偏心受壓柱和受彎構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)過(guò)程模擬。

程序以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)要求及工程理論來(lái)定義的算法作為后臺(tái)支持,其前臺(tái)界面為主控菜單。系統(tǒng)包含六大主要模塊：主控菜單模塊,大小偏心選擇以及配筋計(jì)算程序(這里包括幫助模塊),裂縫演算程序模塊,示范試驗(yàn)動(dòng)畫演示模塊,自選試驗(yàn)動(dòng)畫演示模塊,平面演示模塊。

鋼筋混凝土受壓柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M的前臺(tái)顯示由示范實(shí)驗(yàn)和自選實(shí)驗(yàn)兩部分組成。在示范實(shí)驗(yàn)中可以看到典型的受壓柱破壞過(guò)程,通過(guò)選擇受壓柱的破壞類型使用者可以看到兩種破壞即大偏心破壞和小偏心破壞的構(gòu)件外觀形象演示及平面動(dòng)態(tài)破壞演示,使操作者明了兩種不同類型破壞的平面受力特征。

自選實(shí)驗(yàn)是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵內(nèi)容,通過(guò)后臺(tái)若干模塊處理,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者所選構(gòu)件的破壞類型進(jìn)行分析判斷并最終給出構(gòu)件的模擬破壞形式。從操作者的角度需要將擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)(b0,h,e0,l0,N,fc,fy)輸入七個(gè)輸入文本區(qū)(如圖3),然后通過(guò)選定所需鋼筋級(jí)別,系統(tǒng)將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)所選構(gòu)件極限承載力、配筋面積和偏心模式的程序判斷和計(jì)算,并進(jìn)入下一步裂縫演算程序,在裂縫演算界面有有兩個(gè)動(dòng)態(tài)文本框,操作者可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求,選擇分級(jí)加載或者整體加載,分級(jí)加載是將承載力均分為十分,每次加載十分之一(如圖4)。點(diǎn)擊分級(jí)或整體加載之后會(huì)出現(xiàn)反映構(gòu)件相應(yīng)的形態(tài)信息的動(dòng)畫,從而實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土受壓柱破壞的模擬仿真。

圖3 自選實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸入界面

圖4 裂縫演算加載形式選擇界面

3 結(jié)論

教學(xué)實(shí)踐表明,土力學(xué)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)系統(tǒng)具有仿真性、互動(dòng)性、可重復(fù)性、低成本性、網(wǎng)絡(luò)普及性等多種優(yōu)點(diǎn),可很好地滿足人才培養(yǎng)的需求,還可在一定程度上解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置不足的問(wèn)題。我們將根據(jù)學(xué)生的反饋,繼續(xù)改進(jìn)這些系統(tǒng),以達(dá)到更好的效果。

[1] 《面向21世紀(jì)高等工程教育教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃》工作領(lǐng)導(dǎo)小組.挑戰(zhàn)探索實(shí)踐[M].北京：高等教育出版社,1997

[2] 路甫祥,王沛民.工業(yè)創(chuàng)新和高等工程教育改革[J].高等工程教育研究,1996年第4期：12 -15

[3] 張彥通,李季安.面向工程實(shí)踐,正確認(rèn)識(shí)高等工程人才的素質(zhì)培養(yǎng)[J].高等工程教育研究

Research on the simulated test teaching system of civil engineering

ZHANG L i

(Depar tment of Civil Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Based on the multimedia tools of F lASH MX、AUTOCAD、PHOTOSHOP7.0、REALBASIC,by using the text,image, audio and video,it is possible to obtain the s imulated mult imedia test teaching system of reinforced concrete structure and soil mechanics,which are the main courses of Construction Engineering.Because of itsmany advantages,such as simulation,interaction,repetition,low cost and web popularity,the new multimedia test teaching system can not only meet the requirements of personnel training,but also solve the problem of inadequate teaching resources,which is advanced,pertinent and suitable.

test teaching refor m;specialized test course of civil engineering;simulated teaching;FlASH

G642.0

A

1672-7169(2010)01-0107-03

2009-12-17。項(xiàng)目基金：華北科技學(xué)院院級(jí)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目。

張利(1968-),女,河北張家口人,華北科技學(xué)院教授,從事材料學(xué)教學(xué)及科研。