赵明志 刘钢 舒志乐

[摘 要] 在“新工科”建设背景下，实践教育和实验教学日益受到重视。为提升“土力学”课程实验教学环节中三轴实验的教学效果，提出了实体演示和虚拟仿真相结合的三轴实验教学方法。其中，线下实体演示教学侧重于学生对仪器结构和功能、实验操作细节以及土体状态变化的理解，线上虚拟仿真教学则强调学生对实验操作步骤和相应基本理论知识的掌握。通过将实体演示和虚拟仿真教学手段相结合，互相补充，相得益彰，能够有效深化学生对相关知识的理解、掌握和运用。

[关键词] 土力学;实验教学;三轴实验;虚拟仿真;实体演示

[基金项目] 2020年度西华大学一流课程建设项目“土力学线下一流课程建设”（RC2000000893）

[作者简介] 赵明志（1988—），男，河北南宫人，博士，西华大学土木建筑与环境学院讲师，主要从事土力学相关研究。

[中图分类号] TU411   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）22-0053-04   [收稿日期] 2021-01-26

一、引言

在“新工科”建设背景下，实验教学是本科阶段高等教育的重要组成部分，也是人才培养的关键[1]。“土力学”作为土木工程、水利水电工程等专业的核心课程，对学生的实践应用能力具有较高的要求。同时，土力学实验也是连接土力学基础理论知识和工程实践的桥梁。因此，土力学实验教学环节在工程人才培养中起到举足轻重的作用。

三轴实验是土力学本科教学中三个基本力学实验之一，它能够严格控制试样的排水条件，并明确地反映试样的应力状态，因此，三轴实验数据比直剪、固结实验数据具有更为重要的工程参考价值，也更受到土力学教学工作者的重视。然而，开展三轴实验所需的三轴仪比直剪仪、固结仪构造更复杂，单台设备占用空间更大，造价也更高。由于受实验教学空间、课时数量和仪器设备等客观条件的限制，难以针对每位学生提供足够的时间，让其独立完成三轴实验的现场实际操作。这导致学生对实验的认识和理解往往不够深入，不仅影响了学生对土力学基础理论的理解，也阻碍了学生工程实践能力和创新意识的培养。

虚拟仿真教学因资金投入小、实施简便、具体形象等优点，近年来在工科实验教学中发挥了越来越重要的作用[2，3]。借助计算机辅助设计、数字仿真和信息技术，可实现试样制备、饱和、固结、加载全过程三轴实验的虚拟仿真模拟，为学生提供可视化的三轴实验操作场景和人机互动操作界面，帮助学生熟练掌握三轴实验的具体操作步骤和实施作用，在一定程度上弥补了实体实验教学的不足[4，5]。

鉴于此，基于国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，开展基于实体演示和虚拟仿真结合的土力学三轴实验教学改革探索研究。一方面分小组开展三轴实验的实体演示，目的在于让学生掌握三轴仪各部分组件的具体结构和操作步骤的响应机理;另一方面开展线上虚拟仿真三轴实验教学，为每位学生提供单独操作的机会，深化对三轴实验操作步骤和细节的认知。通过实体演示和虚拟仿真有机结合，可促进学生对土力学三轴实验的全方位理解和掌握，为“土力学”课程和其他后续专业课程的开展打下坚实的基础。

二、虚拟仿真教学环节

（一）国家虚拟仿真实验教学项目共享平台

为坚持立德树人、强调能力为先的办学理念，拓展实验教学的广度与深度，提升实验教学的水平和质量，教育部于2019年成立了国家虚拟仿真实验教学项目共享平台。通过将信息技术与教育教学深度融合，将实验教学资源信息化、网络化，不仅构建了多种实验的虚拟仿真模拟教学管理平台，而且实现了高质量实验教学资源的网络共享。

目前，该平台可提供涵盖物理学类、电器类、矿业类、电子信息类、机械类、交通运输类、土木类等41个大类学科2079种实验的虚拟仿真教学。其中，土木类虚拟仿真实验教学资源119种，包含道路勘测设计实验、地下综合管廊的消防安全系统实验、岩土工程静力触探实验、复杂环境作用下土的力学性质实验、滑坡地质灾害及其防治实验、土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验等。

其中，土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验可模拟不同种类土体、不同围压条件、不同剪切速率和不同应力路径下的组合实验，分别探究土体种类、围压、剪切速率和应力路径等因素对土体强度和变形特性的影响。该三轴虚拟仿真实验可以实现与实体三轴实验完全一致的操作步骤模拟，并可在实验过程中呈现实验数据和实验结果。因此，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台中所提供的“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”模块可为土力学三轴实验提供虚拟仿真教学平台[6]。

