“混凝土结构基本原理”虚拟仿真实验教学探讨

［摘 要］ 为满足新工科背景下的实践型和创新型人才培养需求，针对“混凝土结构基本原理”课程的重点和难点，以教学目的为核心，使用Python编程语言的PySide开源框架，研发了虚拟仿真教学平台。平台包括材料力学性能模块和基本构件模块，其开发架构分为控制调用、参数设置、通用有限元软件计算、数据存储模块和显示等五大模块。利用平台，学生能开展开放型、自主设计型的实验，直观观察结构在加载过程中内部的应力、应变变化，以及裂缝开展、结构破坏过程，深入理解结构破坏机理，掌握材料力学性能及构件设计理论。提出了基于该教学平台的虚实结合的教学方法及其在创新人才培养中的作用。

［关键词］ 混凝土结构基本原理；虚拟仿真；新工科

［基金项目］ 2020年度武汉大学教学研究项目“混凝结构基本原理线上线下混合式教学模式研究”（1403-413200076）

［作者简介］ 余 敏（1982—），男，湖北武汉人，博士，武汉大学土木建筑工程学院副教授，主要从事钢管混凝土、超高性能土木工程材料研究；刘素梅（1972—），女，湖北武汉人，博士，武汉大学土木建筑工程学院副教授，主要从事纤维混凝土及超高性能混凝土研究。

［中图分类号］ G642.0；TU37 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）17-0001-04 ［收稿日期］ 2023-03-22

新一轮的科技革命和产业变革对工程教育提出了新挑战，亟须培养多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，这为各高校探索建立工科发展新范式，创新工程教育方式与手段，构建工科专业新结构提出了新的要求与思路［1］。

人才培养的核心要素是课程，培养质量直接取决于课程质量。“混凝土结构基本原理”是土木工程专业必修专业课之一，课程内容包括混凝土结构材料的力学性能和结构设计基本理论［2-3］。基本理论属于半经验半理论范畴，是以科学实验和工程实践为依据。因此，为训练学生的科学和工程思维，需要进行大量的实验辅助教学，帮助学生以更直观的方式理解结构的受力性能，掌握结构设计原理，达到培养复合型创新人才的目标［4］。

传统实验教学存在诸多问题，难以达到工程教育教学目的［5］。将虚拟仿真技术引进教学中，可以克服传统现场实验弊端，有效解决这些问题［6］。本文针对“混凝土结构基本原理”课程重点和难点，以教学目的为核心，使用Python编程语言的PySide开源GUI框架，研发了虚拟仿真教学平台，并采取基于该教学平台的虚实相结合教学方法，开展开放型、自主设计型实验，这对培养符合新工科要求的工程人才具有重要的实践和创新意义。

一、实施虚拟仿真教学的必要性

“混凝土结构基本原理”教学环节中关于实验教学部分传统的方式是课堂讲授加上现场实验。现场实验存在诸多问题，主要包括：（1）实验成本高、消耗高，并且受各种条件限制，实验教学无法涵盖所有基本构件；（2）试件是针对特定条件设计的，无法对可能出现的每种破坏形式开展研究；（3）试件体量较大，根数有限，实验只能分组进行，无法满足每位学生实际动手能力培养的需要，难以开展开放型、自主设计型和创新性实验。

虚拟仿真技术可以综合运用人工智能、人工交互等网络化、数字化、智能化技术手段，将二维分析拓展到三维，结构在受力过程中应力、应变变化，裂缝开展，以及结构破坏过程，也可以通过三维动画形式生动地展现出来，有助于学生理解混凝土结构受力性能。因此，研发虚拟仿真平台辅助实验教学，开展探究式、自主式的教学方法十分必要［7-8］。

二、虚拟仿真教学平台的设计与研发

（一）教学平台设计目的及设计思路

虚拟仿真教学平台设计的目的是实现在平台上自主设计试件，包括材料等级、截面尺寸、荷载类型、加载方式，并且实时观察其在加载过程中的应力、应变变化、裂缝发展以及破坏过程。根据前述设计目的，虚拟仿真教学平台包括材料力学性能模块和混凝土结构基本构件模块。

