道路橋梁檢測(cè)與加固虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與應(yīng)用

何春木 林法力

摘 要 結(jié)合道路養(yǎng)護(hù)與管理、橋梁檢測(cè)與加固等課程的特點(diǎn)，分析開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性。校企聯(lián)合方式開發(fā)了道路橋梁檢測(cè)與加固虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”原則確定仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)模式和考核模式，提供良好的人機(jī)交互操作，體驗(yàn)感強(qiáng)、參與度高。采用項(xiàng)目教學(xué)法組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)虛實(shí)互補(bǔ)，顯著改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬仿真 項(xiàng)目教學(xué)法

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.10.011

Abstract Based on the courses' characteristics of road maintenance and management， bridge detection and reinforcement， the necessity of developing virtual simulation experiment is analyzed. The virtual simulation experiment of road and bridge detection and reinforcement has been developed by school-enterprise cooperation. The simulation experiment items are selected according to the principle of "real experiments fist and combining the real with the virtual". The learning mode and assessment mode have been designed to provide good human-computer interaction， strong experience and high participation. Project teaching method is used to organize experiment teaching. Real experiments and virtual simulation experiments are complementary to each other， which can significantly improve the effect of experiment teaching.

Keywords experimental teaching; virtual simulation; project-based learning

0 引言

交通運(yùn)輸是興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有不可動(dòng)搖的戰(zhàn)略地位。十九大報(bào)告明確提出要建設(shè)“交通強(qiáng)國(guó)”，這是新時(shí)代黨和人民賦予交通運(yùn)輸行業(yè)的光榮使命。建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，動(dòng)力源泉在于創(chuàng)新，創(chuàng)新之路依靠人才。[1]我國(guó)交通建設(shè)行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入“建養(yǎng)并重”階段，[2]行業(yè)發(fā)展對(duì)養(yǎng)護(hù)管理人員的需求旺盛。因此臺(tái)州學(xué)院道路橋梁與渡河工程專業(yè)將道路橋梁養(yǎng)護(hù)與管理確定為人才培養(yǎng)特色之一，開設(shè)了道路養(yǎng)護(hù)與管理、橋梁檢測(cè)與加固等課程，強(qiáng)化相關(guān)知識(shí)和技能的培養(yǎng)。

道路養(yǎng)護(hù)與管理、橋梁檢測(cè)與加固等課程均具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。由于教學(xué)組織、教學(xué)安全等因素影響，相關(guān)實(shí)驗(yàn)開課困難。傳統(tǒng)的課堂講授模式，學(xué)生與工程實(shí)際幾乎絕緣，嚴(yán)重缺乏實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)效果較差。[3]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。[4-5]開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，成為解決工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)困難的重要途徑。[6]

2015年，臺(tái)州學(xué)院采用校企合作方式開發(fā)了“道路橋梁檢測(cè)與加固”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”原則，[7]確定第一批共五個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。探索采用項(xiàng)目式教學(xué)模式開展相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)化了學(xué)生檢測(cè)與加固技能的培養(yǎng)，教學(xué)效果明顯改善。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

分析近三年我校道路橋梁與渡河工程專業(yè)就業(yè)方向發(fā)現(xiàn)交通建設(shè)行業(yè)對(duì)養(yǎng)護(hù)管理人才的需求旺盛。如圖1所示，設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)管理是本專業(yè)學(xué)生就業(yè)的三個(gè)主要方向，其中養(yǎng)護(hù)管理就業(yè)人數(shù)約占20%。同時(shí)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、訪談等方式調(diào)研發(fā)現(xiàn)道路橋梁的改擴(kuò)建工程在交通建設(shè)項(xiàng)目中的比重顯著增長(zhǎng)，這就對(duì)設(shè)計(jì)和施工人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了新的要求。因此在本科教育階段強(qiáng)化道路養(yǎng)護(hù)管理、檢測(cè)加固相關(guān)知識(shí)和技能十分必要。

道路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作的一般思路是現(xiàn)狀調(diào)查與分析→技術(shù)狀況評(píng)價(jià)→制定養(yǎng)護(hù)管理對(duì)策→養(yǎng)護(hù)維修→效果評(píng)價(jià)與持續(xù)性監(jiān)控。道路技術(shù)狀況的檢測(cè)與評(píng)定是科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理的重要依據(jù)，養(yǎng)護(hù)、維修與加固是延長(zhǎng)道路使用壽命、改善道路服務(wù)質(zhì)量、提升道路社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要手段。[8-9]因此相關(guān)內(nèi)容是課堂教學(xué)的重點(diǎn)，不僅要求熟練掌握相關(guān)理論知識(shí)，還要有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、分析評(píng)價(jià)等實(shí)際操作能力。

