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仿真动画在《土木工程材料》实验教学中的应用

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第２８卷　２０１３正　第３期　６月　山东建筑大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＪＩＡＮＺＨＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．　２０１３　

文章编号：１６７３—７６４４（２０１３）ｏ３—０２７９一ｏ４　

仿真动画在《土木工程材料》实验教学中的应用　

刘巧玲，孙晓波，薛志蔚，董鹏　

（山东建筑大学土木工程学院，国家级实验教学示范中心，山东济南２５０００１）　

摘要：实验教学是土木工程材料教学体系的重要组成部分，而实验教学方法的改革是整个实验教学改革的核心　内容之一。文章介绍了土木工程材料“模拟仿真动画实验”的开发制作过程，阐述了学生进行仿真实验的途径　和手段，分析了“模拟仿真实验”在土木工程材料实验教学中的效果。结果表明：与之前的传统实验指导书预习　方法相比，由于仿真实验形象生动，极大地提高了学生的学习兴趣，学生的课前预习率有了较大幅度提高，取得　了较好的实验教学效果。　关键词：实验教学改革；模拟仿真动画实验；实验教学效果　中图分类号：Ｇ６４２．０　文献标识码：Ａ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｉｎ“Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ”　

Ｌｉｕ　Ｑｉａｏｌｉｎｇ，Ｓｕｎ　Ｘｉａｏｂｏ，Ｘｕｅ　Ｚｈｉｗｅｉ，ｅｔ　ａ１．　

（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｊｉｎａｎ　２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｒｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ．Ｔｈｉｓ　

ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｔｏ　ｄｏ　ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｖｉｖｉｄ　ａｎｄ　ｌｉｖｅｌｙ　ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｉｎ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　

ｐｒｅｖｉｅｗｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｂｏｏｋｓ．Ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｒｅｖｉｅｗ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ａｒｅ　ｈｉｇｈｌｙ　ｒａｉｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ；ｆｌａｓｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　

０　引言　

实验能力是动手能力、观察能力、分析能力、创　新能力的综合，培养学生实验能力是实验教学改革　的核心内容ｎ１　。正如张光斗院士指出的那　样　圳，必须“理论与实践相结合，知识与能力相结　合”，著名波谱物理学家王义道教授提出：“把提高　

国民素质和培养学生创新精神和实践能力作为教育　的重点”　Ｊ。“土木工程材料”课程是土木类专业　

重要的专业基础课，是一门实践性很强的课程，不断　

探索实践土木工程材料实验教学改革至关重　要　。　］。　

２００８年６月，我校土木工程实验教学中心被评　

收稿日期：２０１３—０３—１８　基金项目：山东建筑大学实验技术研究项目（１２２８００８）　作者简介：刘巧玲（１９７７一），女，讲师，硕士，主要从事高性能水泥基材料等方面的研究．Ｅ－ｍａｌｌ：ｌｑ１２６３＠１６３．ｃ

