工程结构设计原理虚—实结合实验教学初探

杜二峰 邰扣霞 徐明

摘要：工程结构设计原理实验是东南大学土木工程专业的重要基础实验课。本文基于东南大学国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心和国家级实体实验教学中心，对工程结构设计原理虚实结合实验教学方法进行初步探索，阐述了实体实验教学的主要内容、虚拟实验教学系统的设计思路和基本功能。教学实践表明，虚实结合实验教学方法拓展了实体实验的内容，增强了虚拟实验的感知性，激发了学生开展实验的积极性和主动性，提高了实验教学质量。

关键词：工程结构设计原理；实验教学；实體实验；虚拟实验；虚实结合

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0271-03

东南大学工程结构设计原理课程集混凝土结构、钢结构、砌体结构和组合结构等于一体，是土木工程专业的重要专业基础课，同时也是一门理论性、经验性和实践性都很强的课程[1]。该课程的教学效果对学生专业素养的塑造有着深远的影响。实验研究对工程结构设计原理的基本概念，以及原理的诞生和发展起着十分重要的作用，因此，工程结构设计原理实验教学是工程结构设计原理理论教学的一个重要关联和支撑环节。实验教学对激发学生的创新意识、拓展学生的创新思维、增长学生的创新技能、涵养学生的创新品格等方面的作用，是其他任何教学形式所不能替代的[2]。通过工程结构设计原理实验教学，不仅能够加强学生对工程结构设计基本原理的理解，使他们对建筑结构的受力过程、变形特性及破坏形态有更加直观的认识，而且能够提高学生的实践动手能力，培养学生对土木工程专业的学习兴趣及研究热情[3-4]。

随着招生规模的扩大和科研实验的快速发展，目前实体实验教学中存在以下几个问题：（1）实验室的场地和设备较难满足日益增多的实验项目开展，本科生教学实验与研究生科研试验的矛盾日益突出，已开展的部分实验项目具有一定局限性；（2）由于消耗大、成本高、操作的复杂性以及安全性，使得本该由学生操作的实验只能作为演示性实验开展，且无法开展大批量的参数化实验。这造成学生工程意识薄弱、实践能力差，对实际工程的掌握和处理能力受到极大制约[5]。近年来，随着土木工程专业科研的发展以及计算机技术的不断进步，基于数值模拟技术的建筑结构虚拟仿真手段在土木工程专业的工程实践和科学研究中发挥着越来越重要的作用。这为解决实体实验教学中的不足提供了可行的技术路线，即开展虚拟仿真实验教学。

由于虚拟仿真实验教学具有投入少、消耗低和共享性强等特点，因此众多高校诸如同济大学、中南大学、北京工业大学[6]和西安建筑科技大学[7]等均开发了相应的教学项目。2013年，教育部依据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，开始启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[8]，东南大学土木工程实验中心进行了工程结构设计原理、工程结构抗震与防灾和土木工程施工与管理等虚拟仿真实验教学平台的开发与建设，获批建设了国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心和江苏省土木建筑虚拟仿真实验教学共享平台。笔者依托虚拟仿真实验教学平台和国家实体实验教学中心，将虚拟仿真实验教学与实体实验教学相融合，对工程结构设计原理虚实结合实验教学进行探索。本文对东南大学工程结构设计原理实体实验教学的主要内容、虚拟实验教学系统的设计思路、基本功能和应用情况，以及对虚实结合实验教学初步探索过程进行梳理和总结，并对进一步的虚实结合实验教学研发进行展望。

一、工程结构设计原理实体实验教学

东南大学工程结构设计原理实验独立于工程结构设计原理课程，与土力学实验、水力学实验等组成土木工程基础实验课程。工程结构设计原理实验课包括4个教学演示实验和6个学生实际操作实验。演示实验分别为钢筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受弯性能实验、钢筋混凝土斜截面斜压和斜拉破坏实验；实际操作实验分别为钢筋混凝土适筋梁正截面抗弯实验、钢筋混凝土梁斜截面抗剪实验、钢筋混凝土柱大偏心受压实验、钢筋混凝土柱小偏心受压实验、钢柱轴心受压实验和砖砌体受压实验。由于受场地、设备和师资的限制，目前尚未开展钢梁稳定实验、组合结构实验和木结构实验等。

工程结构设计原理实验面向土木工程专业和工程管理专业开课。每年授课班级共八个班，每班30人左右。上课时，先由老师集中讲解仪器的使用方法和实验操作过程，然后学生在老师指导下分组按实验指导书做实验，如图1所示。实验中，每组同学分工操作，相互配合。例如，在适筋梁受弯承载力实验中，一位同学用液压千斤顶进行分级加载，两位同学用手持式应变仪测量混凝土变形，一位同学用静态应变采集仪测量钢筋应力应变，两位同学用裂缝读数仪测量裂缝宽度，两位同学读取跨中和两端支座百分表的数据，两位同学记录数据。实验结束后对实验数据进行处理，并完成实验报告。

