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摘要：为响应教育部关于深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平的号召，同济大学土木工程学院在国家级实验教学示范中心土木工程实验教学中心平台支撑下，建设了混凝土构件受力性能虚拟实验教学平台。平台围绕混凝土构件的测试过程，包括实验设计、试件制作和准备、实验加载、实验量测、实验分析等环节，与混凝土结构基本原理课程虚实结合，以虚补实，实现对实体实验的补充、扩展和提高。同时，平台以智能导学、智能助学，引导学生对理论知识拓展应用、预测和验证，激发学生探索兴趣。
关键词：混凝土构件;受力性能;虚拟实验;教学平台
中图分类号：G642423;TU-4 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）03-0158-07
2018年5月，教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高函〔2018〕5号），深化和拓展示范性虚拟仿真实验教学项目建设及开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作内容[1]。国家虚拟仿真实验教学项目是高等教育在人才培养领域推进“智能+教育”的积极探索，将成为形成高水平人才培养体系的关键一环，是推动人才培养质量提升的新兴生产力。
作为混凝土结构基本原理的实验实践课，同济大学已开展混凝土构件力学性能实验教学10余年，是国内的先行者。实验教学平台作为同济大学国家级实验教学示范中心，是土木工程实验教学中心的重要组成部分，每年受教的土木工程专业本科生约500名。同济大学土木工程学院教学实验系统克服了传统混凝土结构教学实验加载场地承载能力要求高、混凝土裂缝肉眼观察存在危险，以及实验参与人数有限等局限，在试验加载系统、数据采集和处理系统，以及实验现象与实验数据处理演示系统方面做了改进，通过采用自平衡试验加载系统降低了对实验室地面承载能力的要求，使得在普通实验室开展教学试验加载成为可能。此外，实验室数据采集和处理系统采用英国solartron公司生产的数据采集仪产品，并配备相应的工控机、通讯卡、显示屏、数据采集器和数据处理软件，该系统可以实时处理数据并在显示器上图形显示。同时，同济大学混凝土结构基本原理教学实验创新性地将医用微创手术摄像机用于结构教学，便于观察试件微小裂缝的形成和发展，极大地改善了学生实验学习的效果。
根据工科科研教学特点和混凝土结构基本原理教学大纲要求，该教学实验共设计了9个试验项目，包括钢筋混凝土适筋梁、少筋梁和超筋梁正截面受弯破坏试验;梁耕截面剪压、钢筋混凝土梁受剪斜压、斜拉和剪压破坏试验;钢筋混凝土柱大偏心和小偏心受压破坏试验和钢筋混凝土梁受扭试验。学生通过实验认知教学了解实验要求，并通过观看实验录像提前了解相关实验内容，以小组为单位协作完成实验项目方案和试验加载过程。此外，通过教师讲解、学生参观等方式完成陳列架试件的教学，完善实验教学内容并提高教学效果。学生通过参与混凝土实体构件破坏全过程演示实验，进一步认识混凝土基本构件的力学性能和破坏机理，将基本原理应用于实验过程和结果的解释分析，以进一步掌握基本理论知识教学。
近年来，随着计算机技术的高速发展，虚拟仿真逐渐成为提升学生实物认知的重要手段[3-7]，建设与混凝土实体构件实验相配套的虚拟实验教学平台，可弥补传统实体构件力学性能实验的不足，对培养土木工程专业本科生具有重要的现实意义。
一、虚拟实验教学平台创新性
（一）实验方案设计思路
混凝土实体构件破坏全过程演示实验有助于学生进一步认识混凝土基本构件的力学性能和破坏机理，并且看得见摸得着，破坏过程真实，具有很好的教学演示效果。但考虑到实体
实验参与度较低，加上课时有限，学生难以参与实验方案设计、试件制作和安装、材性实验等实验相关的全过程。另外，学生对基本原理知识掌握程度不一，一定程度上限制了实体构件力学性能实验课作用的发挥。
