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国家级虚拟仿真实验教学一流课程《多种环境下混凝土材料性能虚拟仿真实验》
来源: 发布时间:2021-01-06  发布人:高东开

课程类型:实验课

课程性质:选修

面向专业:土木工程专业、材料科学与工程专业

学时:8

学分:0.5

一、课程负责人及团队成员简介

1. 课程负责人简介

张鹏,男,1981年11月生,教授、国家优青、德国“洪堡学者”、山东省优青、山东省优秀青年创新团队带头人,ayx爱游戏官网土木工程学院副院长,工学博士。

主要研究方向为混凝土结构耐久性、先进水泥基材料等。是国家“111”学科创新引智基地、山东省优秀科研创新团队、青岛市优秀创新团队核心成员。主持国家基金3项、基金委-山东联合基金1项(合作单位负责人)、山东省优青1项;参与国家基金重点项目、山东省重大专项等。

主讲本科生课程包括土木工程材料、专业外语、计算机在材料科学与工程中的应用;研究生课程包括工程材料耐久性、材料分析与现代测试技术、材料的强度与断裂力学。

承担ayx爱游戏官网名校建设工程项目1项、山东省本科教研教改重点项目1项、山东省研究生导师能力提升建设项目1项。获得第二届全国土木工程材料青年教师教课比赛一等奖、山东省教学成果一等奖和三等奖、校优秀毕业设计指导教师,是国家精品课程、国家双语示范课程和省级教学团队的骨干教师。

本虚拟仿真实验课程是《土木综合实验(含虚拟仿真)》的一个重要组成部分,该课程在国家实验教学平台——实验空间已经开放运行2年。张鹏承担该一流课程建设中的项目开发和教学实践工作,结合《土木工程材料》、《混凝土结构耐久性》等课程的需要,运用本虚拟仿真实验课程开展教学实践2轮。

2. 团队成员简介

(1)曲成平(负责顶层设计与策划),男,1963年1月出生,现为ayx爱游戏官网土木工程学院党总支书记(原任教学副院长),管理学博士,教授。中国建筑节能协会工程改造与加固分会专家,青岛市建筑产业现代化专家委员会专家,青岛市土木建筑工程学会施工专业委员会副主任委员,青岛市土木建筑学会专家委员会常务副主任委员。主要研究方向为施工技术、工程经济、工程项目管理。

主讲本科《土木工程施工》、《工程经济学》、《工程项目管理》等课程及研究生课程《工程技术研究案例分析》。

承担山东省名校建设工程项目1项、ayx爱游戏官网教改教研项目3项;主编教材1部。获青岛市科学技术进步奖一等奖1项;获山东省教学成果特等奖1项、二等奖2项;全国高等院校学生“斯维尔杯”建筑信息模型(BIM)应用技能大赛优秀指导奖1项;山东省优秀学士学位论文指导教师奖1项;第五届“挑战杯”山东省大学生创业计划竞赛三等奖优秀指导教师;ayx爱游戏官网第三届十大师德标兵。

(2)李军(负责虚拟仿真实验资源建设与平台运行),女,1966年8月生,副教授,博士,土建虚拟仿真实验中心副主任,山东省黄大年式教师团队钢结构教师团队骨干成员。从事计算力学及其工程应用、钢结构抗震等方面研究。

主讲本科《钢结构基本原理》、《钢结构设计》、及研究生课程《结构的非线性分析》等课程。国家精品课程、国家共享资源精品课程、国家视频公开课主讲教师,主编教材1部,翻译教材1部,一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛首届虚拟现实(VR)产品设计与开发大赛三等奖指导教师,山东省优秀学士学位论文指导教师,获得山东省教学成果特等奖1项,获山东省高校科研成果二等奖1项。

(3)高嵩(负责项目开发和教学实践),男,1975年7月生,副教授,博士,土木工程材料实验室主任。中国硅酸盐学会建筑固废专委会副秘书长,山东硅酸盐学会混凝土专家委员会委员,中国土木工程学会再生混凝土专业委员会委员。从事建筑材料方向研究。

主讲本科生课程包括材料科学导论、材料科学基础、土木工程材料等,研究生课程包括现代实验研究方法,海洋环境新材料等。

主持2020年山东省高等学校在线开放课程“材料科学基础”,ayx爱游戏官网本科在线数字化建设项目“材料科学基础”。作为第二负责人参与山东省研究生导师指导能力提升项目“基于OBE的材料类专业研究生培养方案与质量监控改革研究”。2018年指导学生获第十一届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛,获得二等奖,个人获得优秀指导教师称号。

获得山东省科技进步一等奖1项、二等奖1项,建材联合会科技进步一等奖1项,教育部科技进步二等奖1项,青岛市科技进步二等奖3项,山东高等学校优秀科研成果自然科学类三等奖3项。出版了著作3部,参编著作1部,参编教材2部。

(4)李晓东(负责项目开发和教学实践),男,1976年3月生,副教授,博士。青岛市安全生产监督管理局第一、二届安全生产专家组专家,青岛市人力资源社会保障局专业技术职务评审专家,青岛市应急管理专家库专家,青岛市行政复议社会和专家委员会成员-安全生产类专家,青岛市城镇老旧小区改造专家库专家。主要研究方向为建筑结构火灾行为及灾后处理、BIM技术等。

