虚实结合的土木综合实验混合式教学模式探索与实践

刘菲菲，李 军，张纪刚，臧晓光，王向英，马哲昊

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

0 引言

高校实验教学作为培养创新型人才的重要环节，利用设备仪器在人为控制条件下，通过一系列研究对象内在因素的变化，引导学生通过观察、测定、分析和设计等手段，获得知识、能力和素养［1-2］。实验教学相较于理论教学更突出学生的主体位置，手脑并用，培养学生实践和创新能力。土木实验相较于其他学科实验，实验成本高、耗时长甚至很多实验过程是不可逆的，一旦失败往往损失较大［3-4］。虚拟仿真实验可将一些高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作等实验转化为虚拟仿真，有效地解决这个问题［5-7］。在中小学校、高等教育、职业学校建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地，开发一批基于教学大纲的虚拟现实数字课程，推动教学模式向自主体验升级，打造支持自主探究、协作学习的沉浸式新课堂是十分必要的。将虚拟仿真与实验教学相结合，提升实验的智能化和信息化，提高学生创新能力和实践能力，丰富实验教学的内涵，探索一条适用于土木工程专业实验教学的新思路是现阶段实验教学的必然选择。

1 基于虚实结合的土木综合实验混合式教学体系的研究现状

土木工程专业实验包括理论课中的实验和土木综合实验，土木综合实验设计性和综合性较强。土木综合实验课是在大三开设，此时学生已经掌握了一定的实验方法和实验技能，自主实验的意识较强。在传统实验教学模式下，土木工程实验往往受到仪器设备、实验成本、人员数量以及安全等限制，只能在特定的时间和地点，通过教师的指导来完成固定的实验内容［8-9］。以钢筋混凝土梁斜截面抗弯承载力实验为例，实验中钢筋混凝土梁分为超筋梁、适筋梁和少筋梁3 种情况，由于实验成本只能进行一种实验操作，同时试件加工由于工人下料，有可能无法呈现出试验梁应有的破坏形态。由于学生人数多，场地受限，实验设备不足，学生分组人数较多，很多学生（或主动或被动）无法参与实验操作，导致学生在实验课中得不到充分锻炼，不利于学生动手能力的培养。

针对传统土木综合实验教学的难点和痛点，经不断探索将虚拟仿真技术运用其中，积极建设理实结合的混合式实验教学课程，逐步构建实验和虚拟仿真相结合的土木综合实验混合式教学模式。土木综合实验中虚拟仿真教学主要是依托土建虚拟仿真教学平台，该平台包含结构工程、岩土工程和桥梁工程等方向的33 个实验项目，能高真实度地再现实验场景［10］。虚拟仿真的引入可剔除综合实验中一些陈旧的基本练习型内容，优化综合设计，也可进行一些前沿科研工程实践转化的研究和探索，提高学生的创新和探索能力［11-12］。学生依托云平台资源，可随时随地进行实验，延伸实验教学的时间和空间，甚至可针对感兴趣和具有一定难度的内容进行重复仿真，拓展教学内容的广度和深度，为学生自主实验提供强有力的保障［13-16］。

2 基于虚实结合的土木综合实验混合式教学体系

2.1 教学内容

土木工程综合实验（含虚拟仿真）是专业性和实践性较强的课程。本课程由结构工程、岩土工程、道路桥梁和虚拟仿真等实验室共同开设，既包含传统的实验，也包括一些校企合作开发的具有原创性、示范性的虚拟仿真，具有较强的创新性和综合性，具体见表1。课程总学时数为48，其中第5 学期课程学时数为32，第6 学期课程学时数为16。本课程基于力学原理和土木工程专业知识，通过实验和仿真使学生学会使用各种仪器、仪表和试验设备，观测采集荷载、变形、应变、温度、振幅、频率、裂缝等数据。通过对测量数据的分析，对试验对象的性能做出评估，为验证和发展相关理论提供依据。通过实验教学，使学生获得土木工程试验方面的基础知识和基本技能，能进行一般土木工程试验的设计与规划，并得到初步的训练和实践。

表1 土木综合实验虚实结合的教学内容

2.2 实验教学设计

土木综合实验中虚拟仿真分为两类，结构方向对综合性较强的钢筋混凝土简支梁抗弯性能试验、钢筋混凝土简支梁抗剪性能试验、钢结构轴心受压构件失稳实验和钢梁整体失稳模型实验采用实验仿真和线下实验相结合的方法，如图1（a）所示。课前教师将课程目标、教学内容告知学生，学生对试验涉及的知识点进行复习，并对仿真操作进行预习；课中分为仿真和实验两部分，仿真课上教师会对涉及的知识点、操作步骤等内容进行讲解，学生进行仿真操作，仿真操作后进行实验仿真考核，考核合格后进行线下实验。土建实验虚拟仿真平台具有强大的课件推送、资源共享、教师答疑、课堂讨论、报告撰写、得分反馈、弹幕互动和数据分析等功能，使得学生能第一时间了解自己的学习情况；实验虚拟仿真和实验均完成后需进行实验总结和报告撰写。对于岩土方向，如三轴剪切实验虚拟仿真、标准贯入实验虚拟仿真、原位十字板剪切（电测式）实验虚拟仿真等，直接采用线上实验虚拟仿真教学方法，如图1（b）所示，即课前预习、课上采用实验虚拟仿真教学，教师对设计的知识点、操作步骤等内容进行讲解，学生进行仿真操作，仿真操作不受时间、空间和次数的限制，学生可以反复学习，仿真操作后可进行仿真考核，可通过得分反馈看到自己所存在的问题；课下学生进行实验总结并撰写实验报告。

