土木工程课程虚拟仿真教学平台设计与应用

来源：爱站旅游

2020年1月教育教学论坛Jan.2020第3期EDUCATIONTEACHINGFORUMNo.3土木工程课程虚拟仿真教学平台设计与应用石南南1，2，王小娟1，2，李振宝1，2，纪金豹1，2（1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124；

2.北京工业大学国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心，北京

100124）

摘要：北京工业大学土木工程国家级虚拟仿真实验教学中心利用现代虚拟仿真最新技术，采取多种模式建立了虚拟仿真实验平台。以土木工程中基础实验课程教学方法为研究对象，提出基于虚拟仿真技术的土木工程实验实训课程的教学方案。依托真实系统和仿真实训中心，构建了土木工程应用领域广泛使用的钢筋混凝土简支梁实验、短柱实验、振动台实验等九个实训项目，同时构建了工程结构实验中心三维仿真系统，功能包括实验中心室内、外场景的整体3D展示以及大型实验设备和特色实验系统的3D模型、功能展示和试验仿真。

关键词：土木工程；三维仿真；教学平台；人机交互中图分类号：G642.41

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2020）03-0189-04

一、前言

实验虚拟仿真平台[5]。

虚拟仿真技术、数学推理以及科学实验并称为现二、土木工程虚拟仿真实验教学模式

代教学中认识自然规律的三种方式[1]。虚拟仿真教学中心开发了应用于土建类专业认知层次以及应是一种类似“项目教学”的实践教学方式，具有区别于用实践层次教学环节的仿真教学系统，即工程结构实传统教学方式的特点，这种方法的最大特点是利用虚验中心三维仿真系统、钢筋混凝土简支梁静载试验模拟仿真技术模拟实际实验场景，让学生在动态情境下

拟系统、桥梁工程虚拟仿真实验系统、楼宇自控系统进行自主学习与创新性实验设计。同时，由于实体实

虚拟仿真实验系统、大型水质分析仪器仿真与模拟操验室的开放与资源共享难度大，推广虚拟仿真实验教作系统等。

学是创新实验教学方式的未来趋势。土木工程实验具（一）大型仪器设备三维仿真系统

有高耗材、高消耗、实验时间长等特点，例如钢筋混凝本系统展示了北京工业大学工程结构实验中心土简支梁正截面的破坏性实验，需要水泥、钢筋、砂石的大型仪器设备及工作动画，包括国际领先水平国内等材料和搅拌机、养护池等设备，以及二十八天标准最大吨位多功能电液伺服加载试验系统、振动台模拟养护时间。土木工程专业中一个综合性实验从实验设地震试验演示系统、多维多点地震振动台试验系统、计、实验准备、材料使用、教员配置等都需要大量的人结构静力试验加载架和反力墙、三百吨阻尼器试验机力、物力，可见对其进行虚拟过程仿真实验具有重要的三维模型、操作演示和试验仿真[6]。该系统是中心实意义[2]。

验技术研究团队集体创造的结晶，是计算机虚拟仿真北京工业大学国家级土木工程虚拟仿真实验教技术与土木工程实验技术相结合的产物。本系统主要学中心利用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技服务土建类本科生的实践认知环节，包括专业认识实术，构建土木工程专业高度仿真的虚拟实验环境和实习环节、生产实习环节及创新实践课程。

验对象，可以有效地解决土建类专业开展实践教学遇

工程结构实验中心3D仿真系统的主要功能包括到的技术困难[3，4]。利用虚拟仿真平台实现虚拟实验并如下内容：

搭建典型的实验项目，实现数字化工程设计和虚拟施图1—2给出的是实验室3D漫游场景图，学生可以工、调试及运行，利用虚拟实验的网络化协同、多媒第一视角漫游于实验中心，可从各个方位观察实验室体、大数据库支持教学、宣传交流及实验展示等，形成内部和外部场景，也可利用系统所设置的自动漫游路了工程结构实验中心三维仿真系统和土木工程结构径观察试验室的概况及大型设备的细节和工作方式。

收稿日期：2019-08-14

基金项目：北京工业大学教育教学研究项目（004000514118540）

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本虚拟实验主要用于专业认识实习环节、生产实备系统设计有专门的介绍界面，并配备有文字、图片

习环节，该系统投入教学中有助于学生加深对国家级和语音介绍。学生不但能同时从不同角度、高度、全方重点学科、省部级重点实验室、国家级实验教学中心位观察试验设备的整体、各个部件和运行情况，还可等高水平学科平台整体建设情况的了解，增加学生的以进行简单操作[6]。

