互联网+虚拟仿真在土力学实验教学中的应用初探

孙文静,　刘　珂,　张孟喜,　秦爱芳,　孙德安

(上海大学 土木工程系，上海 200444)

0　引　言

土力学是土木工程专业重要专业基础课程，而实验教学又是土力学教学中必不可少的实践性环节，对学生更好地理解、掌握土力学的基本理论知识至关重要。学生只有通过足够的验证性实验和大量综合性实验,才能更透彻地理解和掌握该学科的理论知识,才能培养实际动手能力。因此,有必要进一步增开综合性实验项目,不断改革实验教学方法[1]。

土力学的实验教学课时大约占总课时的25%，其重要性可见一斑。土力学理论教学中，穿插进土工实验学习可以帮助学生深入了解土力学基本概念、基本原理；同时，熟悉土工实验操作方法，有利于培养学生的工程意识，为今后从事土木工程专业技术工作打下基础。然而，现有的实验教学条件难以很好地满足实验教学需求。主要原因包括：

(1) 学生多仪器设备少。仪器设备是实验的物质保证,为保证实验的开设质量,需要多套运行良好的仪器设备。同时，还需有足够宽敞的实验室空间。虽然，随着高校实验室建设投入的增大，实验经费紧张、实验仪器设备有限的问题得到缓和，然而，高校扩招又导致学生人数不断增长，学生多和仪器设备少的矛盾依然存在。目前，主要通过增设课外课时达到减少分组人数的目的，但还是无法实现每位学生都能真正独立操作的教学目标，且指导教师也无法准确评估每个学生的掌握程度[2]。

(2) 实验时间长而实验课时安排少。土力学课程中部分实验所需时间较长，如黏性土的固结试验、三轴试验，每级荷载稳定所需时间很长。引起了真实实验时长与课程实验课时设置过短的矛盾，通常采用演示实验来折中处理，这样不利于学生对实验原理的理解，无疑会影响实验教学效果。

(3) 实验教学内容和方法的系统性有待加强。土工实验项目穿插于土力学课程间，与土力学知识形成一个综合、有机的整体，每个实验项目之间环环相扣，自成体系。但目前大多土工实验教学内容相对独立，且安排在理论教学后，初学的本科生较难发现每个实验之间的内在联系，因此，处于被动学习的状态，没有全局观[3]。另外，对于传统的演示型、验证性实验教学项目，形式刻板、教学方法单一，难以满足本专业理论教学、实践教学、行业发展和学生自主创新的需求，而且很难激发学生学习的兴趣和主动性。

上述实验教学存在的问题，影响了土工实验教学服务土力学课程教学。现代计算机技术给岩土工程学科教学改革提供了动力，也创造了发展条件。近年来，虚拟仿真技术作为一种新的工具极大地改变了传统的认识方法，变革了科学试验方式，扩大了认识领域[4]。构建网络化虚拟仿真实验体系成为当前越来越有价值的重要课题。该技术引入实验教学中，在一定程度上改变了传统的教学模式，缓解了上述提及的实验教学矛盾。国内外许多专家学者[5-8]研究了基于虚拟仿真的土力学实验建设与应用。

这些研究促进了虚拟仿真的土力学实验建设的发展，但以理论学习为导向的定位弱化了虚拟仿真实验的推广。同时，以上虚拟仿真程序都未与实验结果后处理相关联，无法更好而又全面地为教学服务。至今还没有形成有效的实验仿真教学体系，缺乏对土力学试验进行系统全面的仿真模拟[9-10]。

为此，本文提出基于互联网+的虚拟仿真土力学实验教学平台的研发，该平台包括实验仪器的组装模块，实验过程模块，实验结果输出、导入模块，实验数据后处理及后台数据匹配模块4大虚拟模块；涵盖土力学实验的物性、渗透、变形及强度实验，可以呈现每个实验的全过程。使用该程序，学生可进行虚拟常规性及设计性土工实验，并借助程序中的实验数据后处理模块，进行数据处理；同时，指导教师也可以通过后台数据匹配，准确了解每个学生对实验的掌握情况[11]。另外，该虚拟仿真平台可以借助互联网+的模式实现更快捷传播[12]。既对实体实验进行有益补充，又符合现代测试和实验技术的发展方向。

