虚拟仿真实验融入结构抗震设计课程的改革探索

杨 光，王云洋，贺寒辉

（湖南文理学院土木建筑工程学院 湖南 常德 415000）

地震灾害是造成我国人员伤亡和财产损失的主要自然灾害之一，其中地震对建筑结构的震害影响大，对建筑结构进行抗震设防是抵抗地震的有效手段之一。建设工程结构抗震设计事关国计民生，设计和施工环节责任重大；而结构抗震设计课程作为本科阶段学习结构抗震设计理论和设计方法的主要课程，需要在教师“教”和学生“学”的过程中切实传授结构抗震相关专业理论与技术以提高学生结构抗震设计意识与能力。

运用虚拟仿真技术可使教学内容变得直观、生动、形象、声像并茂。随着计算机和信息技术的快速发展，虚拟仿真技术制作成的虚拟仿真实验走进专业课程教学已经可以实现[1]。国内有很多学者将虚拟仿真实验用于结构抗震设计这门课程中，并取得了很好的效果：鲁正[2]、周小龙[3]等将虚拟仿真实验应用于建筑结构抗震课程教学，提出了结构抗震设计课程引入虚拟仿真实验教育的改革思路；顾冬生[4]将数值仿真技术应用到结构抗震试验教学中，以弥补传统教学的不足；贾冠华等[5]探索并设计了VR实验项目群，同时提出VR实验在建筑抗震设计课程教学中的实施方法。

上述虚拟仿真教育资源引入结构抗震教学均取得了良好的教学效果，由此可见，虚拟仿真教学资源引入结构抗震设计课程很有必要结合校情继续开展探索和应用。本文通过集成现有课程的虚拟仿真教学资源，探索线上和线下虚实结合的教学改革，讨论虚拟仿真教学资源入课以便提高结构抗震设计课程的教学质量。

1 虚拟仿真实验技术在课程教学中的必要性

结构抗震设计课程综合了土木工程专业建筑工程方向大部分的专业基础课内容，以结构抗震设计的基本概念和方法为重点，提出对各种建筑类型的结构抗震性能设计和构造设计，具有较强的理论性和实践性[6]。地震属于自然灾害，至今无法精确预测地震发生的时间、地点，学生绝大多数没有亲身经历过地震，对地震和震害的认识只能从新闻媒体和课程内容中得到；传统教学模式传授给学生的诸如结构抗震设计计算方法对建筑结构计算的可靠性等问题仅仅使知识停留在抽象理解上，由于教师教学知识的不全面以及教学资源限制，使得学生在理解和学习结构抗震设计知识时比较困难且缺乏兴趣，因此有必要对课程的教学模式进行改革，同时引进新的教学资源和教学手段辅助教学以促进学生对结构抗震知识的学习和认知。

在新工科背景下，对学生结构抗震的专业知识及设计能力提出较高的要求，教师将课程中的重点和难点清晰传授给学生才能达到教学目标。将虚拟仿真教学资源融入结构抗震设计教学，利用可感知、可交互、沉浸式VR等虚拟仿真实验技术，可让学生体验感受地震对人体感观和建筑结构物影响的烈度大小，有助于理解结构抗震理论，更加深刻地理解建筑抗震设计对工程结构安全的重要性；利用虚拟实验平台，可将结构抗震设计知识形象化、抽象思维直观化，将结构抗震设计原本静态抽象的理论知识转化为动态可操作性的动态视觉感知或虚拟仿真实验，激发学生的学习兴趣，有助于提升结构抗震设计教学效果，提高学生解决工程结构抗震性能设计和施工等方面问题的能力[7]。虚拟仿真实验教学正处于起步阶段，但现有研究已说明该方法手段可提高教学效果，实现预期教学目的，因此，非常有必要集成现有虚拟仿真实验教学资源开展课程教学改革探索。

2 结构抗震设计虚拟仿真教学探索

目前很多高校进行了虚拟仿真实验项目入课的探索，但是由于土木工程专业虚拟仿真实验设备投入大，很难有高校仅针对一门课程购置全部的实验设备[8]。因此，为了达到教学目标，需要根据结构抗震设计课程内容在校内外和线上寻找教学资源，整合形成虚拟仿真实验教学资源库，然后设计合理可行的教学方式，让学生更多地参与虚拟仿真实验教学环节，接受更多形象、具体的结构抗震知识。

2.1 建立虚拟仿真实验教学资源库

根据课程内容特点和教学目标，充分利用校内外教学资源，并利用网络精品在线开放课程平台和国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台（实验空间）进行挖掘和利用，初步集成以下虚拟仿真教学资源，见表1。

