多媒體技術(shù)在結(jié)構(gòu)試驗教學中的應用

柳獻　王輝

摘要：試驗教學是土木工程專業(yè)教育的重要環(huán)節(jié)之一，多媒體信息技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)試驗教學提供了便利。文章以盾構(gòu)隧道極限承載力試驗為例，詳細介紹了多媒體試驗視頻的制作過程，并對多媒體信息技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學中的應用效果進行了評價。

關(guān)鍵詞：多媒體信息技術(shù)；土木工程專業(yè)；結(jié)構(gòu)試驗；教學改革

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2015）04014704

一、土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學改革的必要性

隨著我國經(jīng)濟和城市化進程的迅速發(fā)展，土木工程專業(yè)進入了一個全新的發(fā)展階段。高速鐵路、大跨橋梁、超高層結(jié)構(gòu)、綜合地下空間工程建設(shè)如火如荼，亟需大批具有扎實專業(yè)知識技能、技術(shù)應用能力和實踐創(chuàng)新能力的專業(yè)技術(shù)人才[1-2]。因此，如何不斷提高土木工程專業(yè)教學質(zhì)量，加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為高等教育的重要課題。試驗教學是土木工程專業(yè)學生掌握試驗方法和技能、提高工程和創(chuàng)新能力的重要手段之一。

目前的試驗教學中還存在若干問題亟需解決[3-4]：（1）“重理論，輕實踐”的教學觀念。本科生的試驗教學一直處于弱勢地位，學生參與試驗多數(shù)抱著敷衍了事的心態(tài)。（2）教學內(nèi)容單一陳舊。由于試驗條件的限制和試驗教學設(shè)計的復雜性，目前國內(nèi)大多數(shù)院校的土木工程專業(yè)試驗均作為理論課的“附屬物”，教學內(nèi)容以常規(guī)性、驗證性材料或簡單構(gòu)件試驗為主，基本沒有開展工程意義更強的結(jié)構(gòu)試驗。（3）教學方法單一。以灌輸式教學為主，學生處于被動學習狀態(tài)，難以真正提起興趣。

同時，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗周期長，試驗過程復雜，且具有一定的破壞性和危險性，學生直接參與和操作試驗比較困難。教學方法和理念的陳舊，以及土木工程結(jié)構(gòu)試驗自身的特點大大制約了結(jié)構(gòu)試驗教學的發(fā)展。而近年來迅速興起的多媒體信息技術(shù)使解決這一難題成為可能，通過多媒體技術(shù)對結(jié)構(gòu)試驗全過程進行記錄，并加以后期處理，用于試驗教學，有利于激發(fā)學生學習興趣，提高教學效果。

二、盾構(gòu)隧道極限承載力試驗視頻制作

試驗教學視頻基于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)試驗制作，在整個拍攝和制作過程中有一些問題需要特別注意。首先，視頻內(nèi)容專業(yè)性強。視頻將表現(xiàn)大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗全過程，制作視頻需要對整個試驗過程有較為深入的了解和認識。因此，試驗參與人員將完成視頻腳本的撰寫，并參與指導視頻制作全過程，對于跨學科知識要求高。其次，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗準備工作復雜，試驗周期長，需要消耗大量人力、物力，一般都是結(jié)合教師科研課題進行，視頻素材的采集過程必然受到試驗進展和場地等各方面因素的限制。因此，在視頻采集前需要明確拍攝目的和內(nèi)容，擬定信息采集流程并嚴格執(zhí)行。

文章結(jié)合同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系所進行的地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗[6]，如圖 1，針對土木工程結(jié)構(gòu)試驗的視頻制作與應用展開討論。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗

（一）試驗概況

盾構(gòu)隧道一般采用預制管片拼裝式的襯砌結(jié)構(gòu)，荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的徑向位移、管片間接縫內(nèi)外張合位移是衡量其結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)的基本指標。本試驗以典型盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)為背景，進行圓形隧道通縫拼裝襯砌結(jié)構(gòu)極限承載試驗，探求隧道結(jié)構(gòu)襯砌環(huán)受荷后變形特征，獲得結(jié)構(gòu)極限承載力，分析結(jié)構(gòu)變形隨荷載發(fā)展規(guī)律，指導工程實踐。

試驗采用的鋼筋混凝土預制管片厚度0.35 m，環(huán)寬（沿隧道縱向尺寸）1.2 m。拼裝出的圓環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m。全環(huán)分為4種類型的6塊預制管片，如圖1所示，包括1個封頂塊（F塊）、2個鄰接塊（L1和L2塊）、2個標準塊（B1和B2塊）和1個底塊（D塊）。根據(jù)地鐵圓形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特點，多個集中荷載近似地層壓力分布荷載。圓形裝配式襯砌環(huán)水平放置，由24個拉桿式反力架形成匯于中心鋼環(huán)的對拉加載框架12對，整個加載裝置構(gòu)成一個自平衡體系，如圖 2。

