土力学虚拟三轴实验教学平台的开发及应用

曹 培，张陈蓉，钱建固

（同济大学 土木学院 地下建筑与工程系，上海 200092）

土力学是大土木工程专业课程教学体系中非常重要的专业基础课，而土力学实验则是土力学教学中不可或缺的实践性教学环节。作为连接土力学基本理论与工程应用的“桥梁”，土力学实验不仅促进了土力学基本理论的发展，而且推动了理论在工程实际中的应用[1]。土力学实验教学的开展，既可以加强学生对土力学基本原理的深入理解和掌握，又能丰富学生对土体物理和力学特性的感性认识，同时还可以培养学生的实践动手能力，激发学生的创新意识和创新思维，有利于培养学生的工程意识和综合素质，是工程教育中必不可少的组成部分[2-4]。三轴剪切实验是土力学实验中一项重要的力学实验，是测定土体抗剪强度的常用方法，是研究土的静、动力学特性和砂土液化的主要实验方法，也是研究土体本构关系的主要手段。三轴剪切实验融合了土力学中的有效应力原理、固结理论和强度理论等重要概念，因此熟练掌握三轴实验不仅是学好土力学的关键，而且可以为学生今后从事土木、交通工程设计和施工工作打下良好的基础。

然而，在实际的实验教学中，现有的实验条件很难满足三轴实验的教学要求。首先，学生数量多而实验仪器少是目前三轴实验教学中的主要矛盾之一，无法实现学生进行独立操作的教学目标，实验教师也无法对学生的掌握程度进行准确评估[5]。其次，由于三轴实验操作复杂，实验所需时间较长，尤其是黏性土的三轴排水剪切实验，实验周期长达数天，而学生的实验课时却很有限，因此在实际教学中往往采取演示实验的教学方式，这样不容易激发学生的学习兴趣，对学生理解掌握实验原理及实际的教学效果都会产生不利的影响[6]。

近年来，虚拟仿真技术因其投入小、操作灵活、适用范围大等优点，逐渐成为实验教学的辅助手段[7]。作为弥补并促进实体实验教学的重要手段，虚拟仿真技术综合运用了前沿的数字仿真和信息化科学技术，改变了传统的实验教学方法，克服了实体实验在场地、仪器、课时等方面的不足和局限，使学生能够更灵活地安排实验、更好地完成实验，从而达到提高教学效果的目的，并最终提高学生的实践能力和创新精神。传统实验室以实体和精炼为特色，而虚拟实验室则以在线和广泛为特色，两者互为补充，相得益彰。

基于此，本文基于我校自主研发的 iS3智慧平台（infrastructure smart service system，简称iS3）[8]，开发了土力学三轴剪切实验虚拟仿真教学平台，并将其应用到大土木工程专业本科生的土力学实验教学和实验培训等方面。利用该虚拟仿真实验平台探索了虚实结合的实验教学模式，使学生能够较快地熟悉和掌握实验设备及操作流程，学生也可以根据需求进行自主学习，随时随地开展虚拟三轴实验操作，提高学习的积极性和主动性。同时，实验教师可以通过系统后台的操作数据和反馈信息，及时了解学生对实验的掌握程度，对教学效果进行实时评估。

此外，2020年春季，一场突如其来的疫情使得线下实体教学变得暂不可行，在教育部“停课不停学”的号召下，各学校都在大力开展线上教学。如何开发和利用虚拟仿真实验资源开展线上实验教学并且保证实验教学效果，成为各学校实验教学关注的重点。本文对我校土力学三轴剪切实验虚拟仿真教学平台的开发和应用进行了介绍，以期为各高校虚拟仿真实验平台的开发和建设提供借鉴与帮助。

1 虚拟三轴平台的设计

本着“虚实结合，以虚补实”的设计思路，遵循“教—学—用—创新”的教学规律和认知流程，将理论知识、实验技能、实践应用和创新思维融入贯穿到整个设计流程[4]，建立多模块、多层次和多模式的高质量虚拟实验系统，以达到解决土力学实验教学中的实际问题、提高学生的实践能力和创新能力的目的。总体上，土力学三轴剪切实验虚拟仿真平台的设计原则主要包括以下3个方面：

