土木工程专业仿真模拟实验教学系统研究①

张 利

(华北科技学院土木工程系,北京东燕郊 101601)

土木工程专业仿真模拟实验教学系统研究①

张 利②

(华北科技学院土木工程系,北京东燕郊 101601)

以FlASH MX、AUTOCAD、PHOTOSHOP7.0、REALBASIC等软件和工具作为多媒体编辑平台,合理地应用文本、图形、图像、音频、视频等媒体手段,构建了以土力学、钢筋混凝土结构等土木工程专业主干课程实验教学内容为主的实验教学多媒体系统,具有仿真性、互动性、可重复性、低成本性、网络普及性等多种优点,不仅可以很好地满足人才培养的需求还可以在一定程度上解决实验教学资源配置不足的问题,对于提升土木工程类专业人才培养质量,具有一定的先进性、针对性和适用性。

实验教学改革;建筑工程专业实验;仿真教学;FlASH

土木工程专业具有综合性强、实践性强、与工程实际联系紧密的特点。工程实践能力培养作为工科教育的重要内容,不仅是应用型人才区别于研究型人才的显著特点,也是检验素质教育成效的关键性指标,更是基层单位的迫切要求。然而,目前在许多院校的土木工程专业的实践教学环节中存在以下三方面的问题：一是由于实验室建设的相对滞后使一些实验项目无法正常开出;二是由于仪器造价较高以及操作的复杂性,使得本该是由学生操作的实验只能作为演示性实验开出;三是已开出的部分实验项目由于是建立在以实验室为中心、以某一具体工程部位为依托基础上的试验,因此具有一定的局限性,无法使学生掌握建筑工程中施工第一现场的真实而全面的状况。其结果往往造成学生的工程意识薄弱、实践能力差,进而使其对实际工程的掌握和处理能力受到极大的制约。

开展以实际工程环境为背景基于计算机仿真技术的土木工程类专业实验教学改革,不仅可以很好地满足人才培养的需求,还可以在一定程度上解决教学资源配置的不足的问题。目前调查显示,在国内土建类相关院校以实际工程环境为背景仿真型的实验教学改革的研究并未见有任何相关报道。本课题研究具有一定的先进性,具有十分必要和现实的意义。

1 研究思路

本课题选择建筑工程类专业课程中最具代表性的土力学、钢筋混凝土结构相关实验进行仿真模拟,进行大胆改革尝试。

在深入细致地研究建筑工程专业培养目标和相关主干课程的教学大纲及实验教学大纲基础上,通过深入工程现场和相关国家法定建筑质量监督检测部门收集关于土木工程质量检测的图片、录像和资料素材,再通过文本、图形、图像、音频、视频等媒体手段和现代媒体技术构建以土力学、钢筋混凝土结构等专业主干课程实验教学内容为主的实验教学平台,以形象、直观、生动的形式引导学生自觉运用所学专业知识联系生产实际,逐步养成自主分析问题、并主动解决问题的良好习惯,提高综合能力,满足建筑工程专业人才培养的需求。

2 研究成果

2.1 土力学三轴压缩实验仿真教学系统

土力学三轴压缩实验仿真系统主要分为两大部分：一是多媒体演示系统,二是Flash仿真模拟程序。

用flash软件制作动画,模拟三轴压缩试验,从而让操作者了解试验,并在操作中学习三轴实验的基本知识,加深记忆。

操作界面由了解实验、土样制备、土样安装、进行实验四部分组成,四个词组就是按钮,需按既有顺序依次点击即可进入演示实验界面。

了解实验部分——操作者通过移动鼠标到仪器名称上可以观看试验仪器图片,认识仪器,同时可以了解本实验的目的、方法、适用对象以及一些基本说明。点击“返回”回到主界面。

土样安装部分——结合文本内容分步骤介绍土样安装过程,每一部分点击按钮播放相应视频进行学习。

进行实验部分——按数据范围提示输入土样特征值和围压,依次点击“确定”、“下一步”、“开始”,测力计表盘指针转动模拟显示实时荷载,土样出现压缩变形动画,同时每一时刻的测力计读数和土样轴向形变值将在数据区显示,并对形变达到3%和15%的数据给出提示(如图1)。点击“结束”按钮,可以得出该试样在形变15%时的最大主应力,同时绘出τ-σ曲线。

图1 土样压缩变形动画模拟与实时压力变形显示

点击“下一步”输入不同围压值,重复进行实验。通过三个土样的实验,最终得到三条曲线并绘出这三条曲线的公切线,即土的抗剪强度包线,标出公切线与σ轴的夹角和c的值,由此获得土的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚系数(如图2)。

