土木工程专业计算机辅助实验教学探讨*

吴晓枫 钱红萍

0 引言

在当前的形势下,计算机以及网络正在飞速发展,被人们应用在各个领域。它传输信息快捷,使用方便,具有自主性,交互性,开放性和资源共享性等特征,给我们的生活和学习开辟了新的空间。另外,土木工程高等教育中的实验教学一直存在着各种困扰。结合计算机及其网络技术为土木工程实验教学提供新的尝试和探索。

1 影响土木工程实验教学的主要问题

土木工程实验教学主要分为两大类:一类是材料类的实验;另一类是构件体系类的实验。其中材料类的实验占主要部分。首先要解决的是实验场地,每两个同学使用一台仪器来计算,普通教室的面积最多只能容纳部分学生同时进行实验操作,而且不同课程的实验需要不同的实验教室,因此,实验室所需要的面积大大增加。其次实验仪器也具有占地面积多,收纳繁琐,费用高,易损坏等特点。如果不能满足班级同时进行实验教学的要求,那就只能分批次进行,这样学生的实验被安排在不同的时间段,老师的工作量大大增加。

学生方面由于专业知识和实验操作要点准备不充分,实验操作也只是“依葫芦画瓢”,按照老师的布置,自己动一下手而已。对于材料的准备,仪器的选择,测读的要求,以及原始数据的记录要求和格式,报告的内容和数据处理等方面,并没有一个系统的学习和锻炼,不能充分调动学生积极思考,主动学习的能力。甚至在实验数据出现偏差和异常的时候,只是擅自修改结果而不是分析问题所在。这样就造成了很多实验只是走过场,并没有最大限度开发学生自己动手、自主学习、主动思考的能力。有的学生想要更高的实验要求,尝试新方法,探索新问题,也不能在有限的实验课里实现自己的愿望。

2 计算机辅助实验在土木工程实验教学中的应用

2.1 实验的网络演示

在土木工程专业课的教学过程中,很多专业课的技术要点和实验研究需要用实验演示来增强教学的效果和形象的验证,但是很多实验在课堂和实验室实际操作时需要很多准备的时间和材料,而且课堂演示的效果也不能完全令人满意,花费的时间也很长,甚至有的具有一定的危险性。如果采用计算机多媒体技术重现这些实验过程,就可以解决以上这些问题,达到很好的演示效果。

计算机演示实验目前应用得最简单最普遍的就是视频拍摄以后在课堂教学中播放。视频演示非常逼真,特别是一些学校依据自身条件难以完成的大型实验和现场实验的视频记录,是非常宝贵的教学资源,可以使学生增长知识,开阔视野,了解课本之外的实验过程和成果。视频演示实验的缺点就是文件占用空间大,网络传输速度慢,而且很多实验的现场拍摄困难,图面质量不高。

另外一种演示实验的手段是采用计算机制作的动画来演示实验过程和效果。比如采用美国Macromedia公司的Flash软件制作。动画制作成本小,画面清晰,美观,并且可以通过程序控制演示的各种结果。Flash动画还可以嵌入网页,PPT演示文稿等。采用B/S结构是计算机辅助演示实验的结构特点。在土木工程专业课的实验演示教学上,可以发挥很大的作用。Flash动画制作的实验演示也存在不足之处,动画形象缺乏物理现象的真实性,因此可以把Flash动画和视频演示相结合,为学生进行真实的实验操作做好准备,同时可以帮助学生理解课堂上不实践操作的实验内容部分,加强掌握专业知识的能力。

2.2 模拟仿真实验

基于计算的模拟仿真实验主要是确定正确反映实验对象实验特性的数学模型,然后通过对模型的计算,从而得到输出,可以用图形或三维动画输出的结果。用计算机模拟仿真的软件比较多,性能比较突出的主要是Math works公司的Matlab软件和NI公司的LabVIEW虚拟仪器软件。Matlab具有友好的工作平台和编程环境,人机交互性强,操作简单,程序不必经过编译就可以直接运行。程序语言简单易用,并且具有强大的科学计算机数据处理能力。Matlab还具有方便的数据可视化功能,应用广泛的模块集合工具箱。将其用于土木工程专业实验教学的计算,仿真实验和研究,是值得应用的工具。

NI公司的LabVIEW则主要擅长于计算的虚拟仪器。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化的硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像操作自己定义、自己设计的仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示和数据存储等。虚拟仪器是计算机辅助实验分析系统的主题部分。典型的虚拟卡特系统由以下几个部分构成:计算机、虚拟仪器软件、数据采集卡、硬件接口、信号调理部分、传感器和连接电缆。

