摘要：钢筋混凝土简支梁实验作为土木工程专业教学中的重要实践环节，旨在让学生掌握不同类型受弯构件的设计原则及计算方法。通过让学生深入探索各种类型梁的破坏、受力及变形特点，培养他们分析问题和解决问题的能力。然而，传统实验方法由于实验的不可逆性和操作的复杂性，成功率不高，且学生对教学内容掌握的程度参差不齐。引入虚拟仿真实验技术，能有效解决这些问题。基于此，探讨传统实验存在的问题，分析虚拟仿真实验的优势与局限性，并提出一种虚实结合的实验教学设计，旨在通过互补优势，提升教学质量和学生学习效果。

　　关键词：钢筋混凝土；简支梁实验；教学改革；虚实结合

　　建筑结构的类型按照建筑材料分类原则可以分为木结构、土木结构、砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构等，其中钢筋混凝土结构在现有建筑结构中占有非常大的比例。因此，混凝土结构设计原理课程便成为土木工程专业本科教学中重要的专业课程之一。钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料所组成，其力学性能与钢材等匀质材料有很大的差别。因而，对于钢筋混凝土结构力学性能的把握主要依赖于实验研究。钢筋混凝土简支梁实验作为土木工程专业的一门核心实验课程，旨在全面检验学生前期所学的混凝土结构设计原理、土木工程材料、土木工程结构试验及结构力学等课程知识。该课程的开设目标在于使学生掌握不同破坏类型受弯构件的配筋设计方法，并通过实际操作和观察，直观感受试件在受力过程中的变形、裂缝发展直至最终的破坏形态。这能够使学生更深入地理解混凝土结构的受力机制和破坏机理，为日后解决施工过程中的实际问题打下坚实基础。同时，该课程也着重培养学生的动手能力、创新能力和实践能力，通过展示实际操作和问题解决的过程，使学生具备较强的分析和解决问题的能力。

　　目前，开设土木工程专业的各个高校均以各种各样的形式引导本科生开展了钢筋混凝土简支梁实验，但各高校的做法不尽相同。多数高校中，混凝土试件由工人事先制作完成，学生参与度非常有限，达不到实验目的。少数高校虽然将试件制作及实验全过程交给学生完成，但是由于该实验本身的复杂性，实验效果还有待进一步提升。还有部分高校采用虚拟仿真实验，希望通过虚拟仿真实验代替传统实验，节约实验成本，缩短实验周期。但是单纯的虚拟实验无法完全再现真实实验过程中可能出现的各种细微变化和随机因素，这在一定程度上限制了对学生动手能力、创新能力及分析和解决问题能力的培养。

　　兰州理工大学于2013年根据新修订的本科生培养方案，将钢筋混凝土简支梁实验设为必修课程。在该课程的教学中，要求学生独立完成试件设计、混凝土配合比设计、试件制作、方案制定及实验加载等所有环节，旨在检验学生对所学知识的综合应用能力及实践操作能力。

　　2018年，兰州理工大学根据实物实验开展经验，建设了“钢筋混凝土简支梁正截面抗弯承载力虚拟仿真实验”资源，对虚实结合的实验教学方法进行了探索。学生先进行线上虚拟实验，而后进行线下实物实验。一方面，学生对不同破环类型试件的受力特点和破环特征都会有所了解，扩展了知识面；另一方面，学生前期完成虚拟仿真实验后，充分了解了实验过程的注意事项，从而显著提升了后续实物实验的效果。

　　一、传统实物实验存在的问题

　　钢筋混凝土简支梁实验涉及配筋设计、钢筋下料、模板裁切、钢筋弯折、钉模板、绑钢筋、钢筋应变片粘贴、砂石料等原材称取、混凝土拌合、混凝土浇筑、试件养护、拆模、网格线绘制、混凝土应变片粘贴、混凝土抗压强度测定、试件安装、实验方案制定、预加载实验、正式实验、数据采集、裂缝描绘及数据分析等步骤。该实验项目步骤繁多且过程复杂，学生稍有不慎便可能导致实验失败。例如前期教学过程中，有一组学生浇筑完试件后忘记标记试件方向，导致实验时梁底朝上放置，从而使配置的纵向受力钢筋没能发挥作用，最终花费一个多月准备的实验只能以失败告终。问题看似很小，却导致了实验的失败。

