新工科背景下土木工程防災(zāi)減災(zāi)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)與實踐

熊 焱，侯 爽，吳 迪

（1.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510405）

我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。對我國大多數(shù)城市來說，地震、火災(zāi)、洪水是主要的災(zāi)種。近年來，隨著城市建設(shè)的加快，高層、超高層、大跨度建筑物防災(zāi)減災(zāi)問題日益突出。土木工程是防災(zāi)減災(zāi)最重要的學(xué)科和行業(yè)，具有其他學(xué)科都不具有的主動性和不可替代性。為進一步提升高校學(xué)生的防災(zāi)減災(zāi)意識和素養(yǎng)，實現(xiàn)災(zāi)害教育的普及和傳承，近年來許多高校以通識課或?qū)I(yè)課程的形式逐步開設(shè)了防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)的課程。因此，作為土木工程專業(yè)的人才更應(yīng)掌握防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)的知識和技能，以服務(wù)社會。

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是威脅公共安全的一種主要災(zāi)害形式，每年都給人類帶來重大損失。我國每年發(fā)生建筑火災(zāi)15 萬余起，直接財產(chǎn)損失1.6 億元。為了同時培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用及研究建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的創(chuàng)新能力，使學(xué)生掌握建筑結(jié)構(gòu)抗火的理論及基本原理設(shè)計方法。從2002 年起，在建筑結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)課程中開設(shè)了“火災(zāi)害及結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計”專題，并于2006 年在國內(nèi)率先開展了“鋼混凝土板的耐火性能實驗”教學(xué)。該教學(xué)活動獲得學(xué)生和業(yè)界的一致好評，國內(nèi)多所高校教師前來學(xué)習(xí)取經(jīng)。實施十余年實體實驗教學(xué)，在教學(xué)過程中存在如下問題：學(xué)生在進行鋼筋混凝土樓板的抗火設(shè)計及其耐火實驗時，往往因為考慮問題不夠仔細周全，樓板的設(shè)計耐火極限和實驗結(jié)果有較大偏差，甚至出現(xiàn)錯誤；由于從樓板設(shè)計到澆筑施工再到耐火實驗，周期較長，實驗成本較高，學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤后不可能有重新再來一遍的機會；出于安全考慮實體實驗中試件明火實驗一般是由經(jīng)驗豐富的實驗員操作，學(xué)生基本全程觀摩、缺少獨立思考、學(xué)習(xí)主動性不高，學(xué)習(xí)效果欠佳；實體實驗還具有較高的危險性和不可逆性。

針對上述原因，本團隊在二十余年結(jié)構(gòu)抗火科研成果和大量試驗數(shù)據(jù)積累下，通過整合實驗和有限元分析數(shù)據(jù)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)完成了鋼筋混凝土板的設(shè)計性虛擬仿真耐火實驗教學(xué)平臺的開發(fā)和建設(shè)。

在實驗中，學(xué)生需要整合多門基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在給定實驗材料、構(gòu)件尺寸和常溫荷載比的條件下，設(shè)計出具有預(yù)定耐火極限的鋼筋混凝土板，完成該板的加工制作，開展該板從荷載布設(shè)、儀器安裝、高溫變形量測直至達到耐火極限的全過程明火實驗，分析該板實測耐火極限與預(yù)定耐火極限的差異原因，撰寫實驗報告。該實驗有較高的自由度，學(xué)生在設(shè)計過程中可能由于概念不清晰，或計算出錯而給出錯誤方案，若沒有及時發(fā)現(xiàn)處理會導(dǎo)致試件無法達到預(yù)定耐火極限，是一個多過程、多結(jié)局的實驗。

一、鋼筋混凝土板的設(shè)計性虛擬仿真耐火實驗平臺

（一）實驗原理

1.了解鋼筋混凝土板耐火實驗的設(shè)備、儀表及其工作原理。通過虛擬動畫高品質(zhì)構(gòu)建出實驗場地，以及對亞熱帶建筑科學(xué)國家實驗室的“巡游”，了解不同實驗室的實驗對象；對結(jié)構(gòu)耐火實驗室的“巡游”，了解實驗室內(nèi)“三大”高溫實驗爐的工作尺寸、實驗對象、加載能力等；對實驗儀表設(shè)備進行介紹，了解其工作原理。

