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“虚实结合，智教趣学”莞式慕课下虚拟仿真技术融入小学科学教学实验的研究与应用
——以地震对建筑物破坏的虚拟仿真为例
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一、问题发现
近年来，国家持续增加对小学科学的重视，在政策和教学资源上都给予了大力的支持，各学校的小学科学课程、硬件设施和师资力量都有所加强和提升，课程开足开齐，实验做足做齐。但小学科学仍存在着一些难实现、周期长、不可重复、破坏力强和成本高的实验，如大地的震动、植物的生长等方面的实验。面对这类型的教学内容，假如教师仍选择传统教学方式讲解内容，此课堂对于新时代的学生来说是乏味的，而且抽象的知识难以被学生吸收和消化，学生的学习兴趣难以激发。科学是多学科融合的突破点，我们要上好科学课，上好科学实验课。
二、核心解决思想
根据教育部 “基于教学改革、融合信息技术的新型教与学模式”的要求，推进东莞“品质课堂”建设，打造特色莞式慕课2.0。我们利用虚拟仿真技术解决以上问题，虚拟仿真具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）三大特点，使学生能沉浸其中学习相对应的知识，形成具有交互效能多维化的信息环境。将虚拟仿真技术用于小学科学难以实现的实验中，可以巧妙发展学生的学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，实验多学科融合，包括数学、语文、科学、艺术等。学生通过虚拟仿真实验，可以对现实生活中难以实现的实验进行设定条件、观察和对比，从而达到教学效果。此次设计的虚拟仿真实验可贯穿于课前、课中和课后，打破学习的时间和空间，极大调动学生学习科学的兴趣，激发学生对地球与宇宙科学领域的求知欲。虚拟仿真技术在莞式慕课2.0是一种不可或缺的教学方式，为东莞品质教育提质提速贡献力量。
三、实行解决方案
（一）设计系统架构
根据“能实不虚，虚实结合”的设计理念，实验系统功能开发时，一方面要在横向上实现各个分系统的功能，另一方面应在纵向上深入分析各个系统之间的内在联系；首先设计一个具有良好逻辑性的数据库总体框架结构，然后在这个总体框架结构的基础上实现各项数据支持功能。这个总体框架结构应使各功能系统能够方便地使用数据库中的各种数据和中间结果以及一些功能性服务，从而使系统真正成为一个有机整体。系统采用三层架构模型，以达到模块内的高内聚，模块间的低耦合，降低系统中层与层之间的依赖关系，使系统代码具备可复用性。通常意义上的三层架构是将整个业务应用划分为：表现层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL）。(图1显示系统设计的三层架构)。
表现层（UI）：是系统和师生之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。用户界面是基于用户与硬件而设计彼此之间交互沟通相关软件，目的在使得用户能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之交互，完成所希望借助硬件完成之工作
业务逻辑层（BLL）：在体系架构中的位置很关键，它处于数据访问层与表示层中间，起到了数据交换中承上启下的作用。
数据访问层（DAL）：就是用于专门跟数据库进行交互。执行数据的添加、删除、修改和显示等。
（二）构建云数据库
数据是一切系统运行的基础，没有数据就构不成一个完整的系统。根据多尺度的地震灾害评估计算的前提要求，本系统运用了全国地震基础资料数据库。
为了让系统运行环境更为灵活，数据的更新维护更为便捷，数据库以最简便的excel 数据库为主。全国地震基础资料数据库包括了全国省、市、县的行政边界、道路、河流、人口公里格网、建筑物公里格网、地震目录、地震断裂等数据。
（三）技术路线
1）开发环境的选择
系统采用3D仿真、Adobe Photoshop、3DMax、等开发工具。 该开发工具可以在一个统一的环境中进行设计、编码、调试和测试工作。开发语言用PHP、JavaScript、Html、CSS，PHP、JavaScript、Html、CSS语言是.net 平台下应用系统开发的语言。 界面开发采用 Microsoft 的 WPF+Ribbon，可以使界面功能有组织的存放，丰富的命令布局更容易帮助师生找到所需功能。