材料力学性能模块包括混凝土和钢筋两个部分。混凝土的力学性能包括受压和受拉两个方面，钢筋主要是受拉力学性能；混凝土结构基本构件模块包括了受弯、受拉、受压、受扭构件加载下可能发生的各种破坏形态，以及加载中应力—应变发展特点、裂缝出现和开展的动态发展过程。

（二）虚拟仿真教学平台研发

虚拟仿真教学平台的开发架构如图1所示，分为控制调用、参数设置、通用有限元软件计算、数据存储、显示这五大模块。控制调用模块是用户和虚拟仿真平台进行交互的主要操作模块，该模块有两种调用方式：其一可以直接在结构化的数据存储目录中查询已有数据，并在显示模块中进行展示；其二可以调用参数设置模块，在已有标准化建模代码文件上进行参数修改，实时建立有限元模型，将修改后的代码文件导入通用有限元计算软件中进行实时计算，完成后通过数据存储模块按序保存到结构化的数据存储路径中，以便在显示模块中进行数据可视化。显示模块可以根据用户的需要，对已存储的数据进行多种方式的可视化操作，从各个方位展示虚拟仿真的实验结果。上述合理的开发架构设计保证了软件各部分功能的相对独立，使得师生协同开发成为可能，极大地促进了师生交流，加深了学生对课程知识的理解，并且为平台功能的扩展提供了广阔的空间。

依据图1所展示的开发框架，采用Ribbon的设计风格开发虚拟仿真教学平台（见图2）。其具体实现方式为主窗口中Ribbon栏在放置切换按钮的同时提供Abaqus计算入口。菜单悬浮窗口中的显示按钮将处理好的数据显示到主显示窗口中的播放窗口上。在Abaqus实时计算方面，开发了Abaqus类，调用其内部的参数设置、提交及数据提取方法，以实现Abaqus的python参数化建模的脚本文件生成，并提交生成的脚本文件至Abaqus求解器，最后对计算结果进行处理。课堂上，教师可以利用平台，同步以短视频的形式展示计算好的有限元模型结果，辅助课堂讲授。学生可以实时改变构件的各项参数，通过文件生成按钮，保存、加载各项参数，提交到通用有限元软件中进行实时计算，并在模型结果中进行查看，实现自主型、开放型的虚拟实验。

通过虚拟仿真教学平台，学生可以设计与现场实验相同参数的构件进行模拟计算，对比差异，并通过改变实验参数进行拓展分析，以考虑实际工程中可能出现的各种情况，深入理解结构的受力性能。

三、虚实结合的教学方法及其在创新人才培养中的应用

（一）虚实结合的教学方法

利用虚拟仿真教学平台，在实验教学环节中可以采取虚实结合的教学方法，实施步骤如下。

1.实验准备阶段。在布置了实验任务之后，学生查阅相关资料，制订实验方案。

2.课堂教学。在此阶段讲授实验设计原理，以及实验中需要观察的现象和测试的数据，学生对拟定的实验方案进行相应修订。

3.现场实验环节。学生在实验过程中，根据实验方案，观察实验现象、记录实验数据、分析实验结果。

4.虚拟仿真实验。学生首先利用仿真系统模拟现场实验，然后改变参数进行拓展分析，观察虚拟实验中结构的应力、应变发展，裂缝出现及发展过程，破坏形态，分析裂缝形成及结构破坏机理，总结分析现场实验与虚拟仿真实验的差异。虚实结合的教学方法如图3所示。通过采取传统实验和虚拟仿真实验相结合的教学方法，学生既能亲身经历整个实验过程，包括实验设计、操作、结果分析，又能进行拓展分析，充分理解结构特性，掌握结构设计原理，体现了以学生为中心的教学理念。

（二）虚拟仿真教学平台在创新人才培养中的应用

1.构建以学生为中心的自主学习模式。新工科建设背景下更强调学习的自主能动性，虚拟仿真教学平台的应用突破了时间和空间的限制，可实现以学生为中心、自主学习式的线上线下相结合、课上课下相结合的教学方法。