专业学习兴趣。

本部分主要服务于结构检测技术实验课、结构概完成了4000吨大型多功能试验加载器（图3）、九念及实践创新实践课，学生能通过系统对试验设备基子台地震模拟振动台台阵系统（图4）、300吨阻尼器试本功能模拟，了解试验设备的工作原理；通过参与部验机仿真模型（图5）等5套大型试验设备的三维功能分真实实验环节，强化对大型仪器设备功能以及性能展示、零部件展示和工作原理动作展示，每个试验设的认识，提高学生的专业视野。

（a）实体设备

（b）虚拟平台

图34000吨大型试验机仿真模型

（a）实体设备

（b）虚拟平台

图4地震模拟台阵系统仿真模型

（a）实体设备

（b）虚拟平台

图5300吨阻尼器试验机仿真模型

（二）钢筋混凝土简支梁静载虚拟仿真实验

限数量的破坏性实验。钢筋混凝土简支梁静载虚拟仿

钢筋混凝土简支梁静载试验是土木工程专业本真实验作为真实实验的补充，可以进行钢筋混凝土试科生必做的基础实验，受到实验场地、实验耗材量、实件的制作，并根据设计完成多种工况的少筋梁、适筋验时间的限制，在课题真实实验中，学生只能完成有梁、超筋梁三种破坏形式的试验模拟[7]。

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载、极限荷载、挠度曲线与应变值按照弹性力学的8.1.2条进行计算，其发展形态通过软件贴图的方法理论计算公式计算得到，其中混凝土梁的裂缝宽度来展现[7]。

（a）真实实验照片（b）虚拟实验台

图6三维混凝土简支梁试验系统

学生可以虚拟试验场景中改变实验工况和参数，

从而完成多种工况的模拟实验（见图7—10）。主要包括：（1）对每种试件可通过设置截面尺寸、构件长度、配筋等模型参数，在虚拟场景中布设位移计、应变片，能动态显示加载曲线和试件的破坏情况。（2）改变包含支座形式、分配梁、加载点控制、应变片布设、位移计布设条件完成多次实验。在确定实验工况参数后，系统能完成加载值显示、加载曲线设定、变形及开裂显示、变形曲线绘制、图形和加载动画输出等功能。

图10混凝土简支梁实验加载界面

各实验步骤的设计，有如下功能：

1.帮助学生了解钢筋材料及混凝土材料的特点，以及钢筋和混凝土共同工作的条件。

2.可视化模拟钢筋混凝土工作的基本原理。

3.掌握不同配筋情况下模型及关键参数的设置方法，虚拟再现无腹筋梁、少筋梁、适筋梁、超筋梁的加载过程及开裂形态，以及最大限度地模拟多种工况下钢筋混凝土梁的受力特点，提升学生综合实践能力。

图7几何参数设置

4.可以同时利用三维空间分析与可视化技术进行钢筋混凝土梁截面尺寸及配筋设计，对于如何设计实验构件以及浇筑构件的步骤与过程有了更生动详细的体现。

通过将实验内容和表现形式生动立体化设计，与学生形成良好的互动模式，以此达到传授学生知识、提高学生能力、拓宽学生视野的实验目的。在本实验项目中，需要学生掌握构件与仪表的选择及布置、学会仔细观察构件的破坏形态及裂缝发展过程，对比适图8材料参数设置

筋梁、少筋梁和超筋梁的受力破坏特点，以及各类型梁应用于实际工程中可能造成的后果，结合实验与工程实际，讨论如何合理设计适筋梁。

通过三维立体化实验展示可以极大地拓宽学生视野，使学生对钢筋混凝土简支梁正截面试验有更全面、更生动的认识。实验内容立体化设计包括点与面相结合，既要展示整体过程，又要突出重要细节；虚与实相结合，采用虚拟仿真技术展示实际应用场景和过程；实验与演示相结合，既有实验操作来锻炼学生的图9应变片和仪表设置界面

实验技能，又有应用演示来增强学生的直观了解和兴

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环节，引导学生主动思考和分析问题。

第四，结合数值计算仿真技术，与工程技术项目通过虚拟仿真技术、动画技术、实物展示技术等以及高质量科研成果融合到虚拟仿真实验系统建设，多样化的表现形式，能够提高实验项目的直观展示性扩大仿真实验的范围，形成虚实结合的实践教学模和参与互动性。教学实践表明，该虚拟仿真实验教学式；开展科研试验进课堂，严肃游戏进教学等教学改方法可以最大限度地激发学生的学习兴趣和探索欲革尝试，积极推动有限元数值仿真分析在虚拟实验教望，具有良好的实施效果。