（1）真实可靠。真实性是虚拟仿真实验系统的设计重点，主要表现在两个方面：一是虚拟实验系统的实验过程要遵循土力学的基本原理，其模拟结果要符合土的力学规律，具有可重复性；二是虚拟系统中的实验环境要趋于真实，通过逼真地模拟还原实验设备、辅助工具、实验材料和实验场地等，从视觉、听觉、触觉等不同方面带给学生真实的实验体验[9]。

（2）实用性强。虚拟实验系统要扮演好实验教学好帮手的角色，能够切切实实应用到实验教学过程中去，界面要人性化，操作要简单方便，既要满足土力学实验教学的目标，还要兼顾科研实验培训的需求。同时，要充分利用互联网实时开放的特点，将虚拟实验平台打造成开放共享的网络平台，实现教学资源的开放共享和高效利用，便于该虚拟平台在同行业推广。

（3）交互性强。充分利用iS3平台的自主研发优势，根据三轴剪切实验的特点和教学要求，最大限度地保障虚拟实验系统内容的丰富性和趣味性，构建“沉浸式”和“交互式”的实验情境，而不是只提供简单的动画视频播放。在实验过程中学生能够结合工程断面选取实验土样、拆分和组装仪器设备、设置实验加载参数、选取剪切方式、处理实验数据等，系统对学生的实验过程可以自动进行实时评判，以便给学生提供有效的学习反馈和充足的练习机会，从而提高学习效率和互动体验。

2 虚拟三轴平台的建设

2.1 实验系统的组成

本虚拟实验系统主要由权限模块、原理模块、操作模块、数据模块和考核模块共5个功能模块组成，在使用中有教学模式、学习模式和考核模式3种用户模式可供选择，每种模式由土样获取、试样制备安装、仪器操作和数据处理4大流程组成。系统的框架结构如图1所示。

图1 土力学虚拟三轴实验教学平台的组织框架

本虚拟平台提供教师和学生2种用户登录身份，根据用户身份提供相应的操作权限。

原理模块由原理介绍和设备介绍2个功能模块组成，通过PDF、视频和三维动画演示等方式对三轴实验的基本原理和仪器设备进行详细介绍和展示，以加深学生对理论知识的理解和掌握；根据应力路径三轴仪和其附属设备进行三维数字建模，完整展现仪器设备的信息，逼真还原实验教学中所用的仪器设备。学生不仅可以清晰直观地观察了解仪器设备的组成和各部件的功能，而且可以自主手动拆解、组合、安装仪器，以便熟练掌握仪器的构造和使用方法。同时，通过国产设备与进口设备在功能和构件上的对比，激发学生的探索精神和创新意识。设备介绍模块如图2所示。

图2 虚拟三轴实验教学平台的设备介绍模块

操作模块提供三维实验场景，学生通过控制鼠标完成实验操作，同时具有辅助提示系统，提醒学生关注关键实验信息，提高学习效率。

数据模块提供实验数据查看、数据处理、实验表格填写和结果上传等功能。平台数据库中收集了大量上海本地不同土层土样三轴剪切实验结果作为虚拟实验数据的样本，而且数据库不断更新，以建立土力学实验教学与工程实践的紧密联系。

考核模块具有实时评价功能，用以考核评价学生对于实验知识的掌握程度。通过动态监控和实时评判机制，系统自动记录学生的实验操作行为，并对操作结果进行评判，给出操作成绩。教师通过后台记录分析，可以掌握每个学生的学习情况和对知识点的掌握情况，并据此及时调整实验教学的重点。

2.2 实验系统的使用流程

（1）土样获取。土的三轴剪切特性与土的物理性质、取土深度、应力历史和剪切方法等有密切关系，土样的初始条件对实验结果有重要影响。为了帮助学生建立对试样的剪切特性及其初始条件之间关系的直观认识，平台基于上海地铁12号线某站点真实钻孔资料生成地层模型，提供5个不同位置的钻孔、6种不同土层的土样以供选取，如图 3(a)所示。通过预设工程背景，引导学生将有效应力原理、应力历史对土体特性的影响等土力学理论与工程项目应用进行对接。