　　此外，由于该实验的特殊性，学生需要分成小组，并相互配合，才能顺利完成实验。每个学生在小组中承担不同的任务、扮演不同的角色，因此所掌握的实验内容也会有所不同。在传统的实验中，学生可能因为个人能力或分工不同而掌握不同的实验内容，这可能导致教学效果的不稳定性和学生之间的差异化。同时，传统实验的不可逆性意味着实验一旦失败，就无法重新进行。这种不可逆性不仅限制了学生从错误中学习和完善技能的机会，还可能对他们的实验技能培养造成不利影响，从而阻碍学生全面发展和综合素质的提升。

　　二、虚拟仿真实验的优缺点

　　（一）虚拟仿真实验的优点

　　一是激发学生学习动机。虚拟仿真实验通过计算机图形、声音和图像等先进技术，为学生创造了一个高度逼真的学习环境，使学生仿佛置身于真实的实验场景中。这种身临其境的沉浸感极大地激发了学生的学习热情，提升了他们的参与度。在这种环境下，学生不再是被动地接受知识，而是主动地参与实验，探索未知，解决问题。这种转变不仅有效激发了学生的学习动机，更在无形中提升了他们的学习效果。

　　二是突破时空限制。传统的实验往往需要在特定的实验室或场地进行，而虚拟仿真实验则可以在任何时间、任何地点进行。实验者只需通过计算机或其他智能设备，就能随时进入虚拟实验环境，进行实验操作和观察。这种灵活性使得学生学习不再受到地理位置和时间的束缚，极大地提高了学生学习的效率。

　　三是安全性与经济性提升。虚拟仿真实验彻底摆脱了实物实验中可能存在的风险。在传统的实物实验中，因操作失误或设备故障，很容易导致设备损坏甚至发生人身伤害。而虚拟仿真实验的所有操作都在计算机模拟环境中进行，即便出现操作不当的情况，也不会对真实世界的物体或人员造成任何伤害。这为学生和教师提供了一个安全、无风险的实验环境。

　　此外，传统的实物实验需要投入大量的试剂耗材和设备，成本较高。而虚拟仿真实验则无须真实的物质投入，所有的实验材料、设备和试剂都是虚拟的，从而大大降低了实验成本。同时，由于减少了试剂的浪费和污染物的排放，虚拟仿真实验也实现了实验的绿色化，有利于环境保护。

　　（二）虚拟仿真实验的缺点

　　一是缺乏真实仪器操作的实际感受。尽管虚拟仿真实验能高度模拟真实实验场景，但它始终无法完全提供真实仪器带来的操作感受。真实实验中的仪器操作涉及多种感官体验，如手感、视觉观察及仪器与实验者之间的互动等。实验者在虚拟环境中获得的经验和技能可能难以直接应用于现实。这在某种程度上影响了学生对实验设备的深入理解和操作熟练度。

　　二是减少了应对突发事件的机会。虚拟实验通常条件相对理想，很少出现仪器故障或突发问题。这导致学生缺乏应对这些实际问题的能力，无法体验到排除故障和检修仪器的过程，不利于提高学生解决实际问题的能力。

　　三是实验设计过于程序化，限制学生自主探索。在虚拟仿真实验中，学生通常需要按照预设的步骤和流程进行操作，缺乏自由发挥和自主设计实验的机会。这在某种程度上限制了学生的自主探索和创新思维。这种固定化的流程可能导致学生失去对实验的兴趣和热情，难以培养独立思考和解决问题的能力。