圖2 加載裝置布置平面圖

整個試驗從設(shè)計準備至后期數(shù)據(jù)處理全周期長達1年時間，如此大規(guī)模長周期的結(jié)構(gòu)試驗很難組織學生進行試驗現(xiàn)場的參觀學習，因此，采用多媒體信息技術(shù)對試驗設(shè)計、實施、收尾全過程進行記錄，并配以解說，用于課題教學，讓學生全面了解試驗過程。同時，對于本試驗而言，完整試驗過程的視頻記錄十分重要。由于地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗參與人員眾多，試驗加載持續(xù)時間長，涉及因素眾多，在試驗全過程中，試驗人員難以完整記錄試驗現(xiàn)象，在試驗結(jié)束后也很難重現(xiàn)試驗現(xiàn)象。試驗全過程的視頻記錄可較為完整地記錄試驗實施過程及期間發(fā)生的各種試驗現(xiàn)象，在一定程度上突破時間的限制，把一次性不可重復的試驗過程變成可反復觀察、研究的多媒體信息資料，以便于后期試驗的分析和研究。

（二）試驗視頻制作

盾構(gòu)隧道極限承載力試驗視頻制作過程包括腳本撰寫、素材采集和后期制作三個步驟，視頻涉及大量土木工程專業(yè)知識，試驗人員全程參與視頻制作。

1. 腳本撰寫

試驗多媒體視頻的基礎(chǔ)是設(shè)計視頻內(nèi)容框架，撰寫視頻腳本。腳本的好壞直接關(guān)系到素材采集的完整性和可行性，乃至于最終的視頻質(zhì)量。由于學科差異較大，視頻素材采集和制作人員在土木工程專業(yè)知識上存在明顯空缺。因此，視頻腳本務必要通俗易懂、可操作性強。

首先，明確拍攝目的。本視頻基于地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗，通過記錄試驗準備、試驗設(shè)計、試驗實施和試驗結(jié)果處理和現(xiàn)象分析的全過程，為土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學提供素材和依據(jù)。因而，視頻重點應為試驗各部分原理、設(shè)計思路的介紹和試驗過程的完整記錄。

其次，設(shè)計視頻完整框架。視頻框架與試驗進行的流程一致，主要包括試驗背景、試驗目的、試驗設(shè)計、試驗過程和試驗結(jié)果五個部分，按照時間的順序清晰完整地展現(xiàn)整個盾構(gòu)隧道極限承載力試驗設(shè)計、實施和后期結(jié)果處理全過程。

最后，撰寫試驗視頻腳本。腳本內(nèi)容根據(jù)試驗先后順序分為五個部分。

（1）引言。地鐵盾構(gòu)隧道極限承載力試驗由同濟大學土木工程學院、上海申通地鐵集團技術(shù)中心、上海隧道工程設(shè)計院、上海隧道股份有限公司共同實施完成。

（2）試驗背景和目的。上海地鐵盾構(gòu)隧道投入運營多年，逐漸進入襯砌結(jié)構(gòu)的頻繁維護期。為確保襯砌結(jié)構(gòu)的安全，需要對地鐵襯砌結(jié)構(gòu)的承載性能有進一步的研究，了解結(jié)構(gòu)變形特征和安全系數(shù)，探求運營地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)維護的理論依據(jù)和技術(shù)手段，為此特進行盾構(gòu)隧道極限承載力試驗研究。

（3）試驗設(shè)計。試驗設(shè)計主要包括設(shè)計準備工作、試驗場地、試件介紹、加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。試驗設(shè)計前進行了大量的調(diào)研準備工作，對相關(guān)試驗的設(shè)計和實施進行了深入研究，并結(jié)合理論計算確定試驗各加載點荷載比值。試驗在同濟大學抗火實驗室進行，實驗室內(nèi)設(shè)施齊全、空間寬敞，適宜進行本次試驗。本次試驗采用的試件為上海市盾構(gòu)隧道標準襯砌試件，試驗加載經(jīng)過精心設(shè)計，為模擬盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在土體中受力情況，采用3組24點徑向加載。試驗測量系統(tǒng)以機械測量與光學測量兩種方法結(jié)合，更加準確地觀察和描述試驗現(xiàn)象，測量的主要內(nèi)容包括徑向位移、接縫張開、接縫錯臺、混凝土應變和螺栓應變。

（4）試驗過程。試驗過程主要包括荷載設(shè)計和控制程序、試驗準備、試驗過程和試驗收尾工作。加載過程前半段為荷載控制階段，后程為位移控制階段，模擬實際工況中側(cè)向土壓力達到被動土壓力后不再增加的情況，同時定義了試件的破壞標志。試驗準備階段的主要工作包括場地布置、吊裝襯砌管片和加載裝置、測件安裝和預加載。在試驗人員檢查測量設(shè)備、準備測量記錄試驗現(xiàn)象后，正式加載開始。試驗卸載后再次描繪襯砌結(jié)構(gòu)上裂縫開展情況，現(xiàn)場對管片進行拆卸。