图1 实验虚拟仿真教学流程

以钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验为例，对基于虚实结合的土木综合实验混合式教学模式进行阐述：

（1）课前准备。钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验虚拟仿真是在《混凝土结构设计原理》受弯构件的正截面受弯承载力学习完成的基础上开展。实验仿真开始时，教师会提前发布课程任务，学生对试验涉及知识点进行复习，并对实验虚拟仿真操作进行预习。

（2）课中实验。钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验虚拟仿真，集语音、视频、三维动画技术为一体，学生通过操作键盘及鼠标可变换视点的位置，实现漫游。实验共设计了仪器展示、学习模式和考核3 个功能模块，如图2 所示，涵盖了从实验方案设计、构件加工、应变片粘贴、实验准备、加载及数据采集、实验现象和数据处理整个实验的全过程。

图2 钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力实验虚拟仿真功能模块

在进行实验虚拟仿真前，教师首先需对实验仿真涉及的知识点、实验内容和实验操作等知识进行讲解。钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验虚拟仿真涉及适筋梁、少筋梁、超筋梁3 部分，教师在讲解时既要全面，又要重点突出，还要结合实验虚拟仿真平台进行针对性地讲解。不同于实验，实验虚拟仿真讲解重点放在理论知识、实验原理方面，同时结合实验虚拟仿真平台对用到的实验设备、仪器仪表的使用方法、注意事项以及实验方法进行讲解；引导学生观察、了解受弯构件受力和变形的3 个工作阶段及适筋梁的破坏特征；学会测定、计算受弯构件正截面的开裂荷载和极限承载力；教师讲解完成后，学生可进行实验虚拟仿真，教师巡回指导。学生可对钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验过程不断练习，掌握后可进入考核模式。在考核模式下如果选择错误，会进行相应的扣分，并没办法进入下一步的操作。通过反复练习、不断打磨之后能将应变片粘贴、钢筋混凝土梁加载等实验流程熟练地掌握和运用。实验虚拟仿真考核完成后，学生可通过平台撰写实验报告，教师进行批改。

（3）课后总结。学生实验虚拟仿真成绩由课堂考勤、实验考核和实验报告3 部分组成，其中课堂考勤占10 %，实验考核占40 %，实验报告占50 %。实验考核主要分为实验技能考核和理论考核两部分，均在考核模式下进行，通过该部分可考察学生对实验原理、实验现象和实验技能的理解和掌握，理论考核有单选、多选、判断等客观题型，平台自动评分。教师可通过对后台数据进行分析，实现对学生实验情况的追溯及客观评价，做到有的放矢。

3 仿真教学效果分析

教学效果的考核以及学生学习效果的评价不仅能考核学生是否掌握和理解实验的基本内容，对实验项目仿真的进一步优化具有十分积极的作用。本文以2020级土木工程结构方向学生为研究对象，共发放问卷221份，收回有效问卷219份，有效问卷收回率99.1 %。问卷从仿真平台质量和学生满意度两个维度展开。

通过问卷分析可见，学生对实验虚拟仿真教学具有非常积极的认识，90.42 %的学生认为实验虚拟仿真有助于联系专业的理论知识点；93.15 %的学生认为实验虚拟仿真有助于掌握实验的原理、提高实验操作能力操作；87.21 %的学生通过实验虚拟仿真学习所用仪器、实验原理以及操作流程，并能独立重复实验。通过对实验虚拟仿真的学习，学生认为实验虚拟仿真具有过程更安全、教育内容更直观、科学趣味更浓厚等优点，如图3 所示，并愿意在未来的学习中使用土建实验仿真平台。通过问卷调查也可以看出，土建实验虚拟仿真平台给学生提供了更多学习时间和地点的自由性，68.4 %的学生利用除课堂之外的碎片和自习时间进行进一步学习。

图3 虚拟试验的效果（多选题）

学生在使用过程中也发现存在一定问题，58.9%的学生在使用过程中发生平台崩溃、运行卡顿等突发意外；55.71%的学生认为部分图标和细节看不清楚，有待优化；45.66%的学生认为实验仪器不够灵活，需要进一步优化。同时82.65%的学生期待在实验仿真中增加VR／AR 技术，进一步提升虚拟仿真实验的交互性和沉浸感。

4 结语

实验教学是培养学生实践和创新能力的重要环节。从教学运用、教学内容和教学设计3 个方面对虚实结合的土木综合实验混合式教学体系进行阐述，构建了一种基于虚实结合的混合式实验教学体系。本教学改革成果已成功应用于土木工程专业《土木综合实验》的教学实践，切实发挥实验虚拟仿真教学成果在实验教学中的关键性、多样性作用。通过问卷调查可见，基于虚实结合的土木综合实验混合式教学模式取得了良好的教学效果，培养学生专业学习兴趣，提高学生知识应用和创新能力，为其他实验课程的教学改革提供了一种有益参考。同时，为更好地服务课堂，提高学生的参与感和认可度，仿真平台也需要在使用的过程中不断优化，解决运行卡顿、细节不清楚等问题。