孫艷娜 趙鴻鐸 孫大權(quán)

摘要：瀝青材料是《道路工程材料》課程重點(diǎn)講授的內(nèi)容，受教學(xué)資源和時(shí)間的限制，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生只能進(jìn)行最精華部分的測試。虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，并且具有不計(jì)成本反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)。依托同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院的上海市級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，開發(fā)了瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際瀝青實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，涵蓋了瀝青最為基本的三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以較為直觀地學(xué)習(xí)瀝青性能測試方法，理解瀝青的高溫性能、低溫性能、黏彈性能和延展性能，具有很好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：道路工程材料;瀝青實(shí)驗(yàn);虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0265-02

瀝青材料是一種黏彈塑性材料，對溫度和時(shí)間的依賴性很大，是《道路工程材料》課程重點(diǎn)講授的內(nèi)容[1]。課程內(nèi)容包括瀝青的分類、組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝和物理性質(zhì)等，以及道路工程中應(yīng)具備的路用性能和技術(shù)要求等，具有知識點(diǎn)多、符號多、概念抽象、測試方法多樣等特點(diǎn)。該部分內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是教學(xué)大綱的教學(xué)重點(diǎn)。一般在理論教學(xué)之后安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)課程中存在一些問題，具體如下：（1）學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限，只能進(jìn)行分組測試，無法做到人人都動手操作，更不能保證實(shí)驗(yàn)失敗后的更正實(shí)驗(yàn)、多次實(shí)驗(yàn)[2]。（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間有限，在短短的實(shí)驗(yàn)課上同學(xué)們只能進(jìn)行最精華部分的測試，對于實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、試件的制備以及測試結(jié)束后模具的清洗等，只能了解，不能實(shí)際操作[3]。虛擬實(shí)驗(yàn)則不受時(shí)間、空間的限制，并且具有不計(jì)成本反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)，國內(nèi)外很多高校都開展了各種類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

本文論述的瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際瀝青實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，涵蓋了瀝青最為基本的三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)（針入度實(shí)驗(yàn)、軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、延度實(shí)驗(yàn)），通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以較為直觀地學(xué)習(xí)瀝青性能測試方法，理解瀝青的高溫性能、低溫性能、黏彈性能和延展性能，具有很好的學(xué)習(xí)效果。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

1.實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)。瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果三部分。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備主要是介紹實(shí)驗(yàn)儀器的規(guī)格、用途和使用方法，講解實(shí)驗(yàn)的原理、目的、意義和步驟，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)規(guī)范濃縮成精華版的簡易規(guī)范，方便學(xué)生查閱。

實(shí)驗(yàn)操作包括演示錄像和自主實(shí)驗(yàn)兩部分。演示錄像錄制的是專業(yè)實(shí)驗(yàn)人員按規(guī)范流程操作的實(shí)驗(yàn)過程，同時(shí)配上必要的原理和步驟講解;自主實(shí)驗(yàn)部分則是利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，為學(xué)生提供虛擬的實(shí)驗(yàn)情景、儀器和材料等，學(xué)生可根據(jù)規(guī)范或自行設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行操作，自主完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為結(jié)果評價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分。結(jié)果評價(jià)不僅可以評價(jià)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)，還能根據(jù)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的表現(xiàn)來打分，以此反映學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)的掌握程度，最后將學(xué)生的自主操作和規(guī)范操作做列表對比，加深記憶;實(shí)驗(yàn)報(bào)告是依據(jù)實(shí)驗(yàn)操作過程，針對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以作為存儲數(shù)據(jù)。

2.儀器模塊化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目選用Flash作為開發(fā)軟件。

瀝青實(shí)驗(yàn)需要特定的儀器，比如：針入度儀、軟化點(diǎn)儀、測力延度儀等，為了讓學(xué)生準(zhǔn)確地認(rèn)識、操作這些儀器，也為了避免在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)程序中重新編制這些儀器的圖像和功能，將這些儀器制作成固定的動畫模塊。在Flash制作過程中，可根據(jù)實(shí)際需要添加使用，非常方便簡潔。

