基于云平台的现代岩土测试技术实验教学改革与实践

王春来, 许沁舒, 陈 蔓

(1. 中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院, 北京 100083;2. 煤炭安全开采与地质保障国家级实验教学示范中心, 北京 100083)

建设世界一流大学和一流学科,是我国在新形势下作出的重大战略决策,是高等教育建设的风向标[1]。矿业工程是我校“双一流”建设学科,采矿与安全高层次人才培养探索与实践 “新工科”建设项目,体现了我校采矿工程专业的特色和优势。现代岩土测试技术课程为采矿工程、地质工程、工程力学专业本科生的专业基础课,与现场工程测试紧密相关[2-6]。该课程旨在从岩土测试的角度介绍测试技术的基本分析和数据处理、设计方法,使学生掌握岩土测试的基本概念和基本监测手段。较强的工程测试应用能力,不能单纯依靠课堂教学,实验教学是将专业理论知识与生产、实践认知紧密联系起来的必备教学环节[7-9]。通过实验实践课将理论知识有型化,可以使学生更好地理解课堂教学涉及的多种岩土测试技术,并可通过现代化的云平台掌握必要的岩土测试技术和方法及数据处理方法，使学生能够针对岩土工程中的复杂问题,树立独立思维、勇于创新的意识,锻炼综合实践能力。

1 岩土测试课程教学中存在的问题

1.1 测试手段单一

传统的岩土工程测试主要是获取各项参数指标[10-11],参数指标的测试设备单一,一台设备一个参数,不能通过多参量多指标测试反映现场测试的实际情况。

1.2 海量数据难处理

对于前期实验教学利用岩土测试系统获取的海量监测数据,如何进行有效处理是亟待解决的难题。最关键的是从测试数据中提取有效数据,并使分析处理结果很好地为工程服务。

1.3 测试报告不够精细

测试报告是通过数据定量分析岩土状态非常有效明晰的方式[12-13]。目前的测试报告不规范且缺乏针对性、精细化,无法应用于实际工程。

2 云平台测试系统的建构

根据前期“现代岩土测试技术课程”实验教学过程中发现的问题,提出并设计了云平台智能无线岩土测试系统,由北京道冲泰科科技有限公司加工制作,实现了不同岩土参数测试功能。测试人员可以进行云端操控与数据采集,还可在移动设备的Web页面上进行实时监测,实现了岩土多手段实时测试,并能自动处理数据和形成测试报告。

2.1 系统构成

平台的测试设备包括渗压计、土压力计、应变计、内嵌式温度计、固定式测斜仪、多点位移计、土壤湿度计等。通过无线采集节点实现数据的收集与上传,再由云服务平台进行数据整合,通过Web页面或手机APP,实现岩土监测的大数据采集。系统示意图如图1所示。

图1 云平台无线岩土测试系统

2.2 云平台介绍

本测试平台是iCivil-800工程安全监测平台,涵盖了工程变形监测成果、施工相关信息、空间位置分布等相关内容,具有融合大数据技术进行深度数据分析及数据预警等功能。授权用户可通过本系统了解监测对象的地理位置、项目信息、监测频率、变形大小、现场图片等信息,如图2所示。

图2 测试系统组成及实现的功能

该平台通过属性库、资料库、图形库和进度库,将数据库技术(信息管理、储存、查询)、电子表格功能(数据录入与整编)、CAD技术(与图形的关联)和统计分析算法等功能整合在同一个软件平台上,借助软件进行分析、评估与决策。

3 实验教学方法改革

传统岩土测试课程主要以介绍设备为主,并通过一定的测试方法展示测试数据。本测试系统采用了当前先进的传感器,每一位学生都可以用自己手机号码进入系统进行操作、测试、分析,并形成测试报告。传统的岩土测试实验教学课上,学生以小组为单位,仅针对测得的1、2项指标进行分析并形成报告。该方法受限于单一指标无法进行岩土测试预警,很难形成有建设性意义的报告,以供施工方采取相应的措施。在云平台岩土测试教学中,按照不同测试模块将学生分组,每组4～5名学生,其中一名为组长,各小组在规定时间内,要对测试设备使用方法及设备原理进行分析,然后由教师进行讲解。教师将基于设备原理介绍使用方法,演示不同设备在云平台中的使用方法,并测得多项技术指标作为岩土测试分析的基础数据,实现岩土工程测试、预警和调控目的。最后,教师以大型工程为例作进一步讲解,并运用云平台设计一个监测实例。

4 云平台实验教学特色

4.1 测试理念新颖

遵循通过问题探寻答案模式、通过原理证实猜想的教学思路。在对测试仪器充分了解的前提下,首先抛出问题引导学生讨论,再结合测试原理进行问题剖析。学生可以对测试仪器的每一部件提出自己的疑问,通过猜想、论证,充分激发他们的思辨能力和创新思维。在此过程中,学生了解了测试仪器的设计,掌握了岩土工程测试的技术和方法,锻炼了思考问题和追求知识的能力。

4.2 授课方式多样

在课堂教学中融入现代化的云平台、大数据、智能化手段,加深了学生对现代岩土测试技术的理解。在实验教学中,教师可利用云平台岩土测试系统和多媒体设备对测试设备使用及工程案例进行讲解,学生则可利用多套系统进行不同岩土参数测试,通过云平台对数据进行处理和分析,并可将异常数据发送到手机等终端,及早预警岩土灾害并进行防控。数字化的呈现方式,符合现代学生利用手机获取知识的习惯,增强了教学效果。

4.3 实验开放度高

虽然现代岩土测试技术实验教学对象为采矿、岩土、地下空间、隧道和测量等专业学生,但同时也能够向中小学生、电子信息或其他相关专业学生开放共享,扩展他们对现代技术发展的视野和想象空间。

4.4 动手能力提升快

因涉及实验室安全,传统的实验教学有逐渐演变为参观性、演示性的现象,教学效果仅存在于视觉感触,学生的动手能力得不到锻炼。本实验教学过程中引入的测试器材安全可靠,无线数据采集装置使用蓄电池,且为安全电压。因此在实验教学过程中,鼓励学生分拆和组装设备,充分发挥学生的主观能动性,激发学生探索发现的兴趣。

4.5 考核效果好

考核是检验实验教学质量的有效手段。现代岩土测试技术课程实验教学考核包含测试报告、操作技能、测试内容3个部分,分数比重为3∶3∶4,实际应用部分所占比重较大。在实验课程后,要求学生对隧道、边坡等工程案例进行设计(见图3),学生要根据学到的理论知识和实验知识,提出工程测试解决方案。在方案设计中,学生的创新能力得到加强,知识面得到拓展,取得了良好的效果。将实践课与闭卷考试相结合,增强了学生对测试内容、手段、方法和步骤的理解。目前,我校云平台岩土测试实验教学仅对采矿工程本科生开设。

图3 边坡测试方案设计

5 结语

根据前期“现代岩土测试技术课程”实验教学中存在的问题,并结合教学特点和学生实际情况,设计了云平台智能岩土测试系统。该系统具有测试理念新颖、授课方式多样、实验开放度高、动手能力提升快和考核效果好等特点,有利于学生在实验教学中充分发挥个人主观能动性, 提高学生对基础理论和技术水平的认识。该系统与工程实践联系紧密,尤其是云平台的成功应用,将最新的科技手段融入到实验教学中,提高了现代岩土测试技术实验教学水平。