　　四是仿真数据模型的不完善。虽然虚拟仿真实验在模拟实验环境和过程方面做得越来越好，但仍然存在仿真数据模型缺失或不准确的问题，导致虚拟实验不能完全做到“仿真”。由于数据模型的不完善，虚拟实验往往无法完全还原真实实验中的复杂性和多元性，导致实验结果存在偏差或局限性。这在一定程度上限制了学生深入探索实验的多元性、复杂性和发现实验结果多种可能性的能力，无法满足他们对实验全面、深入的理解需求。

　　三、虚实结合实验教学设计

　　为了弥补传统实物实验和虚拟实验各自的缺点，实现实物实验与虚拟实验的优势互补，针对钢筋混凝土简支梁实验，提出采用虚实结合的实验教学方法，进一步提升学生学习效果，以期提高应用型人才培养质量。虚实结合的实验教学模式如图1所示，主要包括理论讲授、虚拟实验和实物实验三部分。理论讲授部分：教师对超筋梁、适筋梁、少筋梁、斜压梁、剪压梁和斜拉梁六种试件的配筋设计进行讲解。配筋设计是否正确关系着实验的成败，因此理论讲授时需对配筋设计的注意事项和设计要点进行重点强调。如正截面破坏的梁（超筋梁、适筋梁和少筋梁）不能出现斜截面先于正截面破坏的情况。同样，斜截面破坏的梁（斜压梁、剪压梁和斜拉梁）不能出现正截面先于斜截面破坏的情况。虚拟实验部分在兰州理工大学校级虚拟仿真实验平台上进行，主要包括试件配筋、认识仪器、预习模式、学习模式和考核模式五个环节。学生在完成试件配筋设计后，将其结果上传至虚拟仿真实验平台，供教师进行评阅。若教师发现设计存在不足或错误，则及时通过校级平台向学生反馈，指导学生进行修改。这一修改评阅过程将反复进行，直至学生的配筋设计准确无误，之后学生方可进行虚拟实验。

　　在校级虚拟仿真实验平台上，实验者首先可通过旋转和放大等操作查看并认识所需仪器设备，以便深入了解。随后，进入预习模式，观看实物实验教学视频，从而熟悉实验流程。完成预习后，实验者将进入学习模式，学习并掌握虚拟实验的具体操作步骤。待操作熟练后，即可进入考核模式，完成虚拟实验。考核模式下，一旦学生出现两次操作错误，系统将进行扣分处理，并自动引导至下一步实验，以确保实验流程的顺畅进行。完成虚拟实验后，平台将立即自动计算出学生的虚拟实验成绩，为学生提供一个即时的学习反馈。若学生对自己的成绩不满意，或者希望进一步熟悉和巩固实验流程，可以选择重新进行实验。这种可重复性是虚拟实验的一大优势，它允许学生在没有额外资源消耗的情况下，多次尝试，直至熟练掌握实验技能，从而减少在实物实验中可能出现的误操作。这不仅提高了学生的学习效率，也降低了教学成本。

　　完成虚拟仿真实验后，学生即可开展实物实验。此时，学生对整个实验流程、操作步骤和注意事项都有了基本的掌握，并积累了一定的实践操作经验。因此，在实物实验中，学生能够更加自信、熟练地进行操作，提高实验的成功率。同时，虚拟实验中的模拟操作也为学生提供了宝贵的参考，帮助他们在实际操作中避免可能出现的问题，提升实验效果。虚实结合的教学方式不仅显著提高了实物实验的成功率，还增强了学生的学习体验，培养了他们的创新能力和解决问题的能力。此外，这种教学方法对学生的学习效果也具有极大的促进和提升作用。

　　综上所述，钢筋混凝土简支梁实验涉及内容广泛，实验过程复杂。引入虚拟仿真实验，采用虚实结合的实验教学法，让学生先在虚拟环境中进行模拟操作，熟悉实验步骤，掌握实验要点，再进行实物实验，不仅提高了实验成功率，还显著提升了学生的学习效果。

      参考文献：

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