道路橋梁技術(shù)狀況的檢測(cè)和評(píng)定是一個(gè)系統(tǒng)工程，檢測(cè)指標(biāo)繁多。部分評(píng)價(jià)指標(biāo)可以通過(guò)校外實(shí)習(xí)基地現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定，例如：路面破損的調(diào)查、路面抗滑性能檢測(cè)等。但是部分指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)十分困難，如橋梁承載力實(shí)驗(yàn)的開設(shè)存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生參與度低、實(shí)驗(yàn)安全管理難度大等問(wèn)題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效解決上述問(wèn)題。它一次性開發(fā)、重復(fù)使用，費(fèi)用低，實(shí)驗(yàn)進(jìn)度可控，為道路橋梁檢測(cè)與加固實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一條安全、高效的途徑。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇

道路技術(shù)狀況評(píng)價(jià)包含路面、路基、橋隧構(gòu)造物和沿線設(shè)施四部分內(nèi)容，[10]每個(gè)部分均由多個(gè)技術(shù)指標(biāo)表征其技術(shù)狀況。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇時(shí)堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的基本原則，避免過(guò)度開發(fā)，浪費(fèi)資源。具體從以下兩個(gè)方面落實(shí)：（1）優(yōu)先選擇難度大、成本高的實(shí)驗(yàn)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，其他仍采用真實(shí)實(shí)驗(yàn)。（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和預(yù)設(shè)參數(shù)來(lái)源實(shí)際工程。

根據(jù)以上原則，最終選擇了土基回彈模量實(shí)驗(yàn)、路基路面彎沉實(shí)驗(yàn)、橋梁荷載實(shí)驗(yàn)三個(gè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，橋梁粘貼法和增大截面法加固兩個(gè)橋梁加固實(shí)驗(yàn)。預(yù)設(shè)參數(shù)直接利用教學(xué)團(tuán)隊(duì)近年參與完成的臺(tái)州市某道路大修項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用3D仿真技術(shù)開發(fā)，模擬實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。校企合作進(jìn)行原創(chuàng)性開發(fā)，教師設(shè)計(jì)動(dòng)畫腳本并全程參與后期制作，企業(yè)實(shí)施技術(shù)開發(fā)。為了增強(qiáng)互動(dòng)，優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高參與度，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種教學(xué)模式：學(xué)習(xí)模式和考核模式。學(xué)習(xí)模式提供直觀的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)提示，學(xué)生按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，如圖2所示?？己四Ｊ讲捎弥R(shí)問(wèn)答、自主操作、數(shù)據(jù)處理等方式，考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、步驟和技術(shù)要點(diǎn)的掌握情況，自動(dòng)評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果，如圖3所示。以土基回彈模量實(shí)驗(yàn)為例，其操作流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

道路養(yǎng)護(hù)與管理、橋梁檢測(cè)與加固課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目教學(xué)法。項(xiàng)目教學(xué)法是指通過(guò)師生共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，[11]其最顯著的特點(diǎn)是“以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講、學(xué)生聽”被動(dòng)的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。[12]

3.1 教學(xué)項(xiàng)目構(gòu)建

以臺(tái)州市某道路為教學(xué)對(duì)象，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)參數(shù)直接利用該道路大修實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)直接在現(xiàn)場(chǎng)開展。教學(xué)項(xiàng)目要求學(xué)生分組完成200m路面、路基技術(shù)狀況評(píng)定和1座中小橋技術(shù)狀況評(píng)定，并制定養(yǎng)護(hù)、維修和加固方案。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

圍繞教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分三部分內(nèi)容：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)報(bào)告及養(yǎng)護(hù)維修加固方案。以橋梁檢測(cè)與加固課程實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生在課后自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——橋梁荷載實(shí)驗(yàn)，期中統(tǒng)一組織學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)完成1座兩跨簡(jiǎn)支梁橋外觀檢測(cè)，綜合評(píng)價(jià)橋梁技術(shù)現(xiàn)狀。期末自主學(xué)習(xí)橋梁加固仿真實(shí)驗(yàn)，編寫橋梁加固方案，形成完整的橋梁檢測(cè)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)成績(jī)按虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表現(xiàn)、檢測(cè)報(bào)告質(zhì)量等三方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬道路橋梁檢測(cè)加固的工作過(guò)程，有效解決了大型實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、效果不佳等問(wèn)題。堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，避免資源浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目教學(xué)法，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮校外實(shí)踐基地和虛擬仿真技術(shù)各自優(yōu)點(diǎn)，虛實(shí)互補(bǔ)，明顯改善了教學(xué)效果。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成功開發(fā)與實(shí)施，學(xué)生的檢測(cè)加固能力得到了大幅提升。

基金項(xiàng)目：臺(tái)州市教育科學(xué)規(guī)劃課題（gg19011）

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