通过实体实验让学生学习各种仪器仪表的测量方法，锻炼学生的实际动手能力，使他们真实地感受构件的受力过程，加深对课堂理论知识的理解，教学教育作用十分显著。

二、工程结构设计原理虚拟仿真实验教学

工程结构设计原理虚拟仿真实验教学平台是基于有限元分析软件ANSYS、ABQUAS、VC++面向对象程序和LabVIEW软件等开发而成，将数据、文字、图片、声音、影像和动画等媒体表现方式融合在一体。仿真实验教学平台包括钢筋混凝土梁正截面抗弯实验、钢筋混凝土梁斜截面抗剪实验、钢筋混凝土柱偏心受压实验、钢筋混凝土柱轴心受压实验、钢结构柱压杆稳定实验和砌体结构静载实验6个教学实验模块。每个模块中包含数量不等的变参数实验。工程结构设计原理虚拟仿真实验教学平台的总体架构如图2所示。

每个虚拟仿真实验项目设置了预习、自测、实验、提交和互动五个环节。学生需先对本实验项目涉及的理论知识和实验方案进行预习，然后进行自测，自测通过后方可开始实验，实验完成后提交实验报告，并可结合实验过程在互动平台中和教师及同学进行交流。在虚拟仿真实验中，学生可以进行虚拟试件制作、安装、加载、数据采集和处理，如图3中钢筋混凝土适筋梁正截面抗弯实验所示。限于篇幅，本文不再给出其他实验模块界面。实验结束后，学生可在系统内完成课后习题，提交实验报告。

借助于虚拟仿真实验，极大地拓宽了实体实验的对象，能够覆盖更多的知识点。同时，通过虚拟仿真实验，每个学生可以独立开展实验的各个环节，掌控实验的全过程。在实验的过程中，虚拟仿真平台能够实时处理数据，绘制相应的曲线，学生可以同步掌握实验构件的表观现象与内在受力行为之间的关系，加深对实验构件受力机理及相关理论知识的理解。此外，学生除了按照教学要求完成相应的实验外，还可以根据自己的理解进一步推演实验工况，开拓思维，提高认知水平，培养科研创新能力。

在实验教学过程中，实体实验和虚拟实验两种教学方式相互配合、互为补充、交叉进行、相互印证。通过虚实结合，摆脱了实验的时间与空间限制，拉长了实验教学资源的“短板”。目前，东南大学工程结构设计原理实验教学团队正在对虚实結合实验教学开展进一步的探索和创新，主要举措包括实体实验设备和场地的固化与提升，钢结构和组合结构实体与虚拟实验项目的开发，虚拟仿真实验真实度的进一步提升，装配式建筑虚实结合实训教学项目的研发，以及虚实实验教学深度融合等。通过不断改进和提高，最终达到理论教学、实体实验和仿真实验的有机统一，为土木工程领军人才的培养提供教学支撑。

三、结语

工程结构设计原理实验是土木工程专业的基础实验，实验教学质量对学生理论知识学习、实践动手能力锻炼、科研创新精神培养等有着重要影响。东南大学工程结构设计原理虚实结合实验教学方法的探索和实践，丰富了实体实验的内容，增强了虚拟实验的感知性，为学生实验预习、实操、巩固、提高和创新提供了广阔的空间和有效的手段。教学实践表明，虚实结合实验教学方式激发了学生对实验的兴趣和热情，学生实验积极性和主动性明显提高，创造意识得到提升。综合效果显示虚实结合是提高实验教学质量的有效手段，可供其他专业的实验教学借鉴和参考。

参考文献：

[1]徐明，李红兵，肖士者，等.基于虚拟仪器的工程结构设计原理实验教学演示系统设计[J].高等建筑教育，2015，24（6）：141-145.

[2]郑家茂，熊宏齐.开放创新——实验教学新模式[M].高等教育出版社，2009.

[3]徐明，宗周红，肖士者，等.土木工程本科实验教学创新平台建设[J].高等建筑教育，2013，（2）：114-116.

[4]徐明，宗周红.中美土木工程本科创新实验教学体系对比分析[J].实验室研究与探索，2011，（11）：73-76.

[5]陆金钰，范圣刚.钢结构稳定原理虚拟仿真平台开发探索[J].教育教学论坛，2015，（47）：127-128.

[6]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014，（9）：82-85.

[7]李彬彬，苏明周.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J].西安建筑科技大学学报（社会科学版），2015，34（2）：96-99.

[8]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函（2013）94号）[Z].