ｏｍ　山东建筑大学学报　

为山东省土木工程实验教学示范中心。２００９年，教　

育部批准我中心为国家级实验教学示范中心建设单　位，依托省级国家级实验教学示范中心建设项目，我　

中心进行了一系列实验教学改革，其中“土木工程　材料课程实验教学改革与实践”被列为２０１２年校级　

实验教学改革项目。文章主要从模拟仿真动画实验　在《土木工程材料》课程实验教学中的应用与效果　

进行阐述。通常《土木工程材料》实验指导书为抽　象的文字介绍，学生很少进行课前预习，进入实验室　

后茫然不知所措，既影响实验进度又容易损坏实验　设备，影响实验教学效果。针对这种情况，本课题开　发了一系列模拟仿真动画实验，学生先在网上进行　

模拟仿真实验，然后进入实验室进行实物实验，取得　了较好的实验教学效果。２０１３年１月，山东建筑大　

学土木工程国家级实验教学中心顺利通过验收。专　

家组在验收报告中明确指出，我校土木工程实验教　学示范中心特色突出，其中模拟仿真实验的开发和　

实践是特色之一，应予以推广。　

１　模拟仿真动画实验的开发制作　

模拟仿真动画实验的开发既需要土木工程材料　的专业知识、丰富的实验教学经验又需要掌握ｆｌａｓｈ　

等多种现代化多媒体制作软件，为此，课题组成员采　用老中青搭配，成立了专门的模拟仿真动画实验开　

发小组，进行模拟仿真动画实验的开发制作。　１．１制作过程　（１）派青年教师参加现代教育技术培训班。随　着社会的不断发展，当代教师不仅要掌握丰富的理　

论知识，还需要掌握现代化的教育技术，以不断提高　教学水平。课题组派出青年教师参加山东省组织的　

现代技术教育培训班，系统学习ｆｌａｓｈ、ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ、　ａｕｔｈｏｒｗａｒｅ等现代化软件，既提高了仿真实验的开发　

水平，又为青年教师提供了很好的学习与交流的机　会。　（２）查询更新实验标准。土木工程材料种类繁　

多，涉及的产品标准和试验方法标准较多且更新速　度很快，有些还存在国标与行业标准并行与选择的　

问题。如砂石的产品和试验方法标准既有国标又有　

行业标准，两个标准在材料的定义、分类、实验设备、　试验方法等方面均存在差别，而且行业标准和国家　

标准的更新速度亦不同，行业标准仍采用ＪＧＪ　５２—　２００６《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，　

国家标准却已更新至ＧＢ／Ｔ　ｌ４６８４’２０１１《建设用　砂》和ＧＢ／Ｔ　１４６８５－－２０１１《建设用卵石、碎石》两个　

标准。由于教材的更新速度滞后于标准的更新速　度，为确保开发出的模拟仿真动画实验按照最新版　

标准进行，由专人进行标准的查新、收集等工作，为　模拟仿真动画实验的制作提供坚实的技术保障。　

（３）开发制作。经过前两个环节的准备工作，　模拟仿真动画实验的制作进入实质性阶段。由小组　

负责人制定整体方案，讨论通过后执行。为确保内　容准确并对学生具有足够的吸引力，制作出的模拟　

仿真动画实验经过多次小组讨论修改形成最终版　本。　１．２制作内容　

根据土木工程材料实验教学要求，开发出了涵　

盖水泥基本物理力学性能实验、砂石实验、水泥混凝　土实验、钢材实验及石油沥青基本性能实验五大模　

块的１３个模拟仿真动画实验项目，包括水泥初凝时　间、水泥终凝时间、水泥标准稠度用水量、水泥安定　

性一试饼法、水泥安定性一雷氏夹法、水泥胶砂强　度、砂的筛分析、水泥混凝土拌合物和易性、混凝土　

抗压强度、钢材冷弯、石油沥青针人度、石油沥青延　度和石油沥青软化点实验。开发的仿真实验项目齐　

全，涵盖的知识点全面，文字与图形相结合，使之图　形逼真、简洁明了，根据界面的提示操作相关按钮即　

可进行，实验过程如临其境。学生可根据实际情况，　逐步进行仿真实验，也可返回查看中间过程或者重　

复实验。图１展示了水泥初凝时间仿真动画实验中　的两个过程。学生点击图１（ａ）中所示的“开始实　

验”按钮，即可进行仿真实验，而学生点击图１（ｂ）所　示的“继续”按钮，即可进入下一个实验过程，学生　

可以看到试针在水泥浆体中缓缓下沉直至停止。　１．３解决的关键问题　仿真动画实验是现代化技术的产物，与实物实　

验相比，解决了很多实物实验无法解决的问题，是传　

统实物实验的有益补充。　（１）仿真实验与实物实验相比，不受时间和空　

问的限制，学生可在任意时间、任意地点进行实验。　（２）受场地和实验设备等条件所限，专业实验　

通常需要分组进行，３—４人合用一套设备，不能实　现每个学生亲自动手系统进行全过程实验，而仿真　

动画实验恰好弥补了这一不足。

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浅析视频材料在《土木工程材料》教学中的应用

浅析视频材料在《土木工程材料》教学中的应用

浅析视频材料在《土木工程材料》教学中的应用

[摘 要] 《土木工程材料》作为土木工程的专业基础课，具有知识面宽，专业性强的特点。在课堂教学中，老师只是照本宣科的讲授建筑材料的基本性质，学生不爱听。如果配以适当的视频资料，则其教学效果将大大提升。

