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项目背景 实验的必要性 实验目的 实验原理 实验仪器设备 实验材料 实验教学方法 实验方法与步骤条件 实验结果与结论条件 面向学生条件 知识产权情况

实验教学方法

实验教学方法

(1)采用的教学方法:

本实验以大跨度桥梁中常见的连续梁为研究对象,基于实桥梁设计参数和测试数据,综合运用桥梁工程、结构力学、材料力学、结构检测技术等专业知识,通过采用Unity三维软件以及三维动画,将现实中的桥梁动静载试验进行仿真模拟。具有试验准备、方案设计、组织实施及数据分析的全流程综合演练功能,并结合桥梁缩尺模型、测试系统等硬件设备,搭建综合试验教学平台,以虚实结合的方式开展实践教学。

项目利用搭建的虚拟仿真实验教学平台,将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合,极大地拓展了学生的学习资源和空间,丰富了学生学习模式,特别是采用实验情景式、启发式、探索式等相融合的教学方法,可以完整模拟现场情况复杂、测试内容繁多的桥梁荷载试验,弥补了传统教学方式的不足。通过互动式的教学方法,为学生提供了具有良好沉浸感、临场感、交互感的虚拟仿真实验场景,创造真实的学习体验,激发学生参与实验的兴趣,有效促进学生多课程知识点的融会贯通和能力的塑造。

(2)使用目的:

改变教师传统的注入式教学方式,强调“以学生为中心”的实验教学理念,将学习资源开放,学习空间开放,以学生自己学习为主,教师指导为辅,教师尊重学生的想法,鼓励、引导学生主动学习,教师与学生融合成一体,通过共同完成实验项目使学生获取知识和技能。

(3)实施过程:

在仿真平台上,一共设置了“试验准备”、“漫游模式”、“自学模式”、“自测模式”4个模块(图2.6),各自的功能如下:

试验准备:该模块类似于实验教材,有实验目的、内容、实验对象设计原则等内容;

漫游模式:实验场景、设备、车辆及桥梁模型的鸟瞰和局部观察,便于学生快速地从整体上了解实验内容;

自学模式:由于桥梁荷载试验步骤繁多,涉及范围广,综合了桥梁工程、结构力学、道路与桥梁工程检测技术等多门课程的知识,有些内容还是课本上没有涉及的。因此,自学系统将利用知识要点、考题测试和系统提示协助学生完成整个实验过程。

自测模式:在完成整个实验的预习及学习后,学生将进入自测模式,开始实验。在自测模式中,学生将自主选择相关测试仪器及布置位置、车辆加载数量及位置,主导整个测试过程。通过系统设定的流程进行测试仪器、加载车辆数量、位置及车速的选择,学生在做实验的过程中,就能完成考核,实验结束时,即可得知分数。

(a)实验准备界面

(b)漫游模式界面

(c)自学模式界面

(d)自测模式界面

2.6虚拟仿真实验及其部分功能


整个实验过程可在学校虚拟仿真实验室进行,如图2.7。开展虚拟仿真实验的流程如图2.8所示。

(a) 预习考核及引导讨论

(b) 综合性实验操作

2.7虚拟仿真实验室

2.8开展虚拟仿真实验的具体流程

2.9虚拟仿真平台

课前预习:教师提前布置预习任务,以预习考核方式引导学生主动预习。仿真平台24小时向学生开放,在规定的学期内,学生可进入仿真平台(图2.9),点击“开始实验”即可进行实验。学生可进入“试验准备”模块了解试验目的、内容,试验对象设计原则等(图2.6a);通过“漫游模式”熟悉试验场景、试验设备、试验车辆、桥梁模型等(图2.6b);在“自学模式”中,理解方案设计方法、测试仪器原理、实施注意事项,并尝试完成考核测试(图2.6c)。

第一课时:基于翻转课堂的引导式、开放式教学,教师在课堂上针对关键知识点进行提问、讨论和讲解。学生在完成预习后,可在教师的引导下进行核心知识点的学习,结合“自学模式”一步一步规范操作演练(图2.10),以学生自主学习为主,遇到问题时可求助于系统、同学及老师。

(a) 知识考核

(b) 系统提示

2.10自学模式中的学习引导


第二课时:学生学习仿真实验并进行考核、撰写实验报告

学生在完成理论学习后,可在开放式虚拟仿真实验的“自测模式”进行操作,完成考核,并撰写实验报告。

课后复习:基于网络的远程教学

学生可在图书馆、寝室等地通过网络进入虚拟仿真平台,进行课后复习。师生可利用网页平台的“互动留言”板块进行实时答疑。

该教学方式充分利用了“虚拟仿真实验”的现代信息技术特点,可以实时培训,避免人力财力的大量消耗,学生可以自由地在任何地方时时刻刻体验,不受时间和空间的限制,在教师的引导下,学生通过网络智能化地学习。

“自学模式”系统:该系统学生与项目互动,每步操作有文字提示,指导学生选择测试仪器、车辆布载数量及位置等,完整模拟连续梁桥的动静载测试流程。通过“自学模式”,学生应该掌握重要实验步骤及其理论背景,做到知其然,也知其所以然。

“自测模式”系统:学生完成“自学模式”的学习后,即可进行“自测模式”,开展实验。“自测模式”中,学生的初始分数为100分,扣除分数包括两部分:一是当学生在选择仪器安装位置和车辆加载位置出现错误时,系统提示总分扣5分;二是选择题,每道题选择错误时,系统提示总分扣5分。考核完成后系统自动给出考核总分,以及操作正确的得分项和操作错误的扣分项。

(4)实施效果:

在基于桥梁动静载虚拟仿真实验的教学过程中,强调关键步骤中的核心知识和技能,理论与能力培养并重,这就有利于学生在掌握知识的同时将所学的知识运用到真实的桥梁荷载试验中去,知行合一。通过本虚拟仿真教学项目,能有效调动学生学习的积极性,学生既掌握实践技能,又掌握相关理论知识,既学习了课程知识,又锻炼了工程实践中必要的基本技能,能够充分发掘学生的创造潜能,提高了学生解决实际问题的综合能力,全部了土木工程实验教学质量和水平。