（5）試驗成果。通過盾構(gòu)隧道極限承載力試驗獲得了測試數(shù)據(jù)整理報告和上海地鐵襯砌整環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載力試驗研究綜合報告，主要包括襯砌結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果和試驗測試結(jié)果的比較分析，試驗研究主要結(jié)論以及運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)修復加固建議指南。

2.素材收集

相比于普通多媒體視頻制作的素材采集過程，試驗視頻的素材采集過程在很大程度上受試驗進度制約。試驗的設(shè)計準備階段時間跨度長，素材采集有選擇地針對其中關(guān)鍵部分進行拍攝。而盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的正式加載時間持續(xù)大約12個小時，各加載步驟和數(shù)據(jù)采集均按照試驗前制定的流程操作，需要采集內(nèi)容集中且不可重復，所以特設(shè)置多臺相機，嚴格按照視頻腳本進行素材采集。合理安排采集進度和正確選擇采集內(nèi)容保證了素材收集的完整性，提高了工作效率，素材采集工作有條不紊地進行。

同時，為防止視頻制作人員因土木工程專業(yè)知識的欠缺導致對素材采集重點把握的不準確，每次素材采集前試驗人員會按照視頻腳本再次明確素材采集內(nèi)容，保證素材收集的完整性。

3. 后期制作

完成視頻素材收集后，根據(jù)視頻腳本進行，對所收集素材進行剪輯、選擇、整合與變換，制作盾構(gòu)隧道極限承載力試驗視頻多媒體文件。后期制作的主要工作包括素材剪輯整合和視頻配音兩個部分。

（1）素材剪輯整合。為滿足結(jié)構(gòu)試驗課堂教學要求，整個視頻的長度控制在30分鐘以內(nèi)。視頻需要完整展現(xiàn)整個試驗從設(shè)計準備到結(jié)束收尾全過程，使學生對結(jié)構(gòu)試驗整體流程有清晰的認識。因此，試驗視頻需具有簡潔性和完整性。視頻腳本對所拍攝的視頻素材進行篩選，剔除重復和次要內(nèi)容，將篩選后的視頻素材與文字、音頻和圖片素材有機組合，輔以視頻過渡動畫，完成視頻初稿。

（2）視頻配音。試驗參與人員對照視頻原稿和腳本文件，完成配音講稿的撰寫，如表1，再應用專業(yè)音頻處理軟件進行視頻的配音工作。

完成視頻內(nèi)容制作后，按照相應的格式將視頻文件導出，便于其發(fā)布和播放。

（三）視頻多媒體的應用

大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗，由于場地和試驗進度等條件限制，往往難以大范圍組織學生現(xiàn)場參觀或參與。試驗原理和試驗過程的講述較為抽象，學生大多時候只能機械記憶試驗內(nèi)容和方法，對試驗設(shè)計的原理過程和具體的操作沒有深入理解。本視頻完整記錄了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限承載力試驗從設(shè)計準備到試驗收尾的全過程，通過對各部分原理和具體操作的具象展示，其用于課堂教學之中，相比于傳統(tǒng)的試驗教學有巨大優(yōu)勢。

（1）激發(fā)學習興趣，提高學習熱情。運用視頻系統(tǒng)記錄土木工程結(jié)構(gòu)試驗全過程，通過后期剪輯制作，形成完整試驗視頻。試驗視頻圖文并茂、視聽一體，便于學生接受，有利于提高學生學習興趣。

（2）全方位刺激感官，提高教學效果。相比于傳統(tǒng)課堂教學，多媒體信息技術(shù)用于試驗教學，為學生提供聽覺和視覺上更全面的感官刺激，有利于提高教學效果。

此外，大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗準備周期長、試驗費用高，多媒體視頻完整記錄試驗過程，借助其傳播途徑的便捷性，更多學生接觸此類試驗、了解實驗過程，享受優(yōu)質(zhì)教育資源，實現(xiàn)教育資源的公開化、公平化。

三、結(jié)語

結(jié)合盾構(gòu)隧道極限承載力試驗，文章

系統(tǒng)介紹了多媒體試驗視頻制作從腳本撰寫、素材收集到后期制作的全過程，并討論了試驗視頻的應用效果。課堂教學中利用多媒體信息處理技術(shù)記錄土木工程結(jié)構(gòu)試驗全過程，有利于激發(fā)學生學習興趣，提高試驗教學效果，并推動優(yōu)質(zhì)教育資源的公開化、公平化，具有很好的應用前景。參考文獻：

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