虚拟仪器应用于实验教学具有很多传统实验教学无法比拟的优点。实验教学要求功能多样化,测试结果显示多样化(可能要求同时显示数据,曲线、波形等),测量要求可重复性好,操作简便等。传统仪器组成的测试系统存在测试项目单一,灵活性差的特点。用虚拟仪器平台可以高效灵活地组建用户自己定义的测试仪器,充分满足计算机辅助实验教学的要求,可以替代传统实验室中许多原有的分割独立的仪器,并且具有开发成本低、周期短和维护方便等特点。

虚拟仪器应用于土木工程专业实验教学具有以下一些优点:1)具有良好的经济性和灵活性。该系统不仅可以实现测试功能的集成,而且节省了器材占用的空间,节约了实验设备的投资;2)可以实现远程实验教学。虚拟仪器软件LabVIEW功能的日益强大,为远程实验提供了一定的开发基础,且支持TCP和UDP协议,第三方程序可以用TCP,UDP方式通过网络与LabVIEW虚拟仪器程序交换数据,另外还提供了Active X客户机程序和ActiveX服务器程序,可以在网上进行数据交换;3)低耗能、高效率。虚拟仪器测试系统实验所需要的器材种类和数量限制较少,在使用中,器材损耗大大降低,并且由于试验准备和分析处理的集成、精简,实验运行的速度更为快捷,测量及分析处理的精确性大大提高,这样使得实验重复操作、快捷使用成为可能,从而提高了实验教学的效率。

2.3 远程控制的设备共享远程实验

基于网络远程控制的真实设备实验,由于试验设备的昂贵,如果能够提供网络共享,这将无疑最大程度地发挥其功能和效用,还可以避免资源的重复投资和闲置浪费。目前,土木工程专业迅速发展,实验设备,实验师资不足,实验教学资源也远远跟不上专业发展的要求。而建立基于网络远程控制的真实设备实验,则可以提高设备的利用率,学生自主登录,远程操作实验设备,并通过网络得到实验数据,本地机再根据数据图形化仿真显示实验的结果。远程控制的虚拟实验室不仅应用了远程控制技术、网络技术,也涉及多媒体技术和虚拟现实技术。学生可通过因特网登录进入该虚拟实验室,自主安排时间进行实验,也可观看他人实验,并可以反复进行操作。

通过远程控制实验,可以不受时间、空间限制进行实验,提高了设备利用率,也可以供距离实验场所和设备远的学生进行实验。对于实验的误操作,系统还可以提示、警示,避免有损坏性操作,有效地保护实验仪器设备。

2.4 计算机辅助实验教学的发展

计算机特别是网络技术的应用为土木工程专业的实验教学提供了强有力的辅助作用。随着计算机科学的飞速前进,计算机辅助实验教学技术也一定会得到快速的发展。让我们一起来展望其发展的趋势:演示性实验向增加三维演示、互动演示发展;基于计算的仿真模拟实验研究的重点是数学模型的建立,使模型能更好的反映客观现实,开发更多方便的专用软件工具包;基于远程控制的试验更是存在很大的发展空间,其将来会朝着实时控制、实时反馈、设备共享、信息共享的多功能多元化的方向发展。

3 结语

计算机辅助实验教学的发展具有不可估量的前景和应用,其并不能完全代替实际的真实实验,但是它可以有效地提高学生认识专业科学知识现象,可以帮助学生直观的学习实验手段和相关的实验结果,并且可以尝试不同的实验过程带来的不同实验成果,使得学生理解知识点,掌握技能,同时在开发学习兴趣等方面具有很重要的实际意义。计算机及其网络影响着我们的学习和生活,也为我们的实验教学提供了新的途径。

[1] 罗 兵.MATLAB在远程教育中的应用[J].远程教育,2002(5):18-20.

[2] 白文辉,梁超锋,孙斌祥,等.基于应用型人才培养的土木工程专业实验教学改革思考[J].高等建筑教育,2009(6):25-27.

[3] 长江大学大学物理实验演示网站[OL].http://home.jznu.net/1bnet/2005.

[4] 陈 蕾,谢立辉,刘 美.改进实验教学适应应用型人才培养[J].实验教学与仪器,2003(12):41-43.

[5] 赵志新.大学教学实践性教学模式的构建与实践[J].中国高教研究,2008(3):92-93.