編者按

天津城建大學(xué)始終把本科教育放在核心地位，高度重視課程建設(shè)工作，將課程建設(shè)作為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要抓手，積極推進(jìn)“一流課程”建設(shè)，不斷更新教育理念，創(chuàng)新教學(xué)模式，著力打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的一流課程。在教育部公布的第二批國(guó)家級(jí)一流本科課程中，學(xué)校共有4門(mén)課程獲批認(rèn)定。為進(jìn)一步提升課程建設(shè)質(zhì)量，分享一流課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)校公眾號(hào)將陸續(xù)推出一流課程介紹的系列推文，讓我們一起走進(jìn)這些“金課”課堂吧！

本期金課

國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程

地下結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

一、課程簡(jiǎn)介

地下空間開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境友好型、集約化發(fā)展的重要途徑。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)以地下軌道交通、綜合管廊、地下停車(chē)場(chǎng)為主導(dǎo)的城市地下空間開(kāi)發(fā)利用呈現(xiàn)規(guī)?；焖侔l(fā)展態(tài)勢(shì)。地下工程抗震安全對(duì)韌性城市建設(shè)意義重大。地下結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)受振動(dòng)臺(tái)設(shè)備昂貴、測(cè)試費(fèi)用高、設(shè)備操作復(fù)雜等因素制約而常常無(wú)法開(kāi)展?；谝陨显颍菊n程團(tuán)隊(duì)依托實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課“地下結(jié)構(gòu)抗震原理”，根據(jù)動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的試驗(yàn)原理和方法，以操作簡(jiǎn)便、效果真實(shí)、圖像清晰為設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了一個(gè)擁有深度交互體驗(yàn)、高真實(shí)度的地下結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以此開(kāi)展地下結(jié)構(gòu)抗震仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使廣大學(xué)生及國(guó)際留學(xué)生掌握地下結(jié)構(gòu)震害規(guī)律及抗震實(shí)驗(yàn)方法，提高工程抗震設(shè)計(jì)水平、創(chuàng)新能力和防震減災(zāi)社會(huì)責(zé)任感。

二、課程負(fù)責(zé)人及團(tuán)隊(duì)情況

課程負(fù)責(zé)人劉中憲教授，于2019年度入選教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者，近年來(lái)承擔(dān)省部級(jí)教改課題2項(xiàng)、校級(jí)教改重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，建設(shè)“基礎(chǔ)工程”“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”兩門(mén)校級(jí)課程思政示范課程；編著英文教材《Seismic Design of Building Structures》，參編《土力學(xué)》教材1部；工程結(jié)構(gòu)抗震原理獲批教育部課程思政示范課程、教學(xué)名師和團(tuán)隊(duì)（排名第2）；天津市本科教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第5）、研究生教學(xué)成果獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第2）；指導(dǎo)2項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、1項(xiàng)天津市研究生創(chuàng)新項(xiàng)目；近五年主持省部級(jí)以上縱向項(xiàng)目9項(xiàng)（其中國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)、天津市自然基金杰青項(xiàng)目1項(xiàng)），在科學(xué)出版社出版專(zhuān)著1部，在國(guó)內(nèi)外重要期刊發(fā)表論文130余篇，其中SCI檢索論文82篇。

近年來(lái)，課程團(tuán)隊(duì)承擔(dān)地下結(jié)構(gòu)抗震原理、土動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)學(xué)等課程教學(xué)近3000課時(shí)，教學(xué)效果良好，獲批市級(jí)一流課程1門(mén)、校級(jí)一流課程2門(mén)，主持或參與教改項(xiàng)目6項(xiàng)，獲省部級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng)、校級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)3項(xiàng)，發(fā)表教改論文10余篇。

三、課程建設(shè)情況

課程團(tuán)隊(duì)成員具有多年的工程抗震教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，因此開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)非常注重教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性和專(zhuān)業(yè)性。教學(xué)設(shè)計(jì)合理性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

01教學(xué)目標(biāo)明確

本實(shí)驗(yàn)以地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為核心，輔助土動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，旨在加深學(xué)生對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震、土體地震反應(yīng)規(guī)律等基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的地下結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)際操作和數(shù)據(jù)處理能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力，增加學(xué)生處理工程問(wèn)題的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

02教學(xué)內(nèi)容豐富、層次分明

本實(shí)驗(yàn)覆蓋土動(dòng)力學(xué)、地下結(jié)構(gòu)抗震原理、建筑結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)試驗(yàn)、建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等多門(mén)課程的核心知識(shí)點(diǎn)，涵蓋從土動(dòng)力特性到場(chǎng)地地震動(dòng)再到土-地下結(jié)構(gòu)相互作用等基礎(chǔ)知識(shí)和部分前沿研究成果，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排由簡(jiǎn)單到復(fù)雜層層遞進(jìn)，層次分明。

