实验方案设计思路

1.实验项目的必要性

建国70年来，随着我国城市化进程的快速推进，澳港澳大湾区、闽三角、长三角、环渤海经济圈等沿海区域经济发达、高楼林立。但是，由于终年受海洋环境影响，这些环太平洋地震带上的高层建筑长期面临着腐蚀、地震等多灾害耦合影响，极易产生性能劣化。

在土木工程专业本科教学中，腐蚀环境下钢筋混凝土的耐久性、结构的抗震性能是进行结构抗震设计的重要内容。但是，开展腐蚀和结构抗震性能检测实验，存在如下教学瓶颈：

（1）巨大的时空尺度

剪力墙构件尺寸大，从构件设计、制作到拟静力加载和分析通常平均耗时9个月。腐蚀更是一个长期作用下材料损耗的过程，即使是实验室加速腐蚀，也需要数月甚至数年的时间。巨大的时空尺度不仅使实体实验难以在有限课时内完成，而且高成本高消耗导致无法实现全体学生参与实验。

（2）复杂的劣化机理

剪力墙在低周往复荷载作用下抗震性能的劣化是一个复杂的过程。拟静力加载的过程伴随着裂缝的开展、应力和承载力的变化、刚度和耗能的退化等。但是，在实体实验中，结构内部损伤不易观察、应力的变化难以呈现，损伤演化的全过程无法再现。因此，不利于学生深入了解剪力墙在低周往复荷载下复杂的抗震性能劣化机理。

（3）高危的实验环境

进行腐蚀实验时，存在着腐蚀箱缺水、温度过高、压缩气体两级稳压调压保护系统失灵等风险。在拟静力实验中，剪力墙如吊装操作不当则可能导致约2吨重的构件高空砸落。构件从拟静力加载,到结束实验调运出场的全过程，都可能出现脆性破坏、倒塌等意外情况，造成人身伤害和仪器毁损。因此，本实验具有一定的危险性。 

2.实验项目的先进性

（1）坚持“终身学习”、“建构主义”、“能力本位”、“课程思政”的先进教育理念

1）终身学习的教育观：将土木工程检测评估的先进技术和近海腐蚀环境下抗震性能研究的最新科研成果转化为教学内容，使学生感受到终身学习的重要性，建立持续完善和更新知识体系、健全能力素养的意识。

2）建构主义的学习观：坚持任务驱动和问题导向，开展团队协作和交互性实验操作。通过多参数、多灾害耦合分析，主动建构高层次应用型人才知识、能力和素质体系。

3）能力本位的质量观：建构系统化专业知识，培养系统性问题分析、设计解决方案、跨学科思维判断、团队合作等综合能力。学生在仿真实验的学习中不断发掘学习潜能，发展个性，提升解决复杂工程问题的综合能力。

4）课程思政的教学观：坚持“课程承载思政，思政寓于课程”的教学观。培养防震减灾的社会责任感，以及工程职业道德和行为规范；建立环境与可持续发展的意识；培养团队合作的能力，实现思政教育润物无声。

（2）采用360度全景拍摄、三维建模等先进实验技术

本项目综合运用土木工程、材料学、信息技术科学、物理学、化学等多学科的知识，在360度全景拍摄的基础上创建了以真实近海高层建筑群和结构实验室为参照的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段，高度仿真了超声回弹、盐雾腐蚀、MTS拟静力加载等先进的实验技术，让学生如同亲临实境，感受互动。实验透过混凝土表面，展示了低周反复荷载下混凝土内部应力云的流动，展示了腐蚀过程电化学反应，将“不可视”的微观变化通过“形象展现抽象”的实验设计“放大”可视，揭示复杂的构件劣化机理。实验还仿真了大位移反常规加载情况下构件崩塌的实验现象，激发学生的创新思维。先进的实验技术扩展了实验教学深度和广度，体现了信息化时代的教学特性。

3.研发团队对项目的支撑

福建工程土木工程专业是“国家级特色专业”、“国家级综合改革试点专业”、福建省“一流专业”。本项目依托“福建工程学院土木工程国家级虚拟仿真实验教学中心”、的建设，融合沿海城市建筑业发展的需求和福建工程学院“防灾减灾省级科技团队”、“防灾减灾课程群省级教学团队”的科研成果，自主研发本虚拟仿真实验教学项目，进一步固化国家教学成果二等奖、省级教学成果特等奖以及全国工程教育认证的成果。