1　互联网+土力学实验虚拟仿真平台的整体构思

土力学实验虚拟仿真平台是面向学生、聚焦课程、强调融合与创新的先进教学平台，该平台涵盖了土力学课程的大部分的常规实验，包括物性、渗透、变形、强度实验四部分[13]，其中物性实验包括密度、含水率、土粒比重、颗粒分析、界限含水率、砂的相对密度和击实实验；渗透实验包括常水头渗透、变水头渗透和渗流模型实验；变形实验包括固结、湿陷、膨胀和收缩实验；强度实验包括无侧限抗压强度、直剪和三轴实验[14]。

通过平台建设，将土力学课程的大部分实验内容相关联，形成一个整体，让学生有一个全局观，摆脱原来只见树叶、不见森林；只顾局部、不见整体的弊端，更加注重宏观方面的思维，让学生融会贯通[15]。

每个常规实验项目又包括实验仪器组装、实验过程设置、实验原始数据输出、学生计算结果再输入、学生数据生成及后台数据匹配等几个环节。经过这一套流程，学生可以清晰地了解实验的仪器、安装、调试，实验的操作步骤，学会并自己动手去进行实验数据的处理[16]。通过后台数据的匹配，平台可以给出“通过”与“不通过”的判断，学生可以据此判断自己的学习情况，有的放矢地进行查询资料及学习、上机操作；指导教师也可据此判断学生实际掌握情况，进行客观评价，解决因“学生多、教师少”造成的指导教师无法准确评估每个学生的掌握程度。同时，该平台设计环环相扣，学生自己动手处理数据并导入程序的步骤是必经环节，加强学生的数据处理能力，并强调了学生对数据处理的重视程度，避免以往填写纸质实验指导书延滞与倦怠效应发生。

除了常规性实验项目，还含有创新性、设计性实验项目。创新性、设计性实验是在学生掌握了常规试验后进行的能力拓展项目，可以面向学生竞赛、毕业设计及研究型选题项目等综合性实验项目[17]。利用虚拟仿真技术，通过可重复性试验，选择最佳设计方案[4]，开展创造性试验项目。该设计性项目还包含虚拟仿真平台专有、填补实体实验空白的实验项目。此类土力学试验项目涉及到场地、试验条件和设备限制，由于成本原因在一般高校的实验室中几乎无法开设。该类实验室项目的设置是为了支持以复杂应力条件下和现场原位测试类为主要内容的综合实践教学。

该教学平台与因特网资源对接，可以查询土力学知识内容的网络资源，如试验相关文献、资料、试验操作流程、视频等，从而增加了平台的深度与广度，将单一的实验教材知识，拓展到广阔的互联网世界。同时，借助互联网+技术，将模块化虚拟设计实验平台共享成网络版，通过内容、时间、空间的融合创新，打造虚拟仿真实验共享平台，让知识更快捷地传播[18]。该共享模式，拓展了教育学本来的物理空间，突出强调交互式学习，增强了师生间、新老学生、高低年级学生、学生与管理员、学生与互联网的互动。得到授权的师生随时可以通过手机终端远程访问共享教学资源，基于互联网的开放、实时、互动特点，可以方便地在业余时间进行学习与沟通，实现了教学资源的师生共享、提高了教学资源的利用率。

该平台还设置了后台数据库更新功能，不断将新的工程实验数据及新的实验方法添加到教学资源中，实现了教学资源与实际工程技术同步发展，弥补了土力学实验教学与工程实践可能脱节的问题。

基于虚拟现实技术的虚拟仿真实验，采用虚实结合的教学模式。学生首先在虚拟平台上进行完整的实验，对实验有一个准确的认识和整体把握；然后，学生进入实验室，自已动手完成实验，对实验仪器、操作步骤等有直观的认识；同时，利用虚拟试验平台的可重现、可共享性，在现场实验结束后，可以重新温习，加深对知识的理解与掌握，避免以往学生做实验走过场、不求甚解的现象发生。这种虚实结合的教学模式，可以使虚拟环境与现场实验相互补充、相互促进[19]。基于互联网+虚拟仿真平台的新的教学模式如图1所示。该虚拟仿真平台着重突出试验设计思想及实验数据后处理分析特点，能够达到丰富学生感性认识、加深对实验教学内容理解的目的[20]。

