虚拟仿真技术在土工试验教学中的应用

毕小兵

(山西水利职业技术学院，山西 运城　044004)



虚拟仿真技术在土工试验教学中的应用

毕小兵

(山西水利职业技术学院，山西 运城044004)

摘要：利用虚拟仿真平台进行教学，可以克服传统试验教学的不足，降低传统试验教学的成本，激发学生动手实践的积极性，使试验教学更加方便、灵活、高效、直观，取得较好教学效果。结合土工试验，探讨了虚拟仿真技术在试验教学中的应用。

关键词：虚拟仿真技术；土工试验教学；应用

信息技术改变了人类的工作和学习方式，并赋予职业和职业教育新的内涵和要求。一方面，传统职业的工作方式和流程正在发生一系列变革；另一方面，信息技术的深入使用，带来了职业教育的办学模式和教学模式的变革。

职业教育信息化在培养高素质劳动者和技能型人才上起着重要的支撑作用，是目前职业教育中需要着重加强的薄弱环节。大力推进职业院校数字校园建设，全面提升教学、实训、科研、管理、服务方面的信息化应用水平，意义重大。

根据国家推进教育信息化进程的要求[1]，山西水利职业技术学院对省级精品课程《土工技术与应用》进行了相关的信息化教学开发，结合土工试验不同项目的难易程度，分别设计、开发了演示型和交互型两种信息化教学资源。

1虚拟仿真平台介绍

土工试验教学虚拟仿真平台有多个数据包，这里以“土的直剪试验”数据包为例(见图1)，进行虚拟仿真平台的功能介绍。

图1 土的直剪试验虚拟仿真平台

虚拟仿真平台由五个操作窗口组成：“试验仪器”、“试验原理”、“试验演示”“学生自测”和“帮助”。其中，“试验仪器”操作窗口是让学生直观认识直剪仪及相关仪器部件；“试验原理”操作窗口是让学生初步了解直剪试验的原理及数据处理；“试验演示”操作窗口是让学生清晰了解直剪试验的操作步骤；“学生自测”操作窗口是让学生准确掌握直剪试验的操作步骤；“帮助”操作窗口(类似操作手册)，是帮助学生尽快熟悉、使用虚拟仿真平台的各项功能。

2虚拟仿真平台的教学应用

学生点击软件，进入虚拟仿真平台，点击不同的操作窗口，进入相应的操作界面，进行直剪试验不同内容的学习。具体如下：

2.1“试验仪器”操作窗口

操作窗口如图2所示。界面由“整体仪器”和“仪器部件”功能键组成，点“整体仪器”功能键，可自由旋转、缩放、平移直剪仪，从而帮助学生从任意视角对直剪仪整体进行观察；点击“仪器部件”功能键，在下拉菜单点选部件名称，该部件即从仪器桌面上升起，帮助学生对应实物，同时仪器部件也可实现自由旋转、缩放、平移功能，从任意视角对仪器部件进行观察。

图2 “试验仪器”操作窗口

2.2“试验原理”操作窗口

操作窗口如图3所示。界面居中显示直剪试验的原理说明文档，右侧设置滑动条，学生通过拖动滑动条可实现对原理说明文档的翻页操作，便于连续阅读学习。此文档包含试验目的、仪器设备、操作步骤、计算公式、试验记录及数据处理等内容，帮助学生对土的直剪试验建立完整的概念。

图3 “试验原理”操作窗口

2.3“试验演示”操作窗口

操作窗口如图4所示。界面依据直剪试验的步骤，共设置了20个操作步骤键，鼠标移动到每一个操作步骤键都会显示相应的步骤提示，点击“播放”功能键，开始自动播放试验动画(窗口顶部同步出现红色的操作提示)，播放过程中，点击“播放”功能键，播放暂停(此时学生可以根据实际需要，选择任意操作步骤键，改变播放速度)，再次点击，播放开始。

图4 “试验演示”操作窗口

2.4“学生自测”操作窗口

操作窗口如图5所示。学生按界面操作步骤提示选择部件名称，再点击对应的虚拟实物(鼠标移动到虚拟实物时会有文字提醒)，若点击正确，则自动播放此步骤对应的动画演示；若点击错误，则弹出警告窗口，要求按操作提示进行自测练习，直至完成(虚拟试验操作熟练后即可开始实物演练)。

图5 “学生自测”操作窗口

2.5“帮助”操作窗口

界面显示虚拟仿真平台的使用说明，此处不再赘述。

3传统试验与仿真平台应用效果比较

3.1传统土工试验教学存在的主要问题

(1) 在介绍试验仪器时，某些试验仪器(直剪仪、固结仪)体积大，质量重，不便于拿在手里对学生进行全方位展示、讲解；

(2) 在进行试验演示时，受限于场地条件，只能每组派代表过来学习，不能向每位学生完整展示，且讲解过程不可逆，不利于学生反复思考、学习；

(3)试验仪器复杂，学生误操作易发生故障，影响试验的完成进度，且试验仪器造价高，不能大批量采购，不能保证每位学生都能动手参与试验。

3.2虚拟仿真平台进行土工试验教学的应用效果

(1) 虚拟仿真平台，所有的试验仪器(包括仪器部件)都可以自由旋转、缩放、平移，满足学生从任意视角对试验仪器观察的需要；

(2)虚拟仿真平台上，每一位学生都可以看到试验操作的全部过程(包括试验过程中的数据采集)，且可以针对特定步骤进行慢速播放学习；

(3) 虚拟仿真平台上，学生误操作不会造成试验仪器故障，且虚拟仿真平台可无限复制，保证每一位学生参与试验操作的同时，也降低了试验成本。

4结语

虚拟仿真技术在土工试验教学中的应用，改变了传统试验教学模式，克服了传统试验教学的不足[2][3]，有效地突破了设备、场地、成本、时空的限制[4]，其三维交互的学习方式，激发了学生学习积极性[5]，提高了学生土工职业技能，取得了较好教学效果。

参考文献：

[1]李平，毛昌杰，徐进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[2]王静，等. 虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32(7):107-108.

[3]程思宁，等. 虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30(7):94-97.

[4]冯桂珍，等. 基于Cult3D的虚拟土木工程实验平台的构建[J].实验技术与管理，2015，32(7):109-112.

[5]林徐润，段虎. 虚拟仿真技术在高职实训教学中的应用[J]. 深圳信息职业技术学院学报，2012，10(2)：21-25.

Application of Virtual Simulation Technology in Teaching of Soil Testing

BI Xiao-bing

(ShanXi Conservancy Technical Institute, Yuncheng 044004, China )

Abstract：Using virtual simulation platform in teaching can overcome the shortcomings of traditional experiment teaching, reduce the cost of traditional experiment teaching, and inspire students’ enthusiasm in hands-on practicing, which makes experiment teaching more convenient, flexible, efficient and intuitive and therefore, good teaching effect is achieved. Combined with soio testing, the application of virtual simulation technology in experiment teaching is discussed.

Key words：virtual simulation technology; teaching of soil testing; application

DOI:10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2016.01.005

中图分类号：G712

文献标识码：B

文章编号：1673-0496(2016)01-0016-02

作者简介：毕小兵(1985-)，男，山西运城人，助教，硕士，主要从事基础工程的教学与研究工作。

收稿日期：2015-12-01