2）对地震烈度进行分档
地震的危险表现于山崩地裂，房倒屋塌，而人类大部分实践都要建筑物里运动，所以需要对建筑物进行地震破坏的虚拟仿真，在这之前，必须对建筑结构的地震分析。建筑结构由地震引起的振动反应称为建筑结构的地震反应，它包括地震在建筑结构中引起的内力、变形、位移、速度和加速度等。地震烈度是影响预测建筑物震害等级的一个重要因素，通常基于地震烈度的震害预测方法是按照地震烈度分区预测建筑物震害等级。此次，虚拟仿真实验将地震烈度分为以下五个档次（如表1）。
为了度量地震强度和破坏等级，提高宏观烈度的评定精度，震害等级以震害指数来衡量。震害指数是房屋震害程度的定量指标，以0.00到1.00之间的数字表示由轻到重的震害程度。参考中国地震烈度表（GB/T17742-2008），及已有学者提出的震害等级与震害指数的对应关系，震害指数的定义如表2所示。
3）样本的震害预测
已有建筑物中，由于每栋建筑物的结构参数的差异，在同一烈度下抗震能力不同。因此，在预测评估建筑物于设定地震烈度下的破坏等级时，必须考虑地震烈度和结构参数（建设年代、层数、高度、设防标准、结构类型、基础结构、使用现状等因素）的影响。根据建筑物地震作用下震害评估预测方法研究路线，在需要预评特定建筑物在特定的震级作用下的震害等级之前，需要有可借鉴、可参考建筑破坏实例样本数据库作为依据，以研究发掘不同结构形式的建筑物在地震作用下的破坏规律，进而提高评估预测结果的可靠性。为此，基于本虚拟仿真系统设计的需要，查阅大量参考文献，共收集和整理了包含汶川、广州市、海口市、三亚市等20多个城市和地区的单体样本，其中包括了预测样本和震害实例样本，样本涵盖了不同结构形式、不同建设年代、不同用途的、不同层数的、不同现状的建筑物。首先，将这些历史震害实例按照建设年代、层数、用途三大类进行归类处理，然后，通过结构易损性分析，对每类样本实例进行研究分析，确定各结构参数对抗震能力的影响程度，即权重，以及根据样本数据库的震害矩阵，计算各类建筑物平均震害指数随烈度的变化关系（图2显示为砖混结构类建筑物平均震害指数对地震烈度的变化关系、图3显示框架结构类建筑物平均震害指数对地震烈度的变化关系和图4显示为单层厂房类建筑物平均震害指数对地震烈度的变化关系），由此提高建筑物震害预测的准确性。最后，拟合数据得到了不同用途和不同层数的易损性指数随烈度变化关系图（图5显示为不同用途的建筑物易损指数随地震烈度的变化关系和图6显示为不同层数的建筑物易损指数随地震烈度的变化关系）。
由于建设年代不同，期间使用的设计规范存在差异，使得现有建筑物的现状质量存在较大差异，因此建筑年代也是影响现有建筑物抗震能力的主要因素之一。为了考察建设年代对建筑物现有质量的影响，根据样本的统计分析，得到了不建设年代下建筑物的震害矩阵。
另外，根据最常见的钢筋混凝土框架结构、砖混结构和单层厂房作为研究对象，通过相应的震害矩阵，计算各烈度作用下结构的平均震害指数，然后对地震烈度与平均震害指数之间关系进行曲线拟合，分别得到三类结构地震烈度与平均震害指数的关系。结构类型、建设年代、层数、高度等结构参数不同的建筑物，为了判别各建筑物的抗震能力差异，对在设定地震烈度下的建筑物震害等级进行评估预测，经研究选取了建筑物类比法，以确定各建筑的相似程度和差异程度，在此基础上再计算各震害指数的调整系数，最后根据上述拟合得到的平均震害指数随地震烈度变化关系，以震害调整系数进行修正，最终得到特定结构参数的建筑物在不同地震烈度下的震害指数，将震害指数再与破坏等级进行一一对应，完成建筑物破坏等级的预测。
目前常用的震害预测方法有历史震害统计法、专家评估法、半经验半理论法、结构理论计算方法等，这些方法基本上都是以建筑物的物理力学参数为基础而建立模型的。对于城市的一般建筑物，如果要采用传统的方法进行预测，则需要对建筑物的各个物理力学参数进行现场调查，那么调查的工作量将会是相当惊人的，这在实际运用中也是不现实的。因此，本平台的一般建筑物的震害预测设计利用类比预测方法对建筑物的震害进行预测，该方法是通过已有建筑物单体的震害结果预测其他类似建筑物单体的震害。（图7显示为类比预测方法流程图）
四、教学应用