2.掌握混凝土抗壓強度和鋼筋抗拉強度試驗值與標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)別。通過虛擬實驗對給定材料（混凝土和鋼筋）強度進行測試，并對試件破壞歷程及最終形態(tài)給予生動描述；掌握實驗設(shè)計中應(yīng)采用材料（混凝土和鋼筋）強度的試驗值（由實驗中材料強度測試獲得），而非材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.掌握均布荷載模擬和儀表科學(xué)布設(shè)方法。通過逐步給出操作步驟提示，規(guī)范、科學(xué)地指導(dǎo)學(xué)生完成對虛擬試件的荷載模擬及儀表布設(shè)；實驗中樓板受到的均布活荷載均由荷重塊以均布分布的方式進行模擬；實驗中受彎構(gòu)件背火面溫度采集點須布置于板背火面溫度特征點上；考慮板的寬度影響，位移計須在板中部均勻布置。

4.掌握鋼筋混凝土板明火實驗全過程操作、實驗采集及結(jié)果輸出。通過虛擬動畫高逼真展示鋼筋混凝土板明火實驗的全過程：控制臺點火、試驗爐點火生成升溫曲線、試驗爐內(nèi)板受火后變形和裂縫開展情況、板背火面熱電偶采集數(shù)據(jù)生成溫度-時間曲線、跨中位移計采集數(shù)據(jù)生成撓度-時間曲線。

（二）教學(xué)目的

1.以虛代實：學(xué)生通過線上學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，師生互動交流，完成對基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識的梳理歸納。

2.以虛補實：現(xiàn)代高科技手段構(gòu)造出逼真的實驗室畫面，極大地增強了體驗者的沉浸感、臨場感和真實感，學(xué)生通過在線“游覽”實驗室，完成對相關(guān)儀器設(shè)備的認(rèn)知及其使用方法的了解。

3.虛實結(jié)合：學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中進行試件設(shè)計、加工制作、儀表布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、試件觀測，并做出試件耐火極限的判定，線上考核通過后預(yù)約開放實驗室進行線下實體實驗操作。獨立完成、全程參與鋼筋混凝土樓板的抗火設(shè)計及其耐火實驗的全過程，有利于學(xué)生實踐應(yīng)用能力和動手操作能力的培養(yǎng)。

4.以虛驗實：學(xué)生通過預(yù)設(shè)鋼筋混凝土樓板的荷載比和耐火極限，給出板的配筋設(shè)計及荷載設(shè)計，利用虛擬平臺開展明火實驗，得出實驗結(jié)果，對預(yù)設(shè)目標(biāo)加以驗證，并進行分析研判。學(xué)生通過“嘗試錯誤”的過程，從中審視、體驗中知錯、改錯、防錯，進一步提高了自辨能力。

將“虛實結(jié)合”“線上線下”等教學(xué)模式有機融合，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量；同時，向社會開放共享了一流學(xué)科的優(yōu)質(zhì)教育資源，起到了一流大學(xué)對社會文化發(fā)展的引領(lǐng)作用。

（三）教學(xué)方法

1.交互式教學(xué)：學(xué)生登錄實驗平臺進行相關(guān)專業(yè)知識學(xué)習(xí)、試件耐火性能預(yù)設(shè)及其實驗驗證、在線知識考核，即時檢驗學(xué)習(xí)效果，學(xué)習(xí)中遇到問題可通過實驗幫助中的學(xué)習(xí)交流平臺與教師或其他同學(xué)交流討論。通過在虛擬環(huán)境中的師生間、生生間、人機間的相互交流和相互作用達到交互式的教學(xué)效果，達到學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，在交互中扎實掌握理論知識，熟練操作技能的目的。

2.探究式教學(xué)：通過三維動畫逼真構(gòu)建出實驗室內(nèi)場景，極大增強體驗者的沉浸感、臨場感和真實感，激發(fā)學(xué)生對實驗室內(nèi)主要大型儀器設(shè)備功能用途的探究。在給定實驗材料、構(gòu)件尺寸和常溫荷載比的條件下，引導(dǎo)學(xué)生探究設(shè)計出具有預(yù)定耐火極限鋼筋混凝土板的正確方法，通過虛擬明火實驗驗證預(yù)設(shè)目標(biāo)，并對結(jié)果差異給出合理分析。通過探究式教學(xué)達到培養(yǎng)學(xué)生運用自學(xué)和探究獲得的知識，學(xué)會舉一反三，解決類似或相關(guān)的問題，從而牢牢掌握專業(yè)知識和實操技巧。