[关键词] 土木工程材料 视频资料 形象直观

《土木工程材料》作为土木工程的专业基础课，具有知识面宽，专业性强的特点。我校多年的教学情况表明，在课堂教学中，老师只是照本宣科的讲授建筑材料的基本性质，学生不爱听。其主要原因在于《土木工程材料》是一门实践性非常强的课程，文字语言的表述代替不了直接的感官认识。因此，让学生更多的看到、甚至接触到材料本身，看到这些建筑材料在实际工程中是如何应用的，成为了教学中不可缺少的一环。但由于理论教学的限制，学生不可能“走出去”，那老师只剩下一个办法，就是“请进来”。随着网络视频资源的日益丰富，笔者近年来积累了许多相关视频教材，并在《土木工程材料》课程教学中进行了大胆使用。结果表明，视频教材选用得当，能够起参巩固理论、深化记忆、指导实践、开拓思维的效果。

一、视频教材可以对概念进行准确的阐述

视频在表现物体的动态和细节方面具有文字、图片等媒体无法比拟的优势，其丰富的色彩和动画效果，再加之音频的使用，往往可以将抽象的概念具体化、简单化、直观化。

笔者在讲授液体的表面张力的概念时就给学生播放了视频教材“液体的表面张力”及“表面张力及表面活性剂”。视频教材的编制者匠心独运，先展示了荷叶上的露珠、水龙头下的水滴，散落的水银珠等生活中常见的现象，对抽象复杂的液体表面张力现象作了简单明了的阐述，然后辅以趣味实验“水面浮针”，引入表面张力之课题。再以肥皂膜试验阐述张力的存在，结合实验阐述液体表面张力的成因，建立表面张力的基本概念，即“液体表面层分子间存在的引力”。为印证液体表面张力的确存在及说明表面活性剂的作用，视频还展示了铁丝制成的几何体肥皂膜形成；牙膏水驱散水面上的火柴棍；牙膏水驱动水面上的锡纸船；等密度酒精中悬浮的油滴；肥皂驱动的小船等。实验现象生动直观，帮助学生迅速建立了感性认识、理解了概念、掌握了知识点、开拓了思维。

高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索

高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索

高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索

摘要: 虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容，是教育信息化发展和实验教学改革相结合的创新目标和产物，将虚拟仿真和多媒体技术应用于土木工程教学领域能够解决传统土木工程实践教学与现代应用型人才培养之间的矛盾，对于高校实验教学体系改革具有积极的促进作用。本文概述了土木类虚拟仿真实验教学发展历史、虚拟仿真实验项目特色以及实践案例，介绍了虚拟仿真实验教学中心和虚拟仿真实验教学项目的建设、评定和推广情况，分析了国内外高校以信息技术推动实验教学改革的发展趋势和新动向，相关研究工作为虚拟仿真实验教学项目的建设提供参考借鉴，有利于虚拟仿真教学模式在土木实验教学领域的应用与推广，促进土木工程专业教学模式的多元化发展和“卓越工程师教育培养计划”的实施。

关键词: 虚拟仿真；实验教学；土木工程；信息技术；发展动向

Current Situation and Development Trend Exploration of Virtual Simulation

Experimental Teaching for Civil Engineering

Xiaoxuan Kong a,b,*, Haifeng Lua,b

(a. Key Laboratory of Safety for Geotechnical and Structural Engineering of Hubei

Province, School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China. b.

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

Abstract: Virtual simulation experiment teaching plays an important role in national

虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索

虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索

虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索

随着虚拟现实技术的快速发展，虚拟仿真技术在教育领域得到了广泛应用。在材料学科实验教学中，虚拟仿真技术可以提供学生与材料实验相似的沉浸式体验，使学生可以在虚拟环境中进行实验操作，并获取实验结果。本文将探讨虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用。

首先，虚拟仿真技术可以帮助学生理解实验原理。材料学科实验往往包含复杂的操作流程和理论知识，学生很难通过简单的理论课堂来深入理解实验原理。借助虚拟仿真技术，可以将实验操作过程以虚拟实境的形式展示给学生，让学生在虚拟环境中进行操作，并实时观察实验现象。通过亲身参与虚拟实验操作，学生可以更加直观地理解实验原理和实验过程，加深对理论知识的记忆和理解。