通过建设与混凝土实体构件实验相配套的虚拟实验平台，可弥补传统实体构件力学性能实验的不足，可实现每个学生独立完成若干构件实验;通过设置方案设计、试件制作和安装、实验量测、材性实验、试验加载、实验数据整理等虚拟实验过程环节，使学生了解混凝土基本构件各环节之间的关系，整体把握构件实验的全过程;开发知识点“学习—应用—考核—导学”功能，实现针对每个学生学习基础和学习兴趣的智能导学、智能助学。虚拟实验还可通过改变截面尺寸、配筋等参数，拓展学生的知识深度，培养其科学素养。
（二）教学方法创新
本科生在进行混凝土实体构件实验前，优先利用虚拟实验教学平台进行学习和虚拟实验，通过虚拟教学实验对相关的理论知识点进行复习及实验方法的验证，学生可参与1～2种混凝土构件的实体实验。学生根据自己的兴趣，利用虚拟实验平台进行对实体实验课外的混凝土构件进行学习实验。学有余力的学生还可通过该平台，进行变参数分析虚拟实验，分析实验结果的规律。
（三）评价体系创新
虚拟教学平台中，在每个模块的主要知识点学习后都会设置考核模块，在考核模块中了解学生对知识的掌握程度和二次理解能力。通过对实验理论知识的应用，考核学生对知识的实际应用能力，最终要求学生根据实验结果，分析实验中的数据和图表，考核其综合应用和知识分析能力。将各部分的当年考核分和历年学分排名作为学生自我考核和教师综合考核成绩的重要依据。
（四）对传统教学的延伸与拓展
虚拟实验平台本质上是实体实验平台的延伸，是虚实结合的综合实验平台。该平台为实体实验提供了理论复习和实验方法预习条件，平台的特色复习和预习内容具有针对性。针对实验相关内容，
复习和预习模块具有实时考核功能，确保学生在实验前掌握必要的知识点，提高学生学习的效率。虚拟平台对知识点的应用情况进行实时评价，确保学生正确应用理论知识。虚拟平台为学生提供了专享实验，每个实验可以独立进行，不受同时进行实验的人数限制，为每个学生提供了丰富的实验项目。此外，虚拟平台为学生提供了个性学习内容，除了必修知识点外，其它知识点可根据个人兴趣选择，学习内容具有弹性。平台提供的变参数实验，也扩展了实体实验内容，为优秀学生的科学素养提高提供了平台。虚拟实验中的互动环节、评分环节降低学生学习中知识点的掌握难度，同时大大提高了学习的趣味性。
关键词：混凝土构件;受力性能;虚拟实验;教学平台
中图分类号：G642423;TU-4 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）03-0158-07
2018年5月，教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高函〔2018〕5号），深化和拓展示范性虚拟仿真实验教学项目建设及开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作内容[1]。国家虚拟仿真实验教学项目是高等教育在人才培养领域推进“智能+教育”的积极探索，将成为形成高水平人才培养体系的关键一环，是推动人才培养质量提升的新兴生产力。
作为混凝土结构基本原理的实验实践课，同济大学已开展混凝土构件力学性能实验教学10余年，是国内的先行者。实验教学平台作为同济大学国家级实验教学示范中心，是土木工程实验教学中心的重要组成部分，每年受教的土木工程专业本科生约500名。同济大学土木工程学院教学实验系统克服了传统混凝土结构教学实验加载场地承载能力要求高、混凝土裂缝肉眼观察存在危险，以及实验参与人数有限等局限，在试验加载系统、数据采集和处理系统，以及实验现象与实验数据处理演示系统方面做了改进，通过采用自平衡试验加载系统降低了对实验室地面承载能力的要求，使得在普通实验室开展教学试验加载成为可能。此外，实验室数据采集和处理系统采用英国solartron公司生产的数据采集仪产品，并配备相应的工控机、通讯卡、显示屏、数据采集器和数据处理软件，该系统可以实时处理数据并在显示器上图形显示。同时，同济大学混凝土结构基本原理教学实验创新性地将医用微创手术摄像机用于结构教学，便于观察试件微小裂缝的形成和发展，极大地改善了学生实验学习的效果。