3.支架式教學(xué)：本虛擬仿真實驗項目以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和自主學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)。系統(tǒng)平臺一步一步地為學(xué)生的學(xué)習(xí)構(gòu)設(shè)適當(dāng)?shù)?、小步調(diào)的線索或提示，讓學(xué)生通過這些提示一步一步地攀升，逐漸發(fā)現(xiàn)和解決構(gòu)件設(shè)計、試件加工、儀表布設(shè)和明火實驗過程中的問題；設(shè)置了一些相關(guān)知識點的選擇判斷，讓學(xué)生自己去分析、探索，學(xué)生給出答案后系統(tǒng)立即判別正誤，顯示正確解答。通過實驗過程適時提示，幫助學(xué)生沿概念框架逐步攀升，掌握所要了解和學(xué)習(xí)的知識，提高問題解決能力，成長為一個獨立的學(xué)習(xí)者。

（四）實驗流程設(shè)計

本項目主要由實驗準(zhǔn)備、試件設(shè)計、實驗操作以及實驗總結(jié)四大部分組成。學(xué)生首先預(yù)習(xí)掌握相關(guān)專業(yè)知識，再進入到虛擬實驗室內(nèi)對相關(guān)儀器設(shè)備進行認(rèn)知，熟悉掌握儀器設(shè)備的使用方法；然后進入試件的設(shè)計階段，包括試件的配筋設(shè)計和荷載設(shè)計；之后進入實驗操作階段，包括試件的加工制作、儀表布設(shè)、明火實驗、數(shù)據(jù)采集及火損試件觀測；最后進行實驗的分析、撰寫實驗報告，以及相關(guān)知識點的考核。實驗流程圖如圖1 所示。

圖1 實驗流程圖

（五）項目特色

1.以科研反哺教學(xué)

本虛擬實驗教學(xué)項目是在吳波教授及其團隊科研成果和教學(xué)實踐基礎(chǔ)上開發(fā)的。鋼筋混凝土板的配筋設(shè)計及荷載設(shè)計組合工況共計144 種，通過虛擬明火實驗采集、生成板背火面溫度-時間曲線和板跨中撓度-時間曲線共計288 條。144 種工況及其實驗數(shù)據(jù)曲線是吳波教授及其團隊二十余年結(jié)構(gòu)抗火科研成果和大量試驗數(shù)據(jù)積累下，由吳波教授指導(dǎo)、一名博士研究生和一名碩士研究生采用ABAQUS 有限元軟件，對高溫下鋼筋混凝土板三維瞬態(tài)溫度場和三維力學(xué)性能進行非線性分析模擬得到的。

2.對實體實驗總結(jié)凝練

本虛擬平臺構(gòu)設(shè)框架是十余年實體實驗——鋼筋混凝土板的耐火性能實驗,在總結(jié)經(jīng)驗、反思不足后凝練而成。實體鋼筋混凝土耐火實驗，由于成本高、周期長、危險大、過程不可逆等原因，每個學(xué)生難以全程參與，且為了避免實驗操作失誤而造成試件對試驗爐的損壞、或其他意外事故，實體實驗一般是由經(jīng)驗豐富的實驗員操作，學(xué)生基本全程觀摩、缺少獨立思考、學(xué)習(xí)主動性不高，學(xué)習(xí)效果欠佳。學(xué)生通過虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)、操作、線上考核通過后，可預(yù)約開放實驗室進行線下實體實驗操作。

3.多過程多結(jié)局實驗

本虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺采用先進的計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實驗項目場景高逼真還原了結(jié)構(gòu)耐火實驗室場景實體實驗全過程，使得本虛擬仿真實驗教學(xué)變得更加生動、直觀、規(guī)范。在實驗中，學(xué)生需要整合多門基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在給定實驗材料、構(gòu)件尺寸和常溫荷載比的條件下，設(shè)計出具有預(yù)定耐火極限的鋼筋混凝土板，完成該板的加工制作，開展該板從荷載布設(shè)、儀器安裝、高溫變形量測直至達到耐火極限的全過程明火實驗，分析該板實測耐火極限與預(yù)定耐火極限的差異原因，撰寫實驗報告。該實驗有較高的自由度，學(xué)生在設(shè)計過程中可能由于概念不清晰，或計算出錯而給出錯誤方案，若沒有及時發(fā)現(xiàn)處理會導(dǎo)致試件無法達到預(yù)定耐火極限，是一個多過程多結(jié)局的實驗。

4.教學(xué)方法創(chuàng)新

依托網(wǎng)絡(luò)，借助PC 平板、智能手機等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，登錄訪問鋼筋混凝土板的設(shè)計性虛擬仿真耐火實驗，通過在線設(shè)計、操作、互動、答題等方式在線完成鋼筋混凝土板的設(shè)計性虛擬仿真耐火實驗中教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，解決以往學(xué)生在進入實體實驗室對鋼筋混凝土板耐火實驗“規(guī)范化”操作流程感性認(rèn)識不足、核心知識點掌握不全面的缺點，還為我們引入MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)模式，實施形成考核評價體系創(chuàng)造了條件。

