虛擬仿真技術(shù)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

俞 設(shè)

(江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，也是土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的一個重要組成部分，它具有實踐性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，主要注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和實踐能力[1]。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的內(nèi)容可以分為三個層次[2]：第一層次為基礎(chǔ)性實驗，如應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變儀的使用等；第二層次為綜合性驗證實驗，如鋼筋混凝土梁的正截面受彎實驗、斜截面受剪實驗等；第三層次為探索性設(shè)計實驗，如鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)實驗、裝配式預(yù)制構(gòu)件實驗等。在混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)過程中，這三個層次的內(nèi)容循序漸進(jìn)、相互補(bǔ)充，構(gòu)成了一個立體的教學(xué)體系。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗在實際教學(xué)中也存在諸多不足[3]，如應(yīng)變片粘貼技術(shù)、應(yīng)變儀的使用、裂縫寬度測量等都是實驗中必須要掌握的技術(shù)，但是實際實驗過程中，學(xué)生親自動手操作的機(jī)會有限，往往無法很好的掌握。同時，以鋼筋混凝土梁正截面加載實驗為代表的綜合性實驗實際操作中投入大、耗時長、過程復(fù)雜，從準(zhǔn)備材料、綁扎鋼筋、澆筑養(yǎng)護(hù)到最后的加載破壞至少需要一個月的時間，有些學(xué)校因為實驗條件的限制，無法讓學(xué)生進(jìn)行全周期的實驗，學(xué)生只能參與最后的加載實驗，部分學(xué)校的加載實驗也只能進(jìn)行演示性的。

2 虛實結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗體系設(shè)計

2.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是利用計算機(jī)建立三維數(shù)字模型產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，實現(xiàn)對真實世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境的仿真，虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性的特征[4]。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)根據(jù)我校鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗課程的實際進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，該系統(tǒng)搭建了一個虛擬實驗的互動交流平臺作為基礎(chǔ)，學(xué)生可利用該平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、考試、操作實驗、與老師互動等。該平臺包含三個模塊的內(nèi)容，分別是基礎(chǔ)模塊、綜合模塊和提高模塊，各模塊設(shè)計包含的實驗如圖1所示。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)在實際教學(xué)中的作用

2.3.1強(qiáng)化基礎(chǔ)性實驗訓(xùn)練

在虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計時，基礎(chǔ)模塊主要作為基礎(chǔ)性實驗的熟悉、強(qiáng)化訓(xùn)練、考核的途徑。老師在理論課時，即可通過虛擬仿真系統(tǒng)形象的向?qū)W生講解實驗的原理和操作過程；在學(xué)生實際動手實驗前，讓學(xué)生利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬，提前熟悉操作的每個環(huán)節(jié)；同時，該系統(tǒng)可以讓每個學(xué)生對實驗進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，解決了實際實驗過程中學(xué)生親自動手操作機(jī)會有限的問題；在實驗考核時，系統(tǒng)內(nèi)的考核模塊將問題穿插在學(xué)生的操作過程中，理論與實際緊密結(jié)合。

2.3.2彌補(bǔ)綜合性實驗的不足

在綜合模塊中該系統(tǒng)配合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)設(shè)計了鋼筋混凝土簡支梁正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力這兩個實驗，實驗包含鋼筋籠制作、鋼筋應(yīng)變片布置、澆筑混凝土、試件裝配、傳感器布置連接和實驗加載這6個環(huán)節(jié)，全過程的模擬了鋼筋混凝土簡支梁從制作到加載破壞的各個環(huán)節(jié)。由于本校的實驗條件的限制，學(xué)生只分組進(jìn)行鋼筋混凝土簡支梁的加載破壞實驗，無法參與實驗梁的制作過程，虛擬仿真系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了這個不足，虛實結(jié)合，讓學(xué)生對于這類綜合性實驗可以全過程參與。

2.3.3搭建探索性實驗的新平臺

虛擬仿真系統(tǒng)的提高模塊設(shè)計了裝配式建筑虛擬建造仿真實驗和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震實驗，其中裝配式建筑虛擬建造仿真實驗主要由我校主研裝配式建筑的專業(yè)團(tuán)隊打造。該實驗項目主要是通過虛擬仿真教學(xué)平臺對裝配式建筑的生產(chǎn)和施工環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬建造仿真實驗，包含了裝配式建筑施工準(zhǔn)備、裝配式建筑施工測量技術(shù)、PC構(gòu)件制作工序流程、現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)施工工藝、裝配式建筑混凝土施工技術(shù)、裝配式建筑套筒灌漿施工技術(shù)、裝配式建筑構(gòu)件支撐技術(shù)這7個主要環(huán)節(jié)。該實驗契合了當(dāng)下裝配式建筑在國內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的新時機(jī)，彌補(bǔ)了學(xué)生難以在真實項目環(huán)境中實習(xí)實踐的不足，為學(xué)生搭建了學(xué)習(xí)探索裝配式建筑建造技術(shù)的新平臺。

3 師生對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗虛擬仿真系統(tǒng)的反饋和持續(xù)改進(jìn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗虛擬仿真系統(tǒng)和配套的虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式在試運(yùn)行后，參與的師生以問卷調(diào)查的形式對該系統(tǒng)的體驗進(jìn)行了反饋。從反饋結(jié)果看，全部參與調(diào)查的師生都對這種虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式表示歡迎，認(rèn)為虛擬仿真系統(tǒng)使理論教學(xué)過程更加生動、更易于接受，利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬后再進(jìn)行實驗使實際操作的步驟更加清晰、操作要點(diǎn)更加明確。師生的問卷中也反饋了該系統(tǒng)的不足，主要有以下幾個方面需要持續(xù)改進(jìn)：

1)實驗對象單一，如應(yīng)變片粘貼技術(shù)實驗?zāi)壳爸挥嗅槍︿摻畋砻娴膶嶒?，缺少在其他材料表面粘貼的實驗；

2)實驗設(shè)計單一，在鋼筋混凝土簡支梁正截面受彎承載力實驗中，系統(tǒng)對于每種形式的梁只有1個配筋設(shè)計，學(xué)生無法根據(jù)自己的設(shè)計進(jìn)行配筋選擇；

3)實驗的多路徑模擬、“試錯”模擬不足，系統(tǒng)在各實驗環(huán)節(jié)設(shè)置中只有對正確的操作過程的模擬，學(xué)生無法通過該系統(tǒng)對未知、非可行情況的嘗試與探索。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中的應(yīng)用為學(xué)生提供了一個逼真、生動的虛擬實驗環(huán)境，使實驗教學(xué)過程更加形象，激發(fā)學(xué)生參與實驗的積極性。針對目前系統(tǒng)的不足，有必要進(jìn)一步完成軟件的設(shè)計與開發(fā)，力圖為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)提供一個更加強(qiáng)大、實用的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。