03教學(xué)方法形式多樣、教學(xué)過(guò)程循序漸進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合課堂教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)、視頻展示等多種教學(xué)方式開(kāi)展教學(xué)。通過(guò)課堂學(xué)習(xí)理論知識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)動(dòng)三軸儀、振動(dòng)臺(tái)、剪切土箱等設(shè)備，視頻展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，再通過(guò)本虛擬實(shí)驗(yàn)親身體驗(yàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，利用這種循序漸進(jìn)的教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生全面掌握土動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)、地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)以及地下結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)。

04教學(xué)評(píng)價(jià)體系完備

本實(shí)驗(yàn)可以從理論知識(shí)水平、實(shí)驗(yàn)操作技能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)學(xué)生是否熟練掌握實(shí)驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?。通過(guò)以上三方面的評(píng)價(jià)，督促學(xué)生加深對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作能力以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的能力。

四、課程特色與創(chuàng)新

本實(shí)驗(yàn)旨在利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一個(gè)交互式體驗(yàn)、高真實(shí)感的地下結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使廣大學(xué)生及國(guó)際留學(xué)生能夠通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，真正掌握地下結(jié)構(gòu)抗震理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，理解地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本原則和構(gòu)造措施。本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)方面主要存在以下特色和優(yōu)勢(shì)：

01科教融合，融入前沿科技

團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然基金等多項(xiàng)相關(guān)科研項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)融入最新科研成果，包括兩項(xiàng)天津市科技進(jìn)步獎(jiǎng)中關(guān)于復(fù)雜場(chǎng)地反應(yīng)和地下結(jié)構(gòu)抗震方面的創(chuàng)新性技術(shù)，使學(xué)生了解地下工程抗震前沿科技，如大型地下交通樞紐抗震、裝配式地下結(jié)構(gòu)防災(zāi)等。

02虛實(shí)結(jié)合，再現(xiàn)地震災(zāi)變過(guò)程

通過(guò)三維實(shí)體建模、精細(xì)化有限元分析及實(shí)際實(shí)驗(yàn)圖像、視頻等，提高地下結(jié)構(gòu)地震破壞過(guò)程模擬的真實(shí)度和學(xué)生的沉浸感。

03中英雙語(yǔ)，服務(wù)“一帶一路”

“一帶一路”沿線(xiàn)高烈度地震區(qū)域眾多，基礎(chǔ)設(shè)施面臨強(qiáng)地震風(fēng)險(xiǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持中英雙語(yǔ)，面向國(guó)內(nèi)學(xué)生、工程技術(shù)人員及廣大留學(xué)生，具有廣闊的適用范圍。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)生使用英文版本可以接觸專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的英語(yǔ)表達(dá)，培養(yǎng)工程抗震專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)應(yīng)用能力，為以后參與“一帶一路”等國(guó)際工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

五、未來(lái)建設(shè)計(jì)劃

未來(lái)5年內(nèi)，團(tuán)隊(duì)將從更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式與不斷完善數(shù)據(jù)庫(kù)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)建設(shè)與更新。主要更新內(nèi)容包括：

01

更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托，以地下結(jié)構(gòu)抗震原理課程、地下空間工程新興專(zhuān)業(yè)、土木工程一級(jí)學(xué)科為大背景，增加不同種類(lèi)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入平臺(tái)，力求創(chuàng)造出一批具有“創(chuàng)新性、實(shí)踐性、可行性和發(fā)展性”為特點(diǎn)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，體現(xiàn)出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性與探索性以及實(shí)驗(yàn)研究的延續(xù)性和發(fā)展性，初步計(jì)劃涉及多層地下車(chē)站、地鐵隧道、城市綜合管廊、山嶺隧道、越江跨海隧道等地下結(jié)構(gòu)。同時(shí)補(bǔ)充近斷層復(fù)雜場(chǎng)地條件下地下結(jié)構(gòu)抗震仿真案例。

02

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化創(chuàng)新，以培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)思考、主動(dòng)參與、勤于動(dòng)手、勇于創(chuàng)新、敢于探索的精神為目的，有計(jì)劃繼續(xù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；和國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目結(jié)合，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比賽、知識(shí)考試等多種類(lèi)教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，評(píng)比考核、提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)興趣，調(diào)動(dòng)其參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生潛能，從本質(zhì)上改變單向輸入模式的傳統(tǒng)教學(xué)及死板記憶被動(dòng)參與的狀態(tài)。

03

完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)過(guò)程包括上線(xiàn)初期-軟件系統(tǒng)技術(shù)故障-修復(fù)完善-數(shù)據(jù)內(nèi)容不完整—補(bǔ)充和調(diào)整，目前正在提高系統(tǒng)的流暢性以應(yīng)對(duì)大訪(fǎng)問(wèn)量，未來(lái)還要做好系統(tǒng)維護(hù)體系和數(shù)據(jù)持續(xù)更新及日常管理工作。在技術(shù)手段上，還需與時(shí)俱進(jìn)，借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)，創(chuàng)建穩(wěn)定的開(kāi)放運(yùn)營(yíng)環(huán)境；在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，真正做到以學(xué)生為中心，重視學(xué)生要求。