主讲本科生课程包括工程抗震、建筑结构CAD、BIM技术与应用,研究生课程包括防灾减灾工程学、结构火安全设计、水利工程BIM技术。主编教材3部,山东省科技进步二等奖1项。

(5)崔祎菲(负责项目开发和教学实践),女,1986年12月生,讲师、博士。从事绿色胶凝材料地聚合物凝胶混凝土和钢筋的粘结性能研究。对绿色胶凝材料的制备方法和性能测试有充分的工作和研究经验。

主讲本科生课程包括土木工程材料、建筑材料、专业外语、无机非金属材料学,研究生课程包括海洋混凝土耐久性、海洋环境结构构件腐蚀与防护。

 

二、课程目标

本虚拟仿真实验课程以拓展学生知识结构、启迪学生科学思维和创新意识为目标,面向土木工程专业、材料科学与工程专业以及工程管理专业、建筑学专业、城市地下空间工程专业等相关专业,在土木工程材料、混凝土结构耐久性、材料测试与分析技术、建筑结构实验、混凝土基本原理等课程中,有效运用该虚拟仿真实验课程。

强调学习与兴趣相结合,理论知识与技能操作并重。以影响混凝土材料服役性能的腐蚀、冻融及高温环境为背景,设计出含五个子实验的综合性虚拟仿真实验。将虚拟现实技术、互动多媒体技术等先进技术有效地应用于实验教学和课堂教学中,营造高度仿真的实验环境,体现基础与前沿的有机结合,以培养学生分析、解决问题能力以及科技创新能力。

三、课程特色与创新

1.实验内容新颖

混凝土材料性能可调,耐久性较高,是现代土木工程中用量最大,应用最广泛的材料。然而,在特殊环境下服役过程中,受到海水侵蚀、冻融循环及高温等作用,混凝土性能会产生劣化。这些特殊环境下的相关材料性能测定非常重要,但是这些实验或由于投入高、高端技术无法在普通试验室开展,难以让本科生广泛、深入的参与。

本虚拟仿真实验课程本着“虚实结合、能实不虚”的原则,借助虚拟现实技术高度仿真中子成像、海水侵蚀或冻融、火灾炉高温等先进的科研实验装置,虚拟再现多种环境下混凝土劣化过程,引导学生自主学习和掌握多种实验方法以及混凝土材料的劣化机理,培养学生动手操作能力、分析问题、解决问题能力以及科技创新能力,切实提高教学实效。

图1中子成像装置图 2抗海水侵蚀试验箱

图3 冻融循环试验箱及实验室内部情况 图4 高温环境下混凝土材料受压性能试验

图5 加速锈蚀试验示意图与拉力试验机

2.实验教学方案的灵活性、多样性和科学性

坚持以学生为中心,注重教与学相结合,侧重培养学生的专业兴趣,提高学生动手操作能力和创新精神。虚拟仿真实验各项教学内容之间的相互关系以及教学目的整体关系如图6所示。为学生提供多种组合方式的学习方案:1)混凝土材料水分传输+混凝土抗海水侵蚀性能,主要让学生充分理解和掌握我国沿海环境下混凝土工程的劣化基础知识及其原理;2)混凝土材料水分传输+抗冻融循环性能,主要让学生理解和掌握我国北方地区混凝土材料的冻融破坏过程及其机理;3)混凝土抗海水侵蚀性能+海水锈蚀钢筋与混凝土粘接性能,主要让学生理解和掌握由海水侵蚀引起的材料性能劣化现象;4)抗冻融循环性能(混凝土抗海水侵蚀性能)+高温环境混凝土受压性能,主要让学生理解和掌握“冰火(水火)”环境下混凝土材料的抗压强度的变化规律,具备实际耦合环境下的创新实验能力。

图6虚拟仿真教学内容之间的相互关系及教学目的的整体关系图

3.持续改进的实验评价体系

本实验课程内容已纳入土木工程专业独立开设的实验课--土木工程综合实验(含虚拟仿真)中,已制订相关教学效果评价办法,并在国家虚拟仿真实验教学课程平台和校内虚拟仿真实验教学管理平台开放运行。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制和教学绩效激励机制。

图7在国家虚拟仿真实验教学课程平台——实验空间的开放

4. 传统教学的延伸与拓展

根据本科生所学课程知识,结合科学研究,对基本知识进行了延伸与拓展;该虚拟仿真实验课程教与娱相结合,可提高学生学习兴趣;提供开放性、扩展性和兼容性的教学管理平台,允许不同校区、相关专业的学生共享使用,拓宽教学服务范围。

四、课程相关其他风采展示

图8 被认定为国家级虚拟仿真项目

图9 张鹏讲授“混凝土材料水分传输”

图10高嵩结合真实实验讲授“混凝土抗海水侵蚀性能”

图11李晓东讲授“高温环境混凝土材料受压性能”

图12崔亦菲向留学生介绍本虚拟仿真实验课程



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