实体演示和虚拟仿真结合的三轴实验教学改革

赵明志 刘钢 舒志乐

[摘 要] 在“新工科”建设背景下，实践教育和实验教学日益受到重视。为提升“土力学”课程实验教学环节中三轴实验的教学效果，提出了实体演示和虚拟仿真相结合的三轴实验教学方法。其中，线下实体演示教学侧重于学生对仪器结构和功能、实验操作细节以及土体状态变化的理解，线上虚拟仿真教学则强调学生对实验操作步骤和相应基本理论知识的掌握。通过将实体演示和虚拟仿真教学手段相结合，互相补充，相得益彰，能够有效深化学生对相关知识的理解、掌握和运用。

[关键词] 土力学;实验教学;三轴实验;虚拟仿真;实体演示

[基金项目] 2020年度西华大学一流课程建设项目“土力学线下一流课程建设”（RC2000000893）

[作者简介] 赵明志（1988—），男，河北南宫人，博士，西华大学土木建筑与环境学院讲师，主要从事土力学相关研究。

[中图分类号] TU411   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）22-0053-04   [收稿日期] 2021-01-26

一、引言

在“新工科”建设背景下，实验教学是本科阶段高等教育的重要组成部分，也是人才培养的关键[1]。“土力学”作为土木工程、水利水电工程等专业的核心课程，对学生的实践应用能力具有较高的要求。同时，土力学实验也是连接土力学基础理论知识和工程实践的桥梁。因此，土力学实验教学环节在工程人才培养中起到举足轻重的作用。

三轴实验是土力学本科教学中三个基本力学实验之一，它能够严格控制试样的排水条件，并明确地反映试样的应力状态，因此，三轴实验数据比直剪、固结实验数据具有更为重要的工程参考价值，也更受到土力学教学工作者的重视。然而，开展三轴实验所需的三轴仪比直剪仪、固结仪构造更复杂，单台设备占用空间更大，造价也更高。由于受实验教学空间、课时数量和仪器设备等客观条件的限制，难以针对每位学生提供足够的时间，让其独立完成三轴实验的现场实际操作。这导致学生对实验的认识和理解往往不够深入，不仅影响了学生对土力学基础理论的理解，也阻碍了学生工程实践能力和创新意识的培养。

虚拟仿真教学因资金投入小、实施简便、具体形象等优点，近年来在工科实验教学中发挥了越来越重要的作用[2，3]。借助计算机辅助设计、数字仿真和信息技术，可实现试样制备、饱和、固结、加载全过程三轴实验的虚拟仿真模拟，为学生提供可视化的三轴实验操作场景和人机互动操作界面，帮助学生熟练掌握三轴实验的具体操作步骤和实施作用，在一定程度上弥补了实体实验教学的不足[4，5]。

鉴于此，基于国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，开展基于实体演示和虚拟仿真结合的土力学三轴实验教学改革探索研究。一方面分小组开展三轴实验的实体演示，目的在于让学生掌握三轴仪各部分组件的具体结构和操作步骤的响应机理;另一方面开展线上虚拟仿真三轴实验教学，为每位学生提供单独操作的机会，深化对三轴实验操作步骤和细节的认知。通过实体演示和虚拟仿真有机结合，可促进学生对土力学三轴实验的全方位理解和掌握，为“土力学”课程和其他后续专业课程的开展打下坚实的基础。

二、虚拟仿真教学环节

（一）国家虚拟仿真实验教学项目共享平台

为坚持立德树人、强调能力为先的办学理念，拓展实验教学的广度与深度，提升实验教学的水平和质量，教育部于2019年成立了国家虚拟仿真实验教学项目共享平台。通过将信息技术与教育教学深度融合，将实验教学资源信息化、网络化，不仅构建了多种实验的虚拟仿真模拟教学管理平台，而且实现了高质量实验教学资源的网络共享。

目前，该平台可提供涵盖物理学类、电器类、矿业类、电子信息类、机械类、交通运输类、土木类等41个大类学科2079种实验的虚拟仿真教学。其中，土木类虚拟仿真实验教学资源119种，包含道路勘测设计实验、地下综合管廊的消防安全系统实验、岩土工程静力触探实验、复杂环境作用下土的力学性质实验、滑坡地质灾害及其防治实验、土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验等。

其中，土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验可模拟不同种类土体、不同围压条件、不同剪切速率和不同应力路径下的组合实验，分别探究土体种类、围压、剪切速率和应力路径等因素对土体强度和变形特性的影响。该三轴虚拟仿真实验可以实现与实体三轴实验完全一致的操作步骤模拟，并可在实验过程中呈现实验数据和实验结果。因此，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台中所提供的“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”模块可为土力学三轴实验提供虚拟仿真教学平台[6]。

（二）三轴实验的虚拟仿真模拟

土体力学三轴虚拟仿真实验教学模块可开展砂土和黏土两类土体的三轴实验教学。虚拟仿真三轴实验中的三轴仪[6]如图1所示。与实体三轴实验仪相同，虚拟仿真三轴仪由试样加载台（左）和控制箱（右）两部分组成。实验时，将试样放置在右侧加载台上并用压力室罩住，通过左侧的控制箱为试样施加围压和偏应力，从而完成试样的三轴实验。

该虚拟仿真三轴实验系统可实现试样制備、安装、饱和、固结、剪切全过程三轴实验操作。其中，试样安装和饱和过程[6]如图2所示。与实体三轴实验相似，虚拟仿真实验也是在三轴仪底座上设置承膜桶，向内填土并击实，然后将试样外侧承膜桶内空气排尽，安装压力室，最后利用二氧化碳易溶于水的原理将试样内的空气置换，并利用反压饱和使试样的孔隙水压力系数B值大于0.95。由图2可知，虚拟仿真实验可以较为真实地反映实体三轴实验在试样安装和饱和阶段的操作步骤。

完成试样制备并饱和后，可进入试样的固结和剪切阶段。虚拟仿真三轴实验的固结和剪切阶段操作[6]如图3所示。该虚拟仿真实验模拟了与实体三轴实验相同的操作界面，首先对土体试样施加围压，待孔压逐渐减小至零后，认为此时试样固结完成;随后可以设置剪切速率，进入剪切阶段，当试样的轴向应变逐渐增大至20%时，剪切完成，操作界面也会出现相应的提示信息。剪切完成后，仿真模拟三轴实验系统还提供了卸除围压、卸压力室和拆除试样等一系列结束和收尾工作，帮助学生养成良好的实验操作习惯，使其自觉遵守实验室的各项细则。