虚拟仿真实验是交互式自主实验,在系统和教师的引导下,学生进行交互式的自主研究学习，学习地震知识、房屋简单结构，锻炼空间思维能力、自主设计地震烈度和建筑物结构参数，通过不同地震烈度，不同建筑物参数的反复组合，观察实验过程，对比实验结果。学生进行虚拟仿真，可观察各种建筑物在不同的地震烈度下破坏情况的仿真动画，让学生了解建筑物构造对抗震性能的影响，并能直观地观察到震害结果，感受地震对我们日常居住的建筑物带来的危害。此系统已经在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上运行。
学生实验操作步骤说明：
1、课前学习
第一步:在学校计算机课室或者家里的电子设备登录国家虚拟仿真实验教学课程共享平台http://www.ilab-x.com/details?id=2689&isView=true，学生需在系统和教师的引导下自主对地震的定义、地震产生的原因、地震的震级和震源、虚拟仿真实验的预备知识、虚拟仿真实验步骤等内容进行学习，为后续进行虚拟仿真实验打下坚实的基础（如图8）。
第二步:建筑3D模型操作练习。对系统提供建筑3D模型进行旋转、放大、缩小、漫游、观察。（图9显示建筑3D模拟操作练习）
第三步:对学生课前知识学习情况进行评价。系统会随机抽取相关地震知识的题目进行测试，并且后台会记录每位学生的学习数据。老师可以通过后台来了解学生对地震相关知识的掌握情况（如图10）。
2、课中学习
第四步：学生选择建筑物各种参数。选择建筑物的建筑年代、层数、建筑物尺寸、抗震设防标准、结构类型、房屋使用现状、基础形式等建筑参数，得到建筑参数确定的建筑物。
第五步:建筑物结构仿真。根据第四步设定的建筑物的各种参数,由系统进行建筑物结构仿真模拟，建立该建筑物的3D模型。
第六步:分析3D模型。对该建筑物的3D模型进行拖动、旋转、放大、剖切、观察、分析、记录。（图11显示分析3D模型界面）
第七步：设定地震烈度。对已经设定了建筑参数的建筑物，在5级共25档的地震烈度,设定地震烈度参数。（图12显示设定地震烈度界面）
第八步:虚拟仿真计算。由系统对建筑物进行在3-15种不同振型的地震作用下的动态模拟计算分析，得到地震对该建筑物破坏的仿真结果（图13）。
第九步：观察虚拟仿真结果。对受地震破坏后的该建筑的3D模型，进行拖动、旋转、放大、剖切、观察、分析、记录。（图14显示地震对该建筑物的破坏预测结果界面）
第十步:模拟不同的地震烈度对同一建筑的破坏情况。重复第七步、第八步、第九步，对同一建筑，变换不同的地震烈度和振型，进行重新模拟，得到不同的地震烈度对同一栋建筑破坏的仿真结果。
第十一步:不同的建筑地震破坏情况仿真。重复第八步到第十步,选择新的建筑物参数，对不同参数的建筑物进行结构仿真模拟。
第十二步:模拟更多的建筑在不同的地震烈度下的破坏。
通过以上步骤，学生可以观察不同地震烈度、不同建筑物的震后破坏情况，学生可以从不同的震害预测结果进行比较，获得相关的建筑物抗震的知识。
3、课后作业
利用虚拟仿真实验系统，我们可以对此进行课后作业设计。以学生自己的房子在不同地震烈度下的破坏情况为问题导向，提高学生完成作业的积极性。学生与父母一起收集自己居住的房子的各种参数如建筑物的建筑年代、层数、建筑长宽抗震设防标准、结构类型、房屋使用现状等。父母与孩子通过钉钉在线编辑填写建筑物参数表格（图15），教师将收集回来的建筑物参数上传到专题云数据库，构建房屋的3D模型，学生可选择自己房屋数据对此进行虚拟仿真实验。
家庭避险小游戏。学生在父母的陪同下使用电子设备登录http://www.gxdzkpg.com/dmyx/hdyx/即可进行游戏式、闯关式的避震科普学习，通过游戏形式，爸爸妈妈与小孩子通过游戏的形式来掌握地震来临时正确是逃生知识。践行了玩中学、学中玩的教学理念。游戏以闯关形式进行设计，能马上抓住学生的注意力，并且倒计时的功能可以考察学生对应急避险知识的掌握程度。
四、结论与反思
将虚拟仿真技术应用到小学科学课堂中，不仅仅可以解决一些难实现、周期长、不可重复、破坏力强和成本高的实验，还可以实现多学科融合，激发学生学习科学的兴趣和求知欲，科普防震减灾相关知识。同时，还培养学生对实验的探究能力，让学生更加深刻地理解并掌握科学知识和技能。但是，目前将虚拟仿真技术应用于小学课堂中还存在一些问题，建设一个虚拟仿真实验室的配套硬件成本高，配套体系的不成熟导致使用难度增大。其次，虚拟仿真教育课程体系不完善，在日常教学中使用率少。随着国家的越来越强大，对小学科学的资金投入也越来越大，我相信虚拟仿真教育的发展会越来越迅速，让更多的学校享受更优质的莞式慕课。