（二）三轴实验的虚拟仿真模拟

土体力学三轴虚拟仿真实验教学模块可开展砂土和黏土两类土体的三轴实验教学。虚拟仿真三轴实验中的三轴仪[6]如图1所示。与实体三轴实验仪相同，虚拟仿真三轴仪由试样加载台（左）和控制箱（右）两部分组成。实验时，将试样放置在右侧加载台上并用压力室罩住，通过左侧的控制箱为试样施加围压和偏应力，从而完成试样的三轴实验。

该虚拟仿真三轴实验系统可实现试样制備、安装、饱和、固结、剪切全过程三轴实验操作。其中，试样安装和饱和过程[6]如图2所示。与实体三轴实验相似，虚拟仿真实验也是在三轴仪底座上设置承膜桶，向内填土并击实，然后将试样外侧承膜桶内空气排尽，安装压力室，最后利用二氧化碳易溶于水的原理将试样内的空气置换，并利用反压饱和使试样的孔隙水压力系数B值大于0.95。由图2可知，虚拟仿真实验可以较为真实地反映实体三轴实验在试样安装和饱和阶段的操作步骤。

完成试样制备并饱和后，可进入试样的固结和剪切阶段。虚拟仿真三轴实验的固结和剪切阶段操作[6]如图3所示。该虚拟仿真实验模拟了与实体三轴实验相同的操作界面，首先对土体试样施加围压，待孔压逐渐减小至零后，认为此时试样固结完成;随后可以设置剪切速率，进入剪切阶段，当试样的轴向应变逐渐增大至20%时，剪切完成，操作界面也会出现相应的提示信息。剪切完成后，仿真模拟三轴实验系统还提供了卸除围压、卸压力室和拆除试样等一系列结束和收尾工作，帮助学生养成良好的实验操作习惯，使其自觉遵守实验室的各项细则。

全部实验完成后，每位学生可进行实验数据的整理和分析工作，并完成实验报告的撰写。

三、实体演示—虚拟仿真实验教学的实施

（一）整体构思

在实验空间、课时和仪器设备等条件都有限的前提下，现场实体实验演示教学是实现教学目的直接手段。通过实体演示教学，学生可以清晰地认识三轴仪的各部分组件和功能，直观观察实验过程中土体试样各阶段的状态变化，留意实验操作中能够影响实验结果的关键细节，因此实体实验演示教学起到十分重要的作用。然而，若仅开展实体演示三轴实验教学，学生无法独自操作三轴实验仪，对实验设备各部分结构的功能难以有深入的认识，更无法深刻理解并记住三轴实验设备的完整操作步骤，也不能完成实验数据的分析和实验报告的撰写工作。

考虑到实体演示实验中存在的一些不足，所以引入国家虚拟仿真实验教学项目共享平台中的“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”模块。借助该模块，每位学生可以独立完成三轴实验，这样不仅深化了对三轴实验操作步骤的理解，而且可以帮助学生更好地掌握三轴实验的相关基本理论知识。但是，仅依赖虚拟仿真手段进行三轴实验教学也存在诸多不足。比如，学生无法细致了解三轴仪的各部分组件和功能;只能按步骤完成三轴实验，却无法掌握每个步骤中能够影响实验结果的关键细节;无法直观地观察实验各阶段试样的状态变化等。

考虑到实体演示和虚拟仿真三轴实验教学手段各自存在优势和不足，且二者的优势和不足恰好互补，如果将两者同时应用于土力学三轴实验教学过程中，则能起到互为补充、相得益彰的教学效果。因此，提出实体演示和虚拟仿真结合的土力学三轴实验教学方法，其具体实施模式如图4所示。

由图4可知，该模式以资料查阅、实体演示、虚拟仿真、报告撰写为核心，从三轴实验教学改革出发，目的在于培养具有较强实践能力的复合型人才。其中，资料查阅是实验教学的准备工作，实验报告是教学的总结和收尾工作，实体演示和虚拟仿真则贯穿三轴实验教学的中间过程，起到支撑作用。实体演示和虚拟仿真的三轴实验教学手段侧重点有所不同，前者注重学生对设备功能、操作细节和土体状态变化的理解，后者则强调学生对实验各阶段操作步骤和基本理论的掌握。两种教学手段有机结合，互为补充，相得益彰，共同提升了土力学三轴实验的教学效果。

