虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式探索與實(shí)踐

劉菲菲，李 軍，張紀(jì)剛，臧曉光，王向英，馬哲昊

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，利用設(shè)備儀器在人為控制條件下，通過(guò)一系列研究對(duì)象內(nèi)在因素的變化，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察、測(cè)定、分析和設(shè)計(jì)等手段，獲得知識(shí)、能力和素養(yǎng)［1-2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)相較于理論教學(xué)更突出學(xué)生的主體位置，手腦并用，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力。土木實(shí)驗(yàn)相較于其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)甚至很多實(shí)驗(yàn)過(guò)程是不可逆的，一旦失敗往往損失較大［3-4］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可將一些高?；驑O端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作等實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為虛擬仿真，有效地解決這個(gè)問(wèn)題［5-7］。在中小學(xué)校、高等教育、職業(yè)學(xué)校建設(shè)一批虛擬現(xiàn)實(shí)課堂、教研室、實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，開(kāi)發(fā)一批基于教學(xué)大綱的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字課程，推動(dòng)教學(xué)模式向自主體驗(yàn)升級(jí)，打造支持自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的沉浸式新課堂是十分必要的。將虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，提升實(shí)驗(yàn)的智能化和信息化，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，探索一條適用于土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路是現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必然選擇。

1 基于虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)體系的研究現(xiàn)狀

土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)包括理論課中的實(shí)驗(yàn)和土木綜合實(shí)驗(yàn)，土木綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性和綜合性較強(qiáng)。土木綜合實(shí)驗(yàn)課是在大三開(kāi)設(shè)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，自主實(shí)驗(yàn)的意識(shí)較強(qiáng)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，土木工程實(shí)驗(yàn)往往受到儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)成本、人員數(shù)量以及安全等限制，只能在特定的時(shí)間和地點(diǎn)，通過(guò)教師的指導(dǎo)來(lái)完成固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［8-9］。以鋼筋混凝土梁斜截面抗彎承載力實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)中鋼筋混凝土梁分為超筋梁、適筋梁和少筋梁3 種情況，由于實(shí)驗(yàn)成本只能進(jìn)行一種實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)試件加工由于工人下料，有可能無(wú)法呈現(xiàn)出試驗(yàn)梁應(yīng)有的破壞形態(tài)。由于學(xué)生人數(shù)多，場(chǎng)地受限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，學(xué)生分組人數(shù)較多，很多學(xué)生（或主動(dòng)或被動(dòng)）無(wú)法參與實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中得不到充分鍛煉，不利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

針對(duì)傳統(tǒng)土木綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，經(jīng)不斷探索將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用其中，積極建設(shè)理實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，逐步構(gòu)建實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真相結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式。土木綜合實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真教學(xué)主要是依托土建虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)包含結(jié)構(gòu)工程、巖土工程和橋梁工程等方向的33 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能高真實(shí)度地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景［10］。虛擬仿真的引入可剔除綜合實(shí)驗(yàn)中一些陳舊的基本練習(xí)型內(nèi)容，優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)，也可進(jìn)行一些前沿科研工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化的研究和探索，提高學(xué)生的創(chuàng)新和探索能力［11-12］。學(xué)生依托云平臺(tái)資源，可隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，甚至可針對(duì)感興趣和具有一定難度的內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)仿真，拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，為學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)有力的保障［13-16］。

2 基于虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)體系

2.1 教學(xué)內(nèi)容

土木工程綜合實(shí)驗(yàn)（含虛擬仿真）是專(zhuān)業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。本課程由結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、道路橋梁和虛擬仿真等實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)設(shè)，既包含傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，也包括一些校企合作開(kāi)發(fā)的具有原創(chuàng)性、示范性的虛擬仿真，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和綜合性，具體見(jiàn)表1。課程總學(xué)時(shí)數(shù)為48，其中第5 學(xué)期課程學(xué)時(shí)數(shù)為32，第6 學(xué)期課程學(xué)時(shí)數(shù)為16。本課程基于力學(xué)原理和土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真使學(xué)生學(xué)會(huì)使用各種儀器、儀表和試驗(yàn)設(shè)備，觀測(cè)采集荷載、變形、應(yīng)變、溫度、振幅、頻率、裂縫等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的性能做出評(píng)估，為驗(yàn)證和發(fā)展相關(guān)理論提供依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生獲得土木工程試驗(yàn)方面的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，能進(jìn)行一般土木工程試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并得到初步的訓(xùn)練和實(shí)踐。

