實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

近年來極端天氣頻發(fā)，滑坡堰塞險(xiǎn)情不斷出現(xiàn)?？茖W(xué)地分析堰塞險(xiǎn)情是我國(guó)《十三五規(guī)劃綱要》“提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力”的要求?；趯?shí)際工程數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，突破傳統(tǒng)教學(xué)局限性，通過重現(xiàn)堰塞災(zāi)害，依托虛擬場(chǎng)景與仿真的實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)、掌握堰塞體失穩(wěn)機(jī)理、穩(wěn)定要素、實(shí)驗(yàn)方法、穩(wěn)定計(jì)算與分析，利用“雙主式”教學(xué)，夯實(shí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)，鼓勵(lì)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)，從而強(qiáng)化學(xué)生社會(huì)責(zé)任感，培養(yǎng)卓越的土木創(chuàng)新人才。

設(shè)計(jì)原則

借助虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將晦澀的專業(yè)名詞定義用學(xué)生更易接受的形式（圖片、動(dòng)畫等）生動(dòng)的展現(xiàn)給他們，通過虛擬世界對(duì)堰塞體的探索、測(cè)試、分析，形成自己對(duì)堰塞體穩(wěn)定性判斷結(jié)論，加深學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)的理解；此外，本項(xiàng)目可保證500人在線開展全過程的虛擬實(shí)驗(yàn)操作，能最大程度為學(xué)生創(chuàng)造動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)。同時(shí)，設(shè)置學(xué)生在線討論模塊，供學(xué)生以設(shè)計(jì)者、科研工作者及施工方等不同角色進(jìn)行研討。

教學(xué)方法采用教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的“雙主式”教學(xué)，采用理論結(jié)合案例的教學(xué)方式，在學(xué)生主體的環(huán)節(jié)教師進(jìn)行引導(dǎo)與評(píng)判，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探索、自主創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行生生互動(dòng)、研討、相互評(píng)判，同時(shí)教師也對(duì)于學(xué)生的疑問實(shí)時(shí)反饋、解答，做到師生間的互通有無；在教師引導(dǎo)之余，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考、拓展創(chuàng)新，利用教師豐富的經(jīng)驗(yàn)拓展學(xué)生的知識(shí)廣度與創(chuàng)新深度；設(shè)置評(píng)教環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考與科研探討，引導(dǎo)學(xué)生提前進(jìn)入創(chuàng)新科研思維，參與到設(shè)計(jì)中來，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。

（1）依托優(yōu)勢(shì)學(xué)科平臺(tái)構(gòu)建堰塞體分析與評(píng)價(jià)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。河海大學(xué)土木學(xué)科為國(guó)家學(xué)科評(píng)估A類學(xué)科，其下的二級(jí)學(xué)科巖土工程學(xué)科是我國(guó)最早的國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科。依托“巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，共建共享的水利工程國(guó)家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心和力學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示范中心等河海大學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科平臺(tái)資源，科教融合，在前期準(zhǔn)備和建設(shè)開發(fā)過程中，取得發(fā)明專利、軟件著作權(quán)等多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和多項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

（2）基于虛擬仿真技術(shù)開展堰塞體穩(wěn)定測(cè)試與評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。借助虛擬仿真技術(shù)，通過較為真實(shí)的實(shí)地場(chǎng)景還原，綜合因素耦合設(shè)計(jì)，使學(xué)生全過程了解堰塞體的介質(zhì)特點(diǎn)、穩(wěn)定性控制因素、滲流與變形測(cè)試技術(shù)，在此基礎(chǔ)上形成對(duì)堰塞體穩(wěn)定性的判斷，幫助學(xué)生全面學(xué)習(xí)，令學(xué)生一條龍熟悉堰塞體的工程分析與安全評(píng)估技術(shù)，加深巖土工程專業(yè)知識(shí)的掌握深度，加強(qiáng)了學(xué)生在工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的拓展。