学中的应用，建立虚拟仿真中心中的软件设计、数值三、总结

计算分析平台，完善工程实践、科学研究实验教学方第一，围绕虚拟仿真实验项目建设创新培养方法及手段。

案，推进实践教学内容更新，在教学管理体制、学科平第五，虚拟仿真实验利用多媒体、网络通信和虚台、实践教学平台进行统筹改革。包括在教学计划中拟仿真等现代技术构建高度仿真的虚拟实验环境，实增设创新实践课程和改革实验环节的指导模式，强化现真实实验与虚拟仿真实验相结合的模式。同时改进学科基础课、专业主干课及综合实践环节的联系。通传统教学实验消耗大、时间长、参数单一的问题，提高过北京工业大学国家级土木工程虚拟仿真实验教学虚拟仿真实验的多参数设置功能及计算速度，加强土中心的平台形成先仿真、再实训的实验教学模式，通建类专业人才创新能力和综合素质的培养。

过教师发布实验信息，学生在预习环节了解实验内参考文献：

容，并利用虚拟仿真实验项目进行多次模拟实验。注[1]张德,李向阳,李密.新工科视域下虚拟仿真技术在环保设重对学生利用仿真平台进行自主实验、互动交流过程备设计课程教学中的应用[J].科教导刊,2018,(12)135-136.的考核，加强对学生分析实验结果能力以及创新实验[2]王浩.高校土木工程专业虚拟仿真实验教学模式研究[J].牡的设计能力的培养。

丹江大学学报,2018,(1):139-142.

第二，结合多媒体虚拟现实技术的快速发展，明[3]李炎锋,杜修力,纪金豹,李振宝.土木类专业建设虚拟仿真确提出虚实结合的实验教学大纲。增加现代虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学,2014,(9):技术的应用，提出多阶段、多层次、多维度实验的开放82-85.

教学及灵活可行的管理实施方案。包括提出针对常规[4]惠存,祝彦知.土建类专业虚拟仿真实验教学中心管理模式改革与探索[J].河南教育(高教),2018,(4):49-52.

实验项目、自主试验、试验技术研究等不同阶段的虚[5]赵艳艳,张新华.大学物理虚拟仿真实验建设及应用的思实结合的实验教学方案，以及将虚拟实验不限时开放考[J].高校实验室工作研究,2018,(4):55-57.

和教学实验室预约开放二者有机相结合的切实管理[6]纪金豹,李炎锋,李振宝,闫维明.结构虚拟实验教学系统的方案，使现有资源得到最大限度地利用。

开发与应用[J].实验室研究与探索,2013,(9):98-100+112.第三，基于多媒体虚拟现实技术，结合实验教学[7]纪金豹,李炎锋,李振宝,闫维明,杜修力.土木工程虚拟实验的新大纲，扩展土木工程虚拟仿真平台的基本知识介中心的建设与思考[J].实验室研究与探索,2015,(10)142-145.

绍及练习题库的功能，提高学生预习的热情和效率，

DesignandApplicationofVirtualSimulationTeachingPlatformforCivilEngineeringCourse

SHINan-nan1,2,WANGXiao-juan1,2,LIZhen-bao1,2,JIJin-bao1,2(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.NationalCivilEngineeringVirtualSimulationExperimentalTeachingCenter,BeijingUniversityof

Technology,Beijing100124,China)

Abstract:Thestate-levelvirtualsimulationexperimentteachingcenterofcivilengineeringofBeijingUniversityofTechnologyestablishedthevirtualsimulationexperimentplatformbyusingthelatestmodernvirtualsimulationtechnologyandadoptingvariousmodels.Takingtheteachingmethodofbasicexperimentcourseincivilengineeringastheresearchobject,theteachingschemeofcivilengineeringexperimenttrainingcoursebasedonvirtualsimulationtechnologyisproposed.Relyingontherealsystemandthesimulationtrainingroom,ninetrainingprojectssuchasreinforcedconcretesimplysupportedbeamexperiment,shortcolumnexperimentandshakingtableexperiment,whicharewidelyusedinthefieldofcivilengineering,areconstructed.Atthesametime,the3Dsimulationsystemofengineeringstructureexperimentalcenterisconstructed,whosefunctionsincludetheoverall3Ddisplayofindoorandoutdoorscenesoftheexperimentalcenter,aswellasthe3Dmodel,functiondisplayandexperimentalsimulationoflarge-scaleexperimentalequipmentandcharacteristicexperimentalsystem.

Keywords:civilengineering;3Dsimulation;teachingplatform;thehuman-computerinteraction

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