表1 土木綜合實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

土木綜合實(shí)驗(yàn)中虛擬仿真分為兩類(lèi)，結(jié)構(gòu)方向?qū)C合性較強(qiáng)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁抗彎性能試驗(yàn)、鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁抗剪性能試驗(yàn)、鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)和鋼梁整體失穩(wěn)模型實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)仿真和線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，如圖1（a）所示。課前教師將課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容告知學(xué)生，學(xué)生對(duì)試驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，并對(duì)仿真操作進(jìn)行預(yù)習(xí)；課中分為仿真和實(shí)驗(yàn)兩部分，仿真課上教師會(huì)對(duì)涉及的知識(shí)點(diǎn)、操作步驟等內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生進(jìn)行仿真操作，仿真操作后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真考核，考核合格后進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)。土建實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)具有強(qiáng)大的課件推送、資源共享、教師答疑、課堂討論、報(bào)告撰寫(xiě)、得分反饋、彈幕互動(dòng)和數(shù)據(jù)分析等功能，使得學(xué)生能第一時(shí)間了解自己的學(xué)習(xí)情況；實(shí)驗(yàn)虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)均完成后需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)和報(bào)告撰寫(xiě)。對(duì)于巖土方向，如三軸剪切實(shí)驗(yàn)虛擬仿真、標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)虛擬仿真、原位十字板剪切（電測(cè)式）實(shí)驗(yàn)虛擬仿真等，直接采用線上實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)方法，如圖1（b）所示，即課前預(yù)習(xí)、課上采用實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)，教師對(duì)設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)、操作步驟等內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生進(jìn)行仿真操作，仿真操作不受時(shí)間、空間和次數(shù)的限制，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，仿真操作后可進(jìn)行仿真考核，可通過(guò)得分反饋看到自己所存在的問(wèn)題；課下學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)流程

以鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)為例，對(duì)基于虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式進(jìn)行闡述：

（1）課前準(zhǔn)備。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)虛擬仿真是在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力學(xué)習(xí)完成的基礎(chǔ)上開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)仿真開(kāi)始時(shí)，教師會(huì)提前發(fā)布課程任務(wù)，學(xué)生對(duì)試驗(yàn)涉及知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真操作進(jìn)行預(yù)習(xí)。

（2）課中實(shí)驗(yàn)。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)虛擬仿真，集語(yǔ)音、視頻、三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)為一體，學(xué)生通過(guò)操作鍵盤(pán)及鼠標(biāo)可變換視點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)漫游。實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了儀器展示、學(xué)習(xí)模式和考核3 個(gè)功能模塊，如圖2 所示，涵蓋了從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工、應(yīng)變片粘貼、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、加載及數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。

圖2 鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力實(shí)驗(yàn)虛擬仿真功能模塊

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)虛擬仿真前，教師首先需對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真涉及的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作等知識(shí)進(jìn)行講解。鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)虛擬仿真涉及適筋梁、少筋梁、超筋梁3 部分，教師在講解時(shí)既要全面，又要重點(diǎn)突出，還要結(jié)合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行針對(duì)性地講解。不同于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)虛擬仿真講解重點(diǎn)放在理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理方面，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)對(duì)用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器儀表的使用方法、注意事項(xiàng)以及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行講解；引導(dǎo)學(xué)生觀察、了解受彎構(gòu)件受力和變形的3 個(gè)工作階段及適筋梁的破壞特征；學(xué)會(huì)測(cè)定、計(jì)算受彎構(gòu)件正截面的開(kāi)裂荷載和極限承載力；教師講解完成后，學(xué)生可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)虛擬仿真，教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生可對(duì)鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗(yàn)過(guò)程不斷練習(xí)，掌握后可進(jìn)入考核模式。在考核模式下如果選擇錯(cuò)誤，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的扣分，并沒(méi)辦法進(jìn)入下一步的操作。通過(guò)反復(fù)練習(xí)、不斷打磨之后能將應(yīng)變片粘貼、鋼筋混凝土梁加載等實(shí)驗(yàn)流程熟練地掌握和運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)虛擬仿真考核完成后，學(xué)生可通過(guò)平臺(tái)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師進(jìn)行批改。