瀝青實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間周期較長，比如瀝青加熱到150℃大概需要2h;針入度實(shí)驗(yàn)中：盛樣皿在室溫下冷卻不小于1.5h，移入25℃的恒溫水槽不小于1.5h，整個(gè)針入度實(shí)驗(yàn)，大概需要5h—6h?？紤]到真實(shí)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成虛擬實(shí)驗(yàn)的可操作性，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入“時(shí)間軸”的概念。時(shí)間軸是把一段時(shí)間以一條或多條線表達(dá)，具體就是采用一個(gè)可調(diào)整時(shí)間流速的時(shí)鐘來“操控”時(shí)間。該時(shí)鐘具有正常、2倍速、10倍速、50倍速四個(gè)檔，學(xué)生可以在加熱瀝青或試樣冷卻過程中將時(shí)間撥快，如采用50倍速，原本的2h只需要2.4min，這樣的技術(shù)并不妨礙學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以節(jié)省時(shí)間。

3.開放設(shè)計(jì)和結(jié)果控制。瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用完全開放的控制形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以隨意移動儀器、進(jìn)行任何操作。虛擬實(shí)驗(yàn)放寬了對過程的限制，卻加大對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的控制。學(xué)生雖然可以自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但其實(shí)驗(yàn)結(jié)果會隨著不同操作的影響而變化，這與真實(shí)相符，也體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價(jià)環(huán)節(jié)分為結(jié)果偏差影響、分?jǐn)?shù)評價(jià)和步驟對比。（1）結(jié)果偏差影響。瀝青實(shí)驗(yàn)受溫度、時(shí)間等因素影響很大，如瀝青加熱時(shí)間直接影響瀝青的溫度，進(jìn)而影響瀝青的性能（如：溫度太高，瀝青會老化，針入度值會減?。?瀝青在水浴中保溫時(shí)間長短等。針對這些情況，設(shè)定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差機(jī)制：如果實(shí)驗(yàn)完全按照規(guī)范進(jìn)行，將對應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值;如果學(xué)生在操作過程中，出現(xiàn)了儀器溫度設(shè)定不當(dāng)、材料加熱或冷卻時(shí)間不對等失誤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對于標(biāo)準(zhǔn)值就會上下浮動，浮動幅度由實(shí)驗(yàn)特性決定。學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異常反思自己的操作，從而進(jìn)行改正。（2）分?jǐn)?shù)評價(jià)。如何準(zhǔn)確地反饋學(xué)生操作是否得當(dāng)，最直接的方法是采用分?jǐn)?shù)來評價(jià)?；凇翱鄯址ā钡乃枷虢⒘私Y(jié)果評價(jià)模型，即用滿分100分減去操作不當(dāng)產(chǎn)生的失誤分?jǐn)?shù)，得到就是反映學(xué)生操作水平的分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)越高，操作越規(guī)范。失誤分?jǐn)?shù)來源于儀器操作不當(dāng)、實(shí)驗(yàn)步驟的缺失或順序不對、溫度設(shè)置錯(cuò)誤，以及加熱/冷卻時(shí)間超出范圍等。（3）步驟對比。為了幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后更好地回憶自己在操作過程中的失誤，用文本列出學(xué)生實(shí)際操作步驟，通過與正確實(shí)驗(yàn)步驟的對比，學(xué)生方便進(jìn)行自我糾正、復(fù)合和鞏固[4]。

4.開發(fā)流程。瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)流程如下：（1）根據(jù)瀝青實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求以及瀝青實(shí)驗(yàn)的知識點(diǎn)，寫出虛擬實(shí)驗(yàn)的操作腳本，明確學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作要完成的內(nèi)容、步驟，制定虛擬實(shí)驗(yàn)的整體方案;（2）收集實(shí)驗(yàn)材料、儀器圖像資料等，采用Flash軟件制作虛擬材料模塊、儀器模塊、虛擬動畫等;（3）對虛擬動畫進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，保證不同的操作產(chǎn)生不同的動畫效果，并能模擬因?yàn)閷W(xué)生的參與出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差，通過不斷測試和優(yōu)化，完善動畫應(yīng)用程序;（4）為每一項(xiàng)錯(cuò)誤操作設(shè)定一定的分值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，后臺自動計(jì)算實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的得分值，并自動記錄學(xué)生的操作步驟。

二、結(jié)語

同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院自2000年開設(shè)《道路工程材料》課程以來，一直秉承著實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合的原則，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)緊密結(jié)合起來。自2014年開發(fā)了瀝青虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以來，又將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。實(shí)驗(yàn)前同學(xué)們首先通過觀看演示錄像自學(xué)，了解實(shí)驗(yàn)過程;然后采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，掌握實(shí)驗(yàn)誤區(qū)，并在虛擬實(shí)驗(yàn)中得到糾正;之后在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室親自動手操作，鍛煉動手能力;最后再采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固，提高學(xué)習(xí)的效率。經(jīng)過幾批學(xué)生的實(shí)踐，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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