（二）实体演示教学环节的实施

综合实验室空间、三轴仪实际尺寸、课时时长等因素，在三轴实验的实体演示教学环节中，应先将学生分为若干组，每组10人左右，分时段开展演示教学。演示教学前，实验教师应为学生详细讲解三轴仪的各部分组件和功能，并为学生留出充分地记忆和讨论时间，使学生理解各组件的协同工作机理。演示教学分为试样制备、饱和、固结、剪切四个阶段开展。每阶段由实验任课教师按照三轴实验标准流程进行[7]，并应对实验结果有直接影响的关键步骤进行详细讲解，必要时可让部分学生动手操作。实验过程中，时刻提醒学生注意观察实验各阶段土体状态的变化特点。实验结束后，注意提醒学生将实验设备恢复至初始状态，并做好卫生清洁工作。

（三）虚拟仿真教学环节的实施

实体演示教学环节完成后，可进入虚拟仿真实验教学环节。实验任课教师首先在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上创建班级，并通知学生加入。学生加入后，在班级内创建“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”模块。学生可以进入模块，并独自操作完成三轴实验。

在线完成实验的过程中，如遇任何疑问，可使用平台的“提醒与解答”功能，明确下一步实验步骤。实验完成后，可利用虚拟仿真系统提供的实验数据进行结果分析，撰写实验报告。同时，在虚拟仿真实验平台中，设置了考试功能模块。学生完成实验练习操作后，可在线参加考试，系统可根据学生的在线操作情况评定出实验成绩。同时，任课教师也可在线查询每位学生的实验完成情况和系统评定的实验成绩，为实验课程的考核提供依据。

四、结语

“土力学三轴实验”是土木工程、水利水电工程等专业学生的一项重要实验课程。然而，长期以来，由于实验室空间、课时和仪器数量等条件有限，大部分高校三轴实验教学长期处于“教师演示，学生观察”或“少数学生操作，多数学生观看”的状态，这不仅影响了学生实践能力的培养，而且阻碍了学生对基础理论知识的理解和掌握。

为此，提出了实体演示和虚拟仿真结合的三轴实验教学方法，一方面实验任课教师开展线下实体演示实验，重点向学生介绍仪器设备构造原理和各步骤操作细节;另一方面借助国家虚拟仿真实验项目共享平台开展土力学三轴实验教学，为每位学生独立完成实验操作创造条件。通过线上线下教学手段有机结合，构建了以资料查阅、实体演示、虚拟仿真和报告撰写为核心的土力学三轴实验教学模式，可有效强化学生实践能力和创新意识的培养，深化学生对基础理论知识的理解和运用，同时为培养具有较强实践能力的工程复合人才提供了條件。

参考文献

[1]丁汉林，朱国辉，国宏伟，等.“新工科”背景下提升学生工程实践和创新能力的思考与实践[J].中国冶金教育，2020（6）：80

-82+87.

[2]曹培，张陈蓉，钱建固.土力学虚拟三轴实验教学平台的开发及应用[J].实验技术与管理，2021（1）：127-130.

[3]孙文静，刘珂，张孟喜，等.互联网+虚拟仿真在土力学实验教学中的应用初探[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：

181-185.

[4]叶兴琳，崔桃，喻国贞，等.基于线上线下和虚拟仿真实验技术的有机化学实验教学改革[J].广东化工，2021，48（2）：

174-177.

[5]惠存，边亚东.垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学探索[J].实验技术与管理，2019，36（10）：135-138+143.

[6]唐洪祥.土體力学性质研究的三轴虚拟仿真实验[CP].国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，2019.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50123—2019土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，2019.

Teaching Reform of the Triaxial Experiment Based on the Combination of Physical Presentation and Virtual Simulation

ZHAO Ming-zhi， LIU Gang， SHU Zhi-le

（School of Civil Engineering Architecture and Environment， Xihua University， Chengdu，

Sichuan 610039， China）

Abstract： Under the background of “emerging engineering education” construction， practice education and experiment teaching are increasingly valued. To promote the teaching effect of triaxial experiment in the experiment teaching of Soil Mechanics course， the teaching model combining physical presentation and virtual simulation is put forward. The offline physical presentation emphasizes the students understanding of the components and functions of triaxial apparatus， the details of the experiment operation， and the changes of sample state in the experiment process， while the online virtual simulation emphasizes the students grasp of the experiment operation steps and the basic theoretical knowledge. With the combination of physical presentation and virtual simulation， these two teaching methods can complement each other and bring out the best in each other， which can deepen the students understanding， grasp and application of the relevant knowledge.

Key words： Soil Mechanics; experiment teaching; triaxial experiment; virtual simulation; physical presentation