根据工科科研教学特点和混凝土结构基本原理教学大纲要求，该教学实验共设计了9个试验项目，包括钢筋混凝土适筋梁、少筋梁和超筋梁正截面受弯破坏试验;梁耕截面剪压、钢筋混凝土梁受剪斜压、斜拉和剪压破坏试验;钢筋混凝土柱大偏心和小偏心受压破坏试验和钢筋混凝土梁受扭试验。学生通过实验认知教学了解实验要求，并通过观看实验录像提前了解相关实验内容，以小组为单位协作完成实验项目方案和试验加载过程。此外，通过教师讲解、学生参观等方式完成陳列架试件的教学，完善实验教学内容并提高教学效果。学生通过参与混凝土实体构件破坏全过程演示实验，进一步认识混凝土基本构件的力学性能和破坏机理，将基本原理应用于实验过程和结果的解释分析，以进一步掌握基本理论知识教学。
近年来，随着计算机技术的高速发展，虚拟仿真逐渐成为提升学生实物认知的重要手段[3-7]，建设与混凝土实体构件实验相配套的虚拟实验教学平台，可弥补传统实体构件力学性能实验的不足，对培养土木工程专业本科生具有重要的现实意义。
一、虚拟实验教学平台创新性
（一）实验方案设计思路
混凝土实体构件破坏全过程演示实验有助于学生进一步认识混凝土基本构件的力学性能和破坏机理，并且看得见摸得着，破坏过程真实，具有很好的教学演示效果。但考虑到实体
实验参与度较低，加上课时有限，学生难以参与实验方案设计、试件制作和安装、材性实验等实验相关的全过程。另外，学生对基本原理知识掌握程度不一，一定程度上限制了实体构件力学性能实验课作用的发挥。
通过建设与混凝土实体构件实验相配套的虚拟实验平台，可弥补传统实体构件力学性能实验的不足，可实现每个学生独立完成若干构件实验;通过设置方案设计、试件制作和安装、实验量测、材性实验、试验加载、实验数据整理等虚拟实验过程环节，使学生了解混凝土基本构件各环节之间的关系，整体把握构件实验的全过程;开发知识点“学习—应用—考核—导学”功能，实现针对每个学生学习基础和学习兴趣的智能导学、智能助学。虚拟实验还可通过改变截面尺寸、配筋等参数，拓展学生的知识深度，培养其科学素养。
（二）教学方法创新
本科生在进行混凝土实体构件实验前，优先利用虚拟实验教学平台进行学习和虚拟实验，通过虚拟教学实验对相关的理论知识点进行复习及实验方法的验证，学生可参与1～2种混凝土构件的实体实验。学生根据自己的兴趣，利用虚拟实验平台进行对实体实验课外的混凝土构件进行学习实验。学有余力的学生还可通过该平台，进行变参数分析虚拟实验，分析实验结果的规律。
（三）评价体系创新
虚拟教学平台中，在每个模块的主要知识点学习后都会设置考核模块，在考核模块中了解学生对知识的掌握程度和二次理解能力。通过对实验理论知识的应用，考核学生对知识的实际应用能力，最终要求学生根据实验结果，分析实验中的数据和图表，考核其综合应用和知识分析能力。将各部分的当年考核分和历年学分排名作为学生自我考核和教师综合考核成绩的重要依据。
（四）对传统教学的延伸与拓展
虚拟实验平台本质上是实体实验平台的延伸，是虚实结合的综合实验平台。该平台为实体实验提供了理论复习和实验方法预习条件，平台的特色复习和预习内容具有针对性。针对实验相关内容，
复习和预习模块具有实时考核功能，确保学生在实验前掌握必要的知识点，提高学生学习的效率。虚拟平台对知识点的应用情况进行实时评价，确保学生正确应用理论知识。虚拟平台为学生提供了专享实验，每个实验可以独立进行，不受同时进行实验的人数限制，为每个学生提供了丰富的实验项目。此外，虚拟平台为学生提供了个性学习内容，除了必修知识点外，其它知识点可根据个人兴趣选择，学习内容具有弹性。平台提供的变参数实验，也扩展了实体实验内容，为优秀学生的科学素养提高提供了平台。虚拟实验中的互动环节、评分环节降低学生学习中知识点的掌握难度，同时大大提高了学习的趣味性。