（2）试样制备安装。获取土样后，平台将切换到实验室场景。学生通过点击鼠标进行土样制备，包括土样切削、测量直径和高度、贴滤纸条、装透水石、套乳胶膜、装试样帽、装压力室罩、活塞杆对中和向压力室中注水等环节，如图3(b)所示。在教学模式中，将实验操作进行细致拆分，提供演示并嵌入理论知识点供学生思考和自主进行学习。在学习模式中，针对学生的不合理操作给予自动反馈，引导学生自主发现和解决问题，有的放矢地进行学习和训练。

（3）仪器操作。土样安装好后，打开操作软件，输入前期获得的土样参数和根据土层参数确定的周围压力，如图3(c)所示。选取实验方法并设置实验步骤，通过三轴UU、CU和CD实验加载条件的控制来模拟饱和地基施工的时效性。以CU实验为例，实验分为固结和剪切两个阶段：在固结阶段，操作界面上会显示轴向位移、排水量或孔隙水压力随时间的变化关系曲线；在剪切阶段，界面上会显示偏应力或孔隙水压力随轴向应变的变化关系曲线，直至试样剪切破坏。改变试样的周围压力，重复进行3~4次不同围压的实验，可以得到一组完整的三轴实验数据。

图3 虚拟三轴实验操作流程

（4）数据处理。根据后台数据库中的样本，结合土层参数和实验参数，通过随机算法生成实验数据，以避免学生得到的实验结果千篇一律。学生可以直接在平台上查看、处理数据，提交实验结果，也可以自行下载数据，处理后再将结果上传，以供任课教师查看评判。平台显示的实验数据形式如表1所示。

表1 虚拟三轴实验数据列表

3 虚拟三轴平台的应用

目前，本虚拟三轴实验教学平台已实现开放共享，并已成功运用到我校土木工程学院、交通学院各专业本科生的实验教学中。通过传统实体实验和线上虚拟实验相互结合、各取所长，逐渐建立了线上与线下相互配合、相互补充，且兼具特色与规模的实验教学新模式，切实提高了实验教学的综合实力和水平。学生首先在虚拟三轴实验教学平台上学习相关实验知识，通过环环相扣的学习和操作模块训练，对实验的基本理论、仪器设备和实验流程有了清晰的认知和整体把握。这样在进入实体实验教学环节后，学生能够更快、更准确、更有效地融入到实体操作中，避免了学生一知半解、“走过场式”地做实验的现象。课后，学生还可以利用开放的平台随时进行复习巩固，经过这样的训练，学生会对实验有更深层次的体会，对知识的理解和掌握也会进一步加深。

在 2020年春季学期，本虚拟三轴实验教学平台为我校广大师生提供了在线实验教学资源和在线实训演练渠道，全方位立体化地帮助实验教学的有效开展，很大程度上解决了学生暂不能开展实体实验训练的困难。

除了应用于本科实验教学外，本虚拟平台还兼顾科研需要，可应用于科研实验培训。我校岩土及地下工程教育部重点实验室有多台进口多功能三轴仪，为广大师生的科研工作提供服务。由于部分学生对三轴实验和仪器设备并不十分了解，造成了仪器设备损耗严重、占用时间长和实验数据不合理等问题，因此该重点实验室利用本虚拟三轴实验教学平台，对申请使用重点实验室三轴设备的学生进行准入培训和考核，规范学生的使用和操作，有效地减少了仪器设备的损耗，提高了实验的准确性和仪器设备的周转效率。

4 结语

利用虚拟仿真技术开发了土力学虚拟三轴实验教学平台，积极探索和改进传统实验教学模式与方法，不仅丰富了大土木工程专业的实验教学资源，而且解决了当前实验教学中存在的问题，节约了实验教学成本，有效地提高了实验教学效果。

平台的应用和开放共享，拓展了土力学实验教学的时间和空间，完善了多元化的教学体系，弥补了实体实验教学的不足，为培养具有扎实专业基础知识、较强实践能力和创新能力的复合型工程人才提供了有力保障。

在后续工作中，将在iS3平台引进现代土力学的数值模拟技术，建立大型虚拟仿真共享数据库；结合虚拟穿戴设备，为学生提供身临其境的虚拟现实模拟场景，以进一步提升虚拟实验感受和效果。