2.通过虚实结合学习和闯关考核，激发学习兴趣。现场实验难以满足每个学生参与实验全过程的需求，影响了教学效果，虚拟仿真教学平台可以实现每个人都参与其中，并在教学中实施游戏式的闯关考核，可以激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

3.开展以项目为引领，以培养工程实践创新能力为目标的新范式实践教学。传统的教学在实验内容上体现为单个试件的一次性实验。以项目为引领的教学模式则是通过项目牵引，以结果为导向，通过虚拟仿真教学平台，实现整个项目的模拟分析，建立结构整体优化设计思想，挖掘学生创新潜能，提高其科学和工程素养。

结语

本文以“混凝土结构基本原理”教学目的为核心，研发了虚拟仿真教学平台，主要结论如下。

1.Python开发简单且快速，便于师生的及时交流反馈，同时海量的第三方库赋予了Python协调不同软件的强大功能，契合了土木工程专业综合性的特点，为学生提供了快速解决综合性问题的手段。

2.平台包括材料力学性能和混凝土结构基本构件两个应用模块，开发架构分为控制调用、参数设置、通用有限元软件计算、数据存储和显示等五个功能模块。控制调用模块是用户和虚拟仿真平台进行交互的主要操作模块，通过该模块可以将代码文件导入有限元计算模块中进行实时计算，完成后通过数据存储模块按序保存到结构化的数据存储路径中，显示模块对已存储的数据进行多种方式的可视化操作，从各个方位展示虚拟仿真的实验结果。

3.利用虚拟仿真教学平台，可构建以学生为中心的自主学习模式，激发学习兴趣，开展以项目为引领，以培养工程实践创新能力为目标的新范式实践教学。

（课题组成员：徐礼华、池寅）

参考文献

［1］李广琼，陈荣元，黄少年，等.新工科背景下面向虚拟仿真实训的计算机网络工程实验教学探索［J］.电脑知识与技术，2021，17（14）：109-111+126.

［2］刘素梅，徐礼华，池寅，等.混凝土结构基本原理教学方法创新与实践［J］.高等建筑教育，2017，26（6）：68-71.

［3］刘素梅，徐礼华.混凝土结构基本原理课程双语教学实践与总结［J］.高等建筑教育，2015，24（3）：112-116.

［4］徐礼华，傅旭东，彭华，等.土木工程专业复合型创新人才培养体系的构建与实践［J］.高等建筑教育，2016，25（1）：55-60.

［5］王建华，段建东，姬军鹏，等.新工科背景下虚拟仿真实验研究与实践［J］.中国教育信息化，2021（22）：33-37.

［6］严金凤，居里锴，周成.新工科背景下机械安全虚拟仿真实验教学探索［J］.实验技术与管理，2022，39（1）：98-102.

［7］郭恒宁，贺志启，刘艳，等.土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计［J］.实验技术与管理，2019，36（3）：143-145.

［8］杨震铂，车伟，阙家星.钢构件失稳破坏虚拟仿真实验教学平台开发［J］.山西建筑，2020，46（6）：193-196.

Discussion on Virtual Simulation Teaching of Fundamental of Concrete Structures

YU Min， LIU Su-mei， YU Chun-lei

（School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China）

Abstract： To satisfy the goal of training practical and creative talents based on new engineering education， aimed at core knowledge of the course “Fundamental of Concrete Structures”， a virtual simulation teaching platform was developed using Python with PySide framework， a third-part open-source python library. The platform includes the material mechanical properties module and the basic elements module， and its development framework consists of five sections： control module， parameter-assignment module， finite-element-method calculating module， storage module and display module. Students can design and carry out virtual experiments by themselves using this platform. Besides， they can observe real-time stress and strain of the structure during loading process， as well as the development of cracks and the process of structural failure， which is significant for students to deeply understand the mechanism of structural failure， the mechanical properties of materials， and the theory of basic elements design. The teaching method based on virtual simulation teaching platform is proposed and its function on training innovative personnel is analyzed.

Key words： fundamental of concrete structures; virtual simulation; new engineering