虚拟仿真技术在建筑结构实验教学中的应用

摘 要：利用计算机仿真技术进行建筑结构实验教学,不仅使学生经历从实践到理论的认知过程,还可以弥补常规实验的实验条件高、实验效率低等缺陷.本文结合仿真实验的特点,分析现阶段仿真实验在教学应用上的局限,对仿真教学方法在建筑结构实验中的应用提出一些想法.

关 键 词：结构实验仿真实验

建筑结构实验是土木工程专业实践教学中的核心课程,培养学生的动手能力和专业素养有着不可替代的作用.针对目前高校建筑结构实验课程运行的现状,使得教师面对繁重的实验教学任务而感到心有余而力不足.随着计算机硬件平台在高校中的普及,为仿真实验提供了发展的空间.仿真实验作为突破物质条件限制的补充教学手段,逐渐被应用到高校的实践课程中.但是,仿真实验这种新的教学平台和教学方法在实验教学中怎样合理应用?怎么发展?还些问题值得探讨.

建筑结构实验本质是一门实验科学.任何结构理论的提出和验证都必须以严谨的实验为依据.对于高校的土木工程专业学生而言,能有充足的时间、空间和必要的实验器材在课内、课外进行各种类别、层次的结构实验学习,对学生的动手动脑能力及探索创新意识的培养效果是显而易见.[1]

由于土木工程专业连年扩大招生规模,在校学生基数的不断增加,但是学生的人均实验场地和实验设备的台套数无法匹配,现有的实验仪器更新速度较慢,老旧设备普遍存在不同程度的缺陷,致使结构实验的教学质量无法得到有效保障.矛盾较为突出的高校甚至采取压缩实验项目,增加额定实验人数等措施；加之,学校没有足够的人力、物力将建筑结构实验室进行全面开放,致使学生实验课时间不够充裕,学生只能在排定的实验课才可进实验室,课时中还需花费一定的时间对实验过程、实验仪器进行熟悉和调整,因而实验比较匆忙,学生难以在短时间内对实验仪器原理、使用方法、实验设计方案进行消化,对实验中看到的现象也没有机会深入研究,这些原因直接影响到结构实验教学的效果.[2]结构实验教学遇到的客观困难,短时间内无法得到有效解决,于是仿真实验作为替代方案逐渐在实验教学中占据了一席之地.

结构仿真实验虽然有着不少特色或优势,但要清醒的认识到,它只能作为常规教学手段的补充,并不能完全取代真实的结构实验.就目前的仿真实验软件来说,它无法真正模拟出实际的结构实验操作环境,并给学生带来听觉、触觉和视觉的全方位真实感受.[3]作为一门实践课程,建筑结构实验教学的一个重要任务是通过对仪器设备的操作,锻炼学生的动手能力,但在仿真实验中,学生只能在电脑前操作.另外,仿真实验的介入也减少了教师和学生的互动过程,教学活动单一,略显乏味.针对当前结构仿真实验系统的不足,应合理选择教学方法,提高教学质量,改进完善仿真软件系统.

1.仿真实验系统必须与真实实验有机结合

结构实验教学不能完全依靠仿真实验软件,实践中应该着重把仿真实验选作预习、复习实验的途径,而主要的学习过程还是采用传统的实验室教学效果较好.这样学生在进入实验室前,通过仿真实验预演,已经可以对实验的过程步骤、仪器的外观结构有了一定的了解,防止盲目操作损坏设备.教师在实验课上就可以把教学重点放在实验技巧、实验现象、实验意义等较高层次的知识面上.而课后学生也可以利用仿真实验软件进一步领悟所学知识,有时间补充测量额外的数据,加以分析,加深对实验的理解.

2.仿真实验系统的测量结果必须符合实际

结构仿真实验测量模拟过程还比较僵化.必须进一步完善结构仿真实验测量结果的生成机制,在实验良好重现性的基础上,虚拟出真实实验测量结果的不确定性.这就要建立在大量实际实验测量数据分析的基础上,找出随机误差的分布规律,并考虑到一定的实验系统误差因素,添加和改良各种随机模拟测量程序代码组合,合理生成数据误差.

3.仿真实验系统的过程应该多样变化

仿真实验一般展现的都是固定的实验现象；仿真实验缺乏实验突发事件的教学条件.事物都有两面性,仿真实验仪器的正常运行、精确测量消除了学生排除故障和常规检修仪器的练习机会,也减少了因实验结果出现偏差,回溯误差来源的训练.而这类训练在真实实验教学中是重要的内容.因此,在仿真实验中必须要能够展现多样变化的实验过程、实验现象和实验细节.包括正常的和一些不正常的内容,给学生错误操作的机会,并适宜地进行教授错误出现的原因原理.实验中可以随机设置出一定的干扰,有时也可以加入中断事件,制造出不合理的测量现象或结果,在有限的提示下,引导学生去分析解决问题.

4.仿真实验系统的开发与发展必须加入创新机制

现阶段结构仿真实验系统主要采用按实验项目分成独立程序的结构,每个实验项目的步骤过程基本都是程序预先设置好的,学生实验有些按部就班的感觉,束缚了实验拓展的空间.在这方面仿真实验的短期改进可以在每个单项实验中加入多种实验方式方法和选做实验供学生学习实践,分层次、分难度来丰富实验内容.而将来的仿真实验必须模糊现有的实验项目之间的界限,应该以具体的仪器为对象建模,单独封装,有独立的操作接口,建立广泛的仪器设备模块库.这些仪器对象能够实现跨实验的自由组合,通过标准通讯界面协同工作来集成复杂的实验.为研究性实验、探索性实验建立自由平台,鼓励学生选择和组织不同实验仪器,自主设计创新实验项目和方法.这样做才利于启发学生的求知欲和想象力,培养其发散思维能力.

5.仿真实验的运行平台必须考虑未来发展的需要

“云计算”时代即将来临,以ChromeOS为代表的在线应用指引了未来软件发展的方向.作为一款软件,结构仿真实验系统也必须适应技术的进步,实现跨平台运行,才会有更大的应用空间.

虚拟仿真技术作为一个新型的教学媒体能够实现学习过程的情景化及自然交互性,在实践教学中有着极其巨大的应用前景,将会逐渐受到实践教学工作者的重视和青睐.目前,仿真实验教学系统的发展任处在初级阶段,还有很大的发展空间,应在实践中认真教研,恰当使用、合理开发,通过不断丰富和完善,才能实现与真实实验教学的融合.