5.評價體系創(chuàng)新

虛實結(jié)合，過程與結(jié)局綜合評價，根據(jù)反饋及時改進。此外，試件設(shè)計、加工制作和實驗驗證等“多位一體”，通過理論計算和實驗操作更加全面地考核和評價學(xué)生。實體實驗中難以獲得每個學(xué)生操作的不足、前后的進步等過程性評價，虛擬仿真通過自動考核系統(tǒng)就很便捷地得到了實現(xiàn)，教師可獲知學(xué)生的易犯錯誤并進行重點點評，學(xué)生可根據(jù)自己的錯誤進行針對性改正。

6.對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

通過在線上先學(xué)習(xí)該虛擬仿真項目，打破時間壁壘，在給定時間內(nèi)獨立完成鋼筋混凝土板的抗火設(shè)計及耐火實驗操作，有利于學(xué)生的試件設(shè)計能力和實踐操作能力的培養(yǎng)；鋼筋混凝土板設(shè)計性耐火實驗線上考核通過后才能預(yù)約開放實驗室進行線下實體實驗操作訓(xùn)練，如此，以虛代實、以虛補實、以虛驗實、虛實結(jié)合，可最大程度解決實體實驗教學(xué)中面臨的問題，提高教學(xué)質(zhì)量。另外，還能通過線上的學(xué)生之間、師生之間的交流，答疑解惑，不斷進步。此外，手機移動端的應(yīng)用，突破空間限制，可隨時隨地進行學(xué)習(xí)。

（六）項目實施效果

本項目的網(wǎng)址是http：//www.ilab-x.com/details/v4?id=5231&isView=true。通過鋼筋混凝土板的設(shè)計性虛擬仿真耐火實驗項目的應(yīng)用，每位學(xué)生個體均可以完成從實驗前相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，到試件設(shè)計、試件加工制作、荷載布設(shè)、儀器安裝、溫度變形量測、數(shù)據(jù)采集分析，直至耐火極限判定以及撰寫實驗報告的全過程；培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，解決實際問題的能力；給學(xué)生提供充分思考、從各種途徑尋求解決方法的時間，鼓勵學(xué)生試錯，從失敗中學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)經(jīng)驗，獲得最佳設(shè)計的空間。

項目從實施到目前為止，已經(jīng)有25 398 人次的實驗瀏覽量，其中有1 769 人次已經(jīng)完成整個實驗過程，在實驗完成人員中有1 151 人次達到優(yōu)秀，達標(biāo)數(shù)為394 人次，不達標(biāo)數(shù)為224 人次，整體通過率為87.3%。從參與實驗人員的反饋：“加深對結(jié)構(gòu)耐火性能知識的理解；通過實驗的確實操作和切實體會，使得課堂上所學(xué)知識與實踐完美融合；在實驗中驗證理論，在實驗中加深理論學(xué)習(xí)的理解和認(rèn)知”，可以看出學(xué)員給予本實驗高度評價與認(rèn)可，也達到了本虛擬仿真項目最初目的。本項目被認(rèn)定為2019 年度國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目，后續(xù)將持續(xù)為土木工程防災(zāi)減災(zāi)人才培養(yǎng)服務(wù)。

二、結(jié)束語

面向當(dāng)前科技革命帶來的深刻變革，著眼于培養(yǎng)適應(yīng)時代要求的工程技術(shù)人才，新工科建設(shè)思想提出了“面向重大工程建設(shè)需求的工程意識、工程素質(zhì)、工程實踐能力和創(chuàng)新能力”，并強調(diào)“優(yōu)質(zhì)教育資源和教育成果共建共享”理念。新工科背景下，大規(guī)模在線開放課程的迅速興起，打破傳統(tǒng)教育的時空界限，顛覆傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式。虛擬仿真實驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物，極大增強了體驗者的沉浸感、臨場感和真實感，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)并探究的興趣，增強了學(xué)生們對知識的獲取能力，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，并解決實際問題的能力。學(xué)生通過在虛擬場景的身臨其境并進行人機交互的自主操控，在實驗操作中掌握了具有預(yù)定耐火極限鋼筋混凝土板的荷載比和配筋設(shè)計，及根據(jù)試驗結(jié)果分析判斷鋼筋混凝土板的耐火極限，提高了實驗技能，提升了分析問題、解決復(fù)雜工程問題的能力，達成了培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的目標(biāo)。