表1 结构抗震设计虚拟仿真实验教学资源

2.2 虚拟仿真实验教学设计

2.2.1 总体教学设计

根据教学资源的时空分布，将教学内容进行重构，对教学时间和教学方式进行重新设计。教学坚持以学生为中心，教师起组织、引导、监督和推动作用，采用翻转课堂穿插式教学、线上线下混合式教学等模式，教学内容涵盖沉浸体验、虚拟仿真动画技术、虚拟仿真在线实验等多样化的表现形式，将学生对结构抗震的视觉认识、感官体验、经验理论和技术规范等教学过程形成一个有机整体[9]。教师在教学过程中充分利用教学资源，合理安排虚拟仿真实验教学活动和理论教学环节，发挥各种教学方式的优点，注重学生对所涉及知识的认知、理解及运用，加强与学生的沟通交流，有效提高教学效率和教学质量。

2.2.2 校内外虚拟仿真实验教学设计

学校附近的市科技馆建设有地震体验平台，除了能科普地震成因和地震波的一些基本常识外，还可以模拟体验低、中、强震不同烈度的震感下人体的感受，可建立起“地震成因→地震波的传播→地震能量及烈度”的地震基本常识的虚拟场景及烈度感受，给予学生直观的认识和亲身感受。

学院建设有虚拟仿真实训室，除了常见建筑结构和不同建筑类型的微缩模型外，还可以通过大屏配合VR眼镜漫游建筑内外结构空间，并能显示诸如钢筋配筋及分布的细部构造。通过建筑结构抗震设计相关的细部构造，结合相关的设计规范要求，可使学生直观了解结构构造在抗震设防要求下与常规结构设计的不同，深刻理解建筑的平立面布置、结构选型与布置、多重抗震防线等建筑结构抗震概念设计内容。

利用有限元软件分别模拟震动作用下不同高层和地层建筑结构的振动模态，对比分析高层和低层建筑结构的振型、振动频率和层间位移，让学生观察建筑结构在地震作用下的动态特征，建立起“结构振动振型/频率→振型分解反应谱法”的结构地震反应分析场景，让学生结合书本的理论公式推导更好地掌握结构地震反应分析和抗震设计理论与方法。

2.2.3 线上虚拟仿真实验教学设计

充分挖掘利用国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台的教学相关资源，组织引导学生开展线上抗震相关虚拟仿真实验。通过地震波动理论实验，让学生操作设置和感受地震波的分类和传动特性，更深层次了解地震波对建筑结构的振动影响，即“纵波使建筑物产生上下颠簸，横波使建筑物产生水平摇晃，面波使建筑物既产生上下颠簸又产生左右晃动”。通过地震遗址建筑物结构抗震虚拟仿真实验项目，学生通过操作和地震震害场景漫游，了解和观看还原真实强震对不同建筑类型建筑结构的影响和震害特征，认识各种建筑结构类型产生震害的力学机理，同时融入课程思政教育，激发学生的家国情怀、工程道德意识和大国自信意识。

3 虚拟仿真实验教学改革效果

3.1 改进了教学手段，提高了学生学习兴趣

传统教学中教师面对抗震知识难点和抽象深奥的问题很难进行深入的剖析，通过改进教学手段引入虚拟仿真实验教学资源可以深入浅出地传授学生相关抽象难懂的知识，可以较好地解决理论与实践教学中遇到的实际困难，改善了土木工程专业设计类课程较为枯燥的教学模式，增加了知识趣味性，提升了学生对知识的认识和理解程度，课堂抬头率明显提升。

3.2 完善了教学内容，增强了学生综合素质

受限于教学资源的匮乏，传统的教学内容大都停留在书本和教学用多媒体上，教学方式以理论教学为主，缺少相关的观摩和实践环节。但是，随着经济社会的发展，结构抗震设计的新方法、新技术和新理念都得到了更新。充分利用体验式、操作式等虚拟仿真实验教学手段，与时俱进引进结构抗震设计新知识，通过学生参与观看和体验虚拟仿真实验教学场景，避免了课程理论教学与实践教学脱节，完善了教学内容，扩展了学生的视野，增强了学生的综合素质。

通过过程阶段性和期末考核，学生交流回答问题时的理论水平更高了，期末测试时学生的考试作答成绩更高。通过对班级同学们的调查反馈，100%的学生都能接受虚拟仿真实验教学方式，95%以上的学生认为通过虚拟仿真实验教学对结构抗震知识收获匪浅，基本掌握了本科阶段的结构抗震教学内容。

4 结语

通过集成结构抗震设计校内外和线上虚拟仿真实验资源，合理设计教学内容和教学环节，改进了教学手段，完善了教学内容，激发了学生学习兴趣，有效弥补了学生感性认识方面距地震“远”和理论实践学习方面对地震作用理解“虚”等教学问题，该教学方式得到了学生的认同，提高了教学效果。随着虚拟仿真实验教学改革探索的深入，后续将继续充分利用好各类共享虚拟仿真教学资源辅助课程教学，同时自制一些动画和数值模拟类仿真实验教学资源，为社会培养更多高素质的结构抗震设计应用型人才。