（3）課后總結(jié)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)虛擬仿真成績(jī)由課堂考勤、實(shí)驗(yàn)考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告3 部分組成，其中課堂考勤占10 %，實(shí)驗(yàn)考核占40 %，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占50 %。實(shí)驗(yàn)考核主要分為實(shí)驗(yàn)技能考核和理論考核兩部分，均在考核模式下進(jìn)行，通過(guò)該部分可考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)技能的理解和掌握，理論考核有單選、多選、判斷等客觀題型，平臺(tái)自動(dòng)評(píng)分。教師可通過(guò)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的追溯及客觀評(píng)價(jià)，做到有的放矢。

3 仿真教學(xué)效果分析

教學(xué)效果的考核以及學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)不僅能考核學(xué)生是否掌握和理解實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真的進(jìn)一步優(yōu)化具有十分積極的作用。本文以2020級(jí)土木工程結(jié)構(gòu)方向?qū)W生為研究對(duì)象，共發(fā)放問(wèn)卷221份，收回有效問(wèn)卷219份，有效問(wèn)卷收回率99.1 %。問(wèn)卷從仿真平臺(tái)質(zhì)量和學(xué)生滿(mǎn)意度兩個(gè)維度展開(kāi)。

通過(guò)問(wèn)卷分析可見(jiàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)具有非常積極的認(rèn)識(shí)，90.42 %的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)虛擬仿真有助于聯(lián)系專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)點(diǎn)；93.15 %的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)虛擬仿真有助于掌握實(shí)驗(yàn)的原理、提高實(shí)驗(yàn)操作能力操作；87.21 %的學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真學(xué)習(xí)所用儀器、實(shí)驗(yàn)原理以及操作流程，并能獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)虛擬仿真具有過(guò)程更安全、教育內(nèi)容更直觀、科學(xué)趣味更濃厚等優(yōu)點(diǎn)，如圖3 所示，并愿意在未來(lái)的學(xué)習(xí)中使用土建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查也可以看出，土建實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)給學(xué)生提供了更多學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)的自由性，68.4 %的學(xué)生利用除課堂之外的碎片和自習(xí)時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

圖3 虛擬試驗(yàn)的效果（多選題）

學(xué)生在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)存在一定問(wèn)題，58.9%的學(xué)生在使用過(guò)程中發(fā)生平臺(tái)崩潰、運(yùn)行卡頓等突發(fā)意外；55.71%的學(xué)生認(rèn)為部分圖標(biāo)和細(xì)節(jié)看不清楚，有待優(yōu)化；45.66%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)儀器不夠靈活，需要進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)82.65%的學(xué)生期待在實(shí)驗(yàn)仿真中增加VR／AR 技術(shù)，進(jìn)一步提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互性和沉浸感。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。從教學(xué)運(yùn)用、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)3 個(gè)方面對(duì)虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)體系進(jìn)行闡述，構(gòu)建了一種基于虛實(shí)結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。本教學(xué)改革成果已成功應(yīng)用于土木工程專(zhuān)業(yè)《土木綜合實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)實(shí)踐，切實(shí)發(fā)揮實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)成果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的關(guān)鍵性、多樣性作用。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查可見(jiàn)，基于虛實(shí)結(jié)合的土木綜合實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新能力，為其他實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供了一種有益參考。同時(shí)，為更好地服務(wù)課堂，提高學(xué)生的參與感和認(rèn)可度，仿真平臺(tái)也需要在使用的過(guò)程中不斷優(yōu)化，解決運(yùn)行卡頓、細(xì)節(jié)不清楚等問(wèn)題。