（3）促進(jìn)土木學(xué)科專業(yè)交叉融合，培養(yǎng)新工科背景下的學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)土力學(xué)、水力學(xué)、測(cè)量學(xué)等課程的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了巖土工程、地質(zhì)工程及水利工程等學(xué)科的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生“土木+”、“水利+”等綜合素質(zhì)。能夠讓學(xué)生盡快適應(yīng)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革以及新經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展對(duì)土建水利類工程師提出的新要求和挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/b>

（1）重現(xiàn)危險(xiǎn)災(zāi)害，立足災(zāi)害預(yù)防，目標(biāo)轉(zhuǎn)災(zāi)為寶

堰塞體是巖土工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害，通常由斜坡或邊坡上的巖土體因地震、降雨等原因引發(fā)山崩、滑坡，截?cái)嗌焦刃纬?。隨著工程理論與技術(shù)的提高，基于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，是否可以利用堰塞體作為土石壩，是近年來全球的土木工程師一直關(guān)注的熱點(diǎn)問題，在此方面，我國(guó)一直走在世界前列。九寨溝、天山天池等人文風(fēng)景，紅石巖水電站等工程利用都是堰塞體由廢轉(zhuǎn)寶的典型。但是，堰塞體材料在時(shí)空分布上存在一定隨機(jī)性，大多是非穩(wěn)定的，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，已破壞或處置的堰塞體也無法再現(xiàn)。學(xué)生在校內(nèi)學(xué)習(xí)和校外實(shí)習(xí)過程中無法經(jīng)歷堰塞體的形成、變形、裂隙發(fā)展與潰決全過程。因此，本項(xiàng)目將堰塞體工程測(cè)試分析與室內(nèi)虛擬仿真操作相結(jié)合，通過“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真+災(zāi)害預(yù)防”，使學(xué)生能夠借助虛擬仿真手段去體驗(yàn)堰塞體的測(cè)試、分析過程，以便學(xué)生在后續(xù)的研究與工作中合理處置堰塞險(xiǎn)情，減少次生災(zāi)害或者對(duì)堰塞體進(jìn)行合理利用。

（2）突破傳統(tǒng)教學(xué)，培養(yǎng)卓越的土木工程師人才

為培養(yǎng)優(yōu)秀的堰塞體及重?；路€(wěn)定安全評(píng)估領(lǐng)域的相關(guān)土木工程從業(yè)者，需要安排其完成有關(guān)實(shí)踐認(rèn)知與操作，以對(duì)堰塞體的性質(zhì)和穩(wěn)定性測(cè)試與評(píng)估方法有充分了解。然而在以往的教學(xué)過程中，由于堰塞體工程環(huán)境的危險(xiǎn)性和交通不便利性，多以課堂概念傳授為主，很難如其他教學(xué)內(nèi)容一樣，輔以具有經(jīng)驗(yàn)的從業(yè)者帶領(lǐng)觀摩、實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體工程。從而使得教學(xué)相關(guān)培養(yǎng)過程存在如下較大不足：

局限性：傳統(tǒng)教學(xué)、僅能在特定的室內(nèi)課堂環(huán)境下進(jìn)行理論學(xué)習(xí)或通過觀看視頻進(jìn)行感官認(rèn)知，而無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，對(duì)滿足相關(guān)課程的重要實(shí)踐屬性需求具有明顯局限。

片面性：課堂平面教學(xué)環(huán)境下，對(duì)堰塞壩安全評(píng)估受降雨量、堰塞庫(kù)水位、堰塞體組成差異等動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)影響很難表達(dá)，僅靠課堂講解甚至是固定環(huán)境的實(shí)景觀摩，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜變化條件下相關(guān)工程問題測(cè)試和分析的有效理解和合理處置。

主觀性：堰塞壩安全評(píng)估影響因素眾多，如僅從文案教學(xué)視角，相關(guān)評(píng)估結(jié)論受相關(guān)從業(yè)者的主觀因素影響較大，易造成受培訓(xùn)的學(xué)生所接受信息存在片面性。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，就是為克服上述傳統(tǒng)教學(xué)不足，借助虛擬仿真技術(shù)，在保證學(xué)習(xí)者安全，且又具有較為真實(shí)環(huán)境下，讓學(xué)習(xí)者充分感知不同地質(zhì)環(huán)境、天氣條件、時(shí)空演變的動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)山體滑坡形成堰塞體穩(wěn)定性的影響，并通過開展相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)其對(duì)堰塞體穩(wěn)定性做出較為合理的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