图1　虚拟仿真土力学实验教学模式

另外，在虚拟教学中，引导学生发现问题，以“问题”为线索，带着问题有的放矢地进入实验室，进行实验操作，去实际感受和探求在虚拟中的困惑。同时，通过现场实验，分析问题、解决问题，解开在实验模拟环节中遇到的疑惑。这种以问题驱动为核心的教学方法，尽量让学生主动发现问题，引导学生通过发现问题来巩固知识，养成良好的学习习惯。

2　平台应用——以固结实验为例

固结实验是土力学实验教学中一个非常重要的实验内容，下面结合固结实验，详细地说明该虚拟仿真实验平台的功能。

首先，由用户认证登录界面(见图2)进入到虚拟仿真平台的主页面(见图3)，实验课程分为物性、渗透、变形、强度和设计5类实验，每大类实验又可分几个具体实验项目，分类标准依据土工试验方法标准(GB/T50123—1999)。固结实验属于变形实验大类。

图4所示为虚拟仿真平台上固结实验的操作流程，主要包括实验仪器组装(图4a)，实验过程设置(图4a)，实验过程(图4b)，实验原始数据输出(图4b)，学生计算结果再输入(图4c)，学生数据生成及后台数据匹配(图4c)等环节。

(1) 实验仪器组装。先输入固结实验土样的参数，如密度、含水量、土粒比重及土样的初始高度，同时，按应力加载路径逐一输入设置的应力值。左下侧的配件为固结仪容器的配件，学生需按顺序将配件依 次拖入工作窗口进行组装。组装完成后，将固结仪容 器拖拉至右侧的固结仪上放好。点击“开始实验”进入实验。

图2　用户认证登录界面

图3　平台主页面

(2) 实验过程装置。图4(b)左侧显示了加载过程中土样变形的二维动画，右侧为原始数据表格，即每级应力稳定时对应的位移计读数的变化量。点击“导出表格”即可导出实验原始数据表格，见图5。表格中的空格是需要计算的数据，学生需要结合专业知识，对原始数据进行处理，完善输出的表格。依次点击“导入表格”“生成e-p曲线”按钮，显示e-p曲线，点击“验证”按键，在e-p曲线上会显示后台数据库匹配的结果，学生和指导教师可以第一时间评判试验的掌握情况。

上述虚拟仿真流程结束后，学生可以对固结试验从仪器安装、加卸载、试验结果及数据后处理的整个流程有了非常清晰的认识。

3　结　语

基于互联网+的思维以及虚拟仿真新技术，对土力学实验的教学方法进行了探索，跨学科合作，探索人才培养新模式。初步搭建了土力学实验虚拟仿真平台，解决了教学中的难题，降低了教学成本，提高了学生学习兴趣，提升了教学质量。

该平台包含土力学实验的物性、渗透、变形及强度 实验，通过模拟程序可以呈现每个实验的全过程，包括 实验仪器组装、实验过程和实验结果后处理。该虚拟仿真程序将土力学实验串联成一个整体的系统，增强了学生的全局概念。运用虚实结合的教育模式，将虚拟仿真平台与实体实验有机结合，增强学生的感观认识，学生在兴趣中进行自我练习与考核，达到良好的实验教学效果。

(a)实验仪器组装

(b)实验过程及数据导出

(c)实验数据后处理

图5　输出的表格

参考文献(References)：

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施工行业资金紧张，导致施工设备经常不变动，日常维护不到位，不注意。施工技术和施工技术发展缓慢，施工过程中，更依赖于经营者的主观意识，对行业标准和规范的缺乏。同时，由于资金短缺，施工企业往往降低建筑材料的采购成本，用质量较差的材料代替优质材料，采购人员要为自己的愿望节省成本。

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