其次，虚拟仿真技术可以弥补实验设备不足的问题。在材料学科实验教学中，实验设备种类繁多且价格昂贵，学校往往无法购置足够的设备供学生实验操作。这就会导致学生在实验教学中无法充分体验实验操作和结果。通过虚拟仿真技术，可以模拟出各种不同的实验设备和实验操作场景，实现虚拟实验的目的。学生可以在虚拟环境中进行实验操作，感受实验设备以及实验现象，并从中获取实验数据和结果。虚拟仿真技术使得学生无需真正的实验设备即可进行实验操作，解决了实验设备不足的问题，提高了学生的实验操作能力。

再次，虚拟仿真技术可以提供安全的实验环境。在材料学科实验中，一些实验操作存在一定的危险性，学生在进行实验操作时需要特别小心。借助虚拟仿真技术，可以在虚拟环境中模拟危险操作以及实验事故的发生，并提醒学生注意安全事项。学生可以在虚拟环境中进行实验操作，避免了实验意外的发生。虚拟仿真技术使得学生在安全的环境下进行实验，提高了学生的实验安全意识。

最后，虚拟仿真技术可以提供多样化的实验操作和实验案例。在材料学科实验教学中，传统的实验操作往往受到实验设备和实验条件的限制，学生难以接触到多样化的实验内容。通过虚拟仿真技术，可以模拟出各种不同的实验操作和实验案例，提供给学生进行实验操作和观察。学生可以在虚拟环境中进行不同实验操作，了解不同实验现象和实验结果。虚拟仿真技术使得学生可以接触到多种实验内容，培养学生的实验操作能力和实验思维能力。

土木建筑虚拟仿真实验教学中心建设与实践

土木建筑虚拟仿真实验教学中心建设与实践

土木建筑虚拟仿真实验教学中心建设与实践

土木建筑虚拟仿真实验教学中心是指利用计算机技术、三维建模技术和虚拟现实技术，将土木建筑实验室、机械实验室等传统实验室的实验内容进行数字化、虚拟化，并通过计算机网络技术将其连接到一起，构建出一个涵盖多个实验室的虚拟仿真实验室。它可以方便地展示实验内容、操作过程和实验结果，也可以通过计算机网络对实验数据进行实时远程监控、讨论和安全管理，是一种高效、便捷、安全的土木建筑实验教学手段。

土木建筑虚拟仿真实验教学中心的建设与实践，有利于提高土木建筑实验教学实验的效率和质量，同时也符合现代教育信息化的发展趋势。下面从三个方面来谈谈土木建筑虚拟仿真实验教学中心的建设和实践。

一、建设需求分析

土木建筑实验教学需要操作繁琐的实验装置和大量实验器材，占据较大的实验室面积，同时存在设备老化、维修费用高等问题。因此，利用虚拟仿真实验技术来替代传统实验教学，既能节约实验器材、实验场所和实验费用，又能减少教师的实验准备和实验管理工作量，提高学生的实验操作技能和实验数据处理能力。

另外，土木建筑实验教学需要涉及多个主题，例如建筑构造、土力学、结构设计等。传统实验教学需要学生往返各个实验室，中间需要转移实验器材，操作较为繁琐，而虚拟仿真实验教学一般允许学生通过计算机实现多个实验主题，转移器材不必。

二、建设内容及实践

1.选型考虑

在建设土木建筑虚拟仿真实验教学中心时，需要选用合适的虚拟仿真软件，例如3D

MAX、VRAY、Unity3D、Maya等。这些软件允许用户进行建模、渲染、动画制作等操作。选择合适的虚拟仿真软件，可为学生提供良好的实验视效、互动效应和仿真效果。

2.实验内容建设

为了实现更好的实验效果，在建设虚拟仿真实验教学中心的过程中，需要针对学生学习的目的和实验的难度，进行实验内容的设计和制作。例如，可以包括建筑材料测试实验、混凝土实验、钢筋混凝土实验、土壤力学实验、结构荷载实验等多个实验项目，以满足学生对实际操作实验的需要。