淺談橋梁課程實驗教學

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一、引言

實驗教學架起了理論和實踐的橋梁，并對培養學生正確的分析方法和解決問題的能力有著不可替代的作用。傳統橋梁結構實驗教學中存在一些問題和不足：（1）傳統結構實驗教學受實驗設備和場地的限制，使教學時數和橋型實驗種類受到制約，分組中的學生人數多，組員不能都得到操作機會；（2）實驗設備更新升級代價高，實驗方法更新慢；（3）較難實現培養學生創造性思維能力的設計性實驗和創新型實驗。因此發展構建一套新的適應于高等教育大發展形勢下的橋梁結構實驗教學方法和系統是很有必要的。目前國內外針對實驗教學改革的研究取得了很多成果，但大都集中在實驗室管理、教學體系改革、學生考評機制等方面。針對實驗儀器、實驗平臺的集成和系統開發的還很少，開發利用仿真技術和虛擬儀器技術，整合現有的儀器設備和實驗平臺，發揮計算機仿真、圖形化的和數據管理等功能的實驗系統，使之能夠開發功能更多，集成性能更好，能滿足多教學人數和設計性、創新性的實驗，以減少實驗儀器的課堂使用時間，具有重要的意義。本文基于橋梁工程理論課程對結構實驗仿真系統的要求，利用計算機仿真組件技術，在研究橋梁結構試驗課程仿真實驗教學系統的系統架構基礎上，開發了橋梁課程結構仿真實驗系統并進行了教學實踐。

二、基于仿真技術的橋梁課程實驗教學系統

（一）系統的總體架構及功能

系統的總體框架結構分為四層：第一層為實驗儀器、實驗橋型和實驗方法的數據庫支撐層，是整個系統運行的數據基礎；第二層為實驗儀器和橋型的組件層，基于組件技術的思想，將實驗設備、橋梁結構組件與實驗方法等定義成組件模塊；第三層為功能層，通過調用各組件實現不同實驗目的實驗教學仿真體系；第四層為用戶操作層，實現人機交互。系統以實現橋梁課程實驗仿真為目的。仿真實驗系統的每一功能層的功能為：

（1）儀器設備模型庫：負責實驗儀器設備組件的管理，具有在模型庫中新增、刪除實驗儀器設備組建的功能。

（2）橋梁構件模型和橋梁種類模型庫：負責橋梁構件和橋梁種類組件庫的管理，具有在模型庫中新增、刪除橋梁構件模型和橋梁種類模型的功能。

（3）實驗建模：用戶可以將實驗設備組件庫和橋梁組件和橋梁種類庫中的儀器設備模型塊拖動到主窗體中，并對模型的屬性等參數進行定義，通過拖動組件可靈活構建不同功能和性質的仿真實驗教學模型。

（4）仿真實驗運行：通過定義仿真實驗的儀器設備和實驗對象橋梁結構模型及其運行參數后，啟動仿真運行，在此過程中調用各仿真算法組件函數。

（5）實驗結果及數據分析：能對仿真實驗運行過程中的各種實驗數據進行統計分析，并能以各種統計圖表的方式進行顯示。

（二）系統的運行流程

仿真橋梁課程實驗教學系統運行流程為：實驗者登錄后，可選擇進入模型庫，對各種組件進行管理；也可以直接進入仿真實驗主窗口，通過拖動儀器設備組件和實驗橋梁組件模型在主窗口內組裝來建立實驗模型，也可以直接調用已存儲的實驗模型；然后設置儀器設備的測試參數、實驗橋梁組件模型和橋梁種類模型的參數；啟動仿真運行后，系統會自動調用組件函數來完成仿真實驗，并記錄下各相關實驗數據，同時可調用實驗結果及數據分析組件，通過圖、表等顯示仿真實驗結果，并形成實驗報表。

三、橋梁課程實驗教學系統關鍵技術

1.建立實驗設備組件模型、實驗橋梁組件模型和橋梁種類模型組建庫實現多類型實驗。橋梁課程實驗的實驗設備、橋梁結構種類、實驗手段和實驗目的比較固定，這使構建仿真實驗教學系統的橋梁組件模型和橋梁種類模型、實驗設備模型變得可行。首先，對各組件的實驗屬性進行功能分析，對具有相同參數和特征的儀器設備和橋梁組件進行抽象建模。然后，對這些模型的屬性和方法進行封裝。最后，實驗者只需通過拖動組件模型，修改少許屬性，就能定義出選定實驗課程的儀器和實驗對象組件庫，再進行特定的組合，就能靈活實現仿真實驗建模。

2.基于組建技術的橋梁結構。對不同的實驗課程，實驗對象是具有不同結構形式的各種橋梁，采用橋梁結構構件組件建模的方法，可使仿真試驗教學系統具有較高柔性，能適應不同橋梁結構實驗的要求。系統實現了對實驗設備組件和橋梁模型構件的拖放功能，實驗者可從模型庫中拖動組件來定義實驗。其實現方法為：

（1）拖動組件的實現方法：在組件中設置拖放事件方法及其接口。拖放事件方法包括：拖放過程中儀器設備的圖像顯示、拖動動態效果曾強。實現方法為：將拖放屬性設為自動。當鼠標按住設備組件并拖動時觸發拖放事件。設備組件拖動到布局窗體內放開鼠標時，會觸發該事件，在布局窗體內預先寫好事件函數來響應此事件。

（2）封裝的實現：目前，可用于實現以上組件封裝技術的工具有很多，本文的實驗仿真系統采用擁有ActiveX快速開發組件的VB6.0進行開發。將定義的實驗設備和橋梁構件組件的事件函數和屬性分別寫好，然后編寫對應的事件處理函數將這些事件和屬性集成起來。使用該工具可極大地減少定制組件的工作量。

四、案例

本文研究開發的基于仿真技術的橋梁課程實驗教學系統，進行了實驗教學應用，取得了良好的效果。通過應用實驗仿真教學系統，實現了對橋梁課程實驗的動態建模；通過仿真教學解決了實驗設備和場地的限制，提高了教學時數和橋型實驗種類；改善了學生的動手條件；同時，提供了一種實驗設備和實驗方法更新升級，培養學生創造性思維能力的設計性實驗和創新型實驗的手段。

五、結論

本文基于橋梁課程實驗教學的需求，利用計算機仿真技術的優點，研究了基于實驗課程教學需求的實驗仿真系統的架構，并利用組件技術開發了橋梁課程實驗教學仿真系統。

1.建立了基于仿真技術的橋梁工程實驗課程仿真教學系統的功能結構；

2.通過建立實驗儀器設備和橋梁結構構件組件庫來實現教學實驗的組合建模；

3.運用拖放事件技術實現了實驗儀器模型和不同結構實驗橋梁模型的動態定義，系統擁有足夠柔性和擴展性。最后，該橋梁實驗教學仿真系統得到了教學應用實踐，取得了良好的教學效果。