图77 项目建设基础 

4.实验设计思路

为实现上述目的，本实验以“工程师荔小宝开展厦门海滨高层建筑群抗震性能评估”为主线，设置如下5个模块实验内容，引导学生发现问题→分析问题→解决问题，培养高层次应用型人才7项“新工科”能力和防震减灾的职业责任感：

模块一：混凝土强度检测。原位检测各年代高层建筑剪力墙的抗压强度，完成性能初步检测，发现剪力墙性能随腐蚀年代的增加而退化。

模块二：剪力墙制作。为进一步评估抗震性能，加工制作模型比例为1:2的实验墙。

模块三：剪力墙腐蚀。将实验墙腐蚀至原墙状态。

模块四：拟静力加载。检测低周往复荷载下，不同腐蚀工况、不同尺寸参数实验墙的抗震性能，在实验中分析问题。

模块五：抗震性能评估。计算抗震性能指标，分析剪力墙抗震性能退化程度、决策加固必要性。最后，完成原墙加固，解决问题。并且，在线填写、生成实验报告。

实验内容与能力培养的对应关系如图78所示。

图78 实验设计思路与能力培养关系

教学方法创新

本实验“以学生为中心”，自主研究并实施了沉浸式、任务式、自主式、交互式、团队式、支架式、反思式“七式融合”的教学方法。体现了教学形式的先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化。

该实验的外校评价、以及对学生的调查与反馈表明：该教学方式方法激发了学生的学习兴趣、提高了学习的效率、提升了学习的能力，有利于培养学生主动学习的品质，以及发现问题、分析问题、解决问题和创新实践的能力。

评价体系创新

（1）综合性、形成性的评价体系

实验对预习成果、实验操作正确率、实验报告质量等进行多维度的考核。要求实验前学习核心知识，完成预习题。实验步骤完整，并在线提交实验报告，方能获得本次实验的综合成绩。实验考核对学生获得的知识、能力、素质进行全过程评价。重点考核学生对实验目的的把握度、实验原理的掌握度、实验方法的合理度、实验步骤的规范度，以及实验结果的正确度。形成了理论与实验相结合、过程性和终结性评价相融合的综合评价体系。

（2）纠错、反馈、反思“三位一体”的评价功能

实验操作错误时，系统将自动提示和纠错，并实时扣分、反馈当前得分。学生纠正错误后方能继续实验。实验结束，学生能够追溯回看自己的操作记录，反思错误的原因，促使学生养成科学严谨的学习态度和主动思考的学习习惯。

对传统教学的延伸与拓展

(1) 拓展了实验内容的深度、广度

该项目为学生提供了高度仿真的虚拟实验环境，解决了真实腐蚀和拟静力实验周期长、成本高、具有一定危险性、实验时空受限等问题。通过大规模变换建筑物建设时间、腐蚀参数、构件尺寸等实验参数，解决了难以重复实验和实验过程不可逆的问题。通过植入腐蚀过程电化学反应动画、低周反复荷载下混凝土内部应力云图，以及大位移非常规加载的效果展示，解决了复杂科研理论和抽象破坏机理难以形象展示的问题。将传统的实验室、固定的上课时间延伸为泛在化的网络虚拟实验室和24小时在线的“空中课堂”，延伸了实验内容和时空的深度与广度。

（2）拓展了教学方法的深度、广度

虚拟仿真实验教学项目的教学设计中，通过信息技术，让现实环境下不能实现或无法快速实现的任务驱动式、自主式、交互式、团队式、探究式等先进教学方法得以实施。如，在仿真实验中，学生分工完成多参数仿真实验，共同探索腐蚀程度和剪跨比对抗震性能的影响，在互动、互学中探究未知，从而对多腐蚀工况、多尺寸参数的构件抗震性能做出综合评估和合理的加固建议,拓展了互动教学的广度与深度。

（3） 拓展了共享与辐射的范式

该项目作为《建筑结构抗震设计》在线开放课程的课内实验，通过爱课程（中国大学MOOC）、学银在线等平台与全国高校师生共享，为整体提升土木类专业人才培养提供了丰富的资源。实验通过国家虚拟仿真实验教学项目共享平台面向社会开放运行，为土木工程师的行业培训提供了平台，也辐射带动了检测与加固行业的发展。