（3）育教融合，立德樹人，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任感、使命感

為了更好實(shí)現(xiàn)“專業(yè)課程”向“課程思政”教育模式的轉(zhuǎn)變，在教學(xué)軟件中特別設(shè)置了知識(shí)角模塊，模塊提供了豐富的滑坡堰塞案例，如舟曲堰塞湖應(yīng)急救災(zāi)、永嘉堰塞湖潰決成功搶險(xiǎn)等，能夠顯著提高學(xué)生防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)，增強(qiáng)當(dāng)代工程師厚重的使命感。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)能夠讓學(xué)生在安全且具有一定感知性的環(huán)境下，全面地了解滑坡堰塞體成因、發(fā)展歷程以及可能造成的重大災(zāi)害，在對(duì)巖土參數(shù)有更加直觀的理解的同時(shí)，提高學(xué)生操作相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)儀器、量測(cè)數(shù)據(jù)的熟練度，加強(qiáng)突發(fā)情況臨場(chǎng)處置判斷能力，固化學(xué)習(xí)者的工程責(zé)任意識(shí)和倫理認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)習(xí)者形成正確的工程觀。

（4）夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，適當(dāng)拔高，鼓勵(lì)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，融合土力學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖土工程測(cè)試、測(cè)量學(xué)、工程地質(zhì)等的系列專業(yè)綜合知識(shí)，依托新工科對(duì)數(shù)值建模能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)巖土工程專業(yè)知識(shí)的理解；學(xué)會(huì)對(duì)理論、參數(shù)、現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性的探究，提高對(duì)巖土工程特別是堰塞體工程安全問題的分析能力，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)重大工程問題合理處置的能力，深化人才培養(yǎng)的高階性。

通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)、自主分析能力，鞏固提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，為終身學(xué)習(xí)提供平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)要求

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

土木工程、水利水電工程、地質(zhì)工程、隧道工程等相關(guān)專業(yè)三年級(jí)以上學(xué)生。

（2）基本知識(shí)和能力要求

要求預(yù)先掌握《土力學(xué)》、《土力學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《測(cè)量學(xué)》、《工程地質(zhì)》等相關(guān)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)自我查找資料、學(xué)會(huì)創(chuàng)新思維，具有一定的專業(yè)分析能力。

需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)包括：

土木工程基本常識(shí)、水利工程基本常識(shí)、地質(zhì)工程基本常識(shí)、測(cè)量學(xué)基本常識(shí)、不良地質(zhì)現(xiàn)象的判別及其防治、什么叫堰塞體、堰塞體形成機(jī)理、堰塞體次生災(zāi)害、堰塞體穩(wěn)定性常識(shí)、土石壩常識(shí)、泥石流形成與危害、洪水災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、防災(zāi)與災(zāi)害處置。

需要掌握的專業(yè)知識(shí)包括：

土力學(xué)基本知識(shí)（如土的基本物理性質(zhì)、土體變形特性、土的強(qiáng)度特性、土的滲透性質(zhì)與達(dá)西定律、土的滲透變形特性與臨界水力梯度、邊坡穩(wěn)定分析方法等）地質(zhì)工程基本知識(shí)（地形地貌、水文條件等基礎(chǔ)環(huán)境的判別，地基、斜坡等地質(zhì)條件的穩(wěn)定性分析等）、測(cè)量學(xué)基本知識(shí)（如全站儀等測(cè)量?jī)x器的熟練使用、測(cè)量數(shù)據(jù)誤差分析等）。

需要掌握的實(shí)驗(yàn)知識(shí)包括：

土的顆粒級(jí)配、土的含水率實(shí)驗(yàn)、土的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、土的壓縮實(shí)驗(yàn)、土的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、土的相對(duì)密實(shí)度實(shí)驗(yàn)、變形測(cè)量、沉降測(cè)量。