多媒体演示系统主要利用Flash的幻灯片功能将三轴压缩实验的基本原理和操作步骤以多媒体形式进行表现,目的是使观看者了解实验的基本原理及其实验的技术要领。Flash仿真模拟程序主要模拟实验室中实际实验过程,模拟程序具有试样选择、加荷、变形观测等功能。“实验”时输入一定的荷载,可以及时观测到“试样”的变形随时间变化,得到荷载与变形的数据和曲线。这两部分是相辅相成,相互糅合在一起,不可分开的。

图2 土的内摩擦角和粘聚系数测定

2.2 钢筋混凝土结构实验模拟教学系统研究

结构实验的任务是基于结构基本原理,使用各种仪器,仪表和实验设备,对结构物受作用后的性能进行观测,通过量测的数据,如变形,应变,温度,振幅,频率,裂缝宽度等。了解并掌握结构的力学性能,对结构或构件的承载力和使用性能做出评估,为验证和发展结构理论提供实验依据。

由于模拟混凝土构件实验的关键就是能够在屏幕上动态显示裂缝从产生直到破坏的全部变化所以本研究以FLASH8.0为演示、处理平台,以建筑结构实验相关理论为依据,忠实合理直观形象的描述钢筋混凝土偏心受压柱和受弯构件的实验过程模拟。

程序以实验数据库和实验要求及工程理论来定义的算法作为后台支持,其前台界面为主控菜单。系统包含六大主要模块：主控菜单模块,大小偏心选择以及配筋计算程序(这里包括帮助模块),裂缝演算程序模块,示范试验动画演示模块,自选试验动画演示模块,平面演示模块。

钢筋混凝土受压柱实验模拟的前台显示由示范实验和自选实验两部分组成。在示范实验中可以看到典型的受压柱破坏过程,通过选择受压柱的破坏类型使用者可以看到两种破坏即大偏心破坏和小偏心破坏的构件外观形象演示及平面动态破坏演示,使操作者明了两种不同类型破坏的平面受力特征。

自选实验是本实验系统的核心和关键内容,通过后台若干模块处理,可以实现对操作者所选构件的破坏类型进行分析判断并最终给出构件的模拟破坏形式。从操作者的角度需要将拟设计实验的基本参数(b0,h,e0,l0,N,fc,fy)输入七个输入文本区(如图3),然后通过选定所需钢筋级别,系统将自动实现所选构件极限承载力、配筋面积和偏心模式的程序判断和计算,并进入下一步裂缝演算程序,在裂缝演算界面有有两个动态文本框,操作者可以根据具体实验要求,选择分级加载或者整体加载,分级加载是将承载力均分为十分,每次加载十分之一(如图4)。点击分级或整体加载之后会出现反映构件相应的形态信息的动画,从而实现钢筋混凝土受压柱破坏的模拟仿真。

图3 自选实验参数输入界面

图4 裂缝演算加载形式选择界面

3 结论

教学实践表明,土力学三轴压缩实验仿真教学系统和钢筋混凝土结构实验模拟教学系统具有仿真性、互动性、可重复性、低成本性、网络普及性等多种优点,可很好地满足人才培养的需求,还可在一定程度上解决实验教学资源配置不足的问题。我们将根据学生的反馈,继续改进这些系统,以达到更好的效果。

[1] 《面向21世纪高等工程教育教学内容和课程体系改革计划》工作领导小组.挑战探索实践[M].北京：高等教育出版社,1997

[2] 路甫祥,王沛民.工业创新和高等工程教育改革[J].高等工程教育研究,1996年第4期：12 -15

[3] 张彦通,李季安.面向工程实践,正确认识高等工程人才的素质培养[J].高等工程教育研究

Research on the simulated test teaching system of civil engineering

ZHANG L i

(Depar tment of Civil Engineering,North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

Based on the multimedia tools of F lASH MX、AUTOCAD、PHOTOSHOP7.0、REALBASIC,by using the text,image, audio and video,it is possible to obtain the s imulated mult imedia test teaching system of reinforced concrete structure and soil mechanics,which are the main courses of Construction Engineering.Because of itsmany advantages,such as simulation,interaction,repetition,low cost and web popularity,the new multimedia test teaching system can not only meet the requirements of personnel training,but also solve the problem of inadequate teaching resources,which is advanced,pertinent and suitable.

test teaching refor m;specialized test course of civil engineering;simulated teaching;FlASH

G642.0

A

1672-7169(2010)01-0107-03

2009-12-17。项目基金：华北科技学院院级教学研究重点项目。

张利(1968-),女,河北张家口人,华北科技学院教授,从事材料学教学及科研。