一、实验教学过程与实验方法
1.实验教学过程
本教学实验在开放式虚拟仿真实验教学管理和网络共享平台上运行，包括4个实验阶段、4个实验模块+1个实验评估、9个实验环节、21个实验交互步骤，如图8所示。学生在探究和解决实际问题的过程中理解灾害现场调查过程、认知生态挡土墙创新技术、掌握挡土结构设计方法、掌握生态挡土墙结构施工要点，提升学生解决复杂工程问题的能力。学生在完成基本实验操作后，课程设计了两个方面的探究内容，包括边坡稳定性探究和不同工况探究，培养学生创新能力和探究能力。
第一阶段：实验基础与简介
本实验“实验准备”模块，通过提供实验简介、实验目的和实验流程等内容，使学生了解实验相关背景知识；通过“知识点”，学生通过对提供的实验简介、滑坡调研原理、挡墙设计原理、挡墙施工原理、课程介绍视频、实验教学引导视频的学习，初步认知，为虚拟仿真实验做准备。
第二阶段：实验操作与分析
实验通过竖铰链式挡土墙失稳破坏需抢险救灾问题调研分析、挡墙设计与计算、挡墙施工实验任务，让学生掌握相关知识点，具备相应能力；
①调研分析：培养学生掌握灾害智慧感知、地形测量、地层勘探的相关知识，达到熟练利用水准仪测量原理、无人机测量原理进行场地形测量方法；以及通过回转转进法、地形图绘制等方法实现对地层勘探；
②挡墙设计与计算：培养学生掌握竖铰链式挡土墙设计及其受力分析的知识点，达到熟练掌握竖铰链式挡土墙破坏模式、结构辨识、型式选择、砌块设计等设计方法，进一步掌握对设计的挡墙进行受力分析、荷载计算、土压力计算、抗滑力计算等力学分析计算方法；
③挡墙施工：培养学生掌握竖铰链式挡土墙施工工艺和生态护坡的知识点，达到熟练进行挡墙地基施工、垫层施工、墙体砌块铺设、插玻璃纤维棒、拉结网片、回填、压顶、坡顶面层、植被等施工工艺，提升学生解决复杂工程问题的能力。
第三阶段：实验探究
培养学生掌握竖铰链式挡土墙稳定性判断和不同工况挡墙型式设计选择的知识点，探究抗滑移稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、挡土墙连接构件正截面应力验算、整体稳定性验算的方法并进行稳定性判断，加强学生创新和探究能力。
第四阶段：实验评估
实验采用主、客观相结合的综合评价体系，包括方案流程评估和学生互评评价方式，形成自主与创新性的课程评价体系。
①方案流程评估：对整体实验流程、设计计算流程、施工流程、探究流程进行准确性和完整性地评估和打分。展示了学生实验操作步骤和实验知识点的掌握情况，通过分析流程评估、优化实验操作，可进一步加深对实验的理解和知识点的掌握。
②学生互评：分别对21个实验交互步骤进行赋分评价，并撰写文字评价。学生通过互评，可加深对实验的认知和知识的理解，提高学生对方案的赏析能力，调动学生的学习积极性。
2.实验方法
（1）实验采用调研法、模型法、比较法、推演法、观察法等实验方法（图1）
调研法：是竖铰链式挡土墙虚拟仿真实验实现的最基本的方法，是下一步的设计、计算、施工的重要依据；模型法：通过自建模型，将竖铰链式挡土墙施工流程可视化，有利于学生直观认知理解运用，解决了教学难题；观察、比较法：学生根据方案需求，选择不同数量、规格的素材，通过对不同参数调整，来优化设计方案，让学生由传统课堂的主观感受，向多角度综合考量转变，从而提高教学效果。推演法：学生在虚拟仿真实验的交互设计界面中，进行4种不同稳定性及不同工况的探究，推演自己的设计方案，探究方案抢险救灾护坡效果，培养学生的工匠精神。
（2）课程教学团队在实验指导过程中，主要运用了任务驱动式、沉浸体验式、自主探究式、理论与实践比较式等实验教学方法。
①基于任务驱动式、沉浸体验式、自主探究式实验教学方法
根据实验原理和实验背景，本项目共设置四个模块，对应四个循序渐进的实验任务。实验模块一中，对运河边坡失稳情况的模拟，通过软件动画模拟以任务驱动方式启发学生对于边坡抢险救灾的思考，促进勘察设计施工等过程的理解；实验模块二中，通过程序引导，让学生以沉浸体验式了解竖铰链式生态挡墙的设计原理及方法；实验模块三中，通过爆炸结构图深入掌握竖铰链式生态挡墙的结构，启发学生探索相关施工技术；实验模块四中，引入实验探究内容，引导学生思考不同工况条件下挡墙的设计及优化方法。
②理实结合式实验教学方法
本项目实验充分利用虚拟仿真技术的特点和优势，使学生借助人机交互技术能够迅速而正确地理解理论教学知识点和实验教学内容，从而达到实验教学目的。项目在每个实验模块根据实验需要，设置了理论知识点复习模块，对所涉及的知识点进行复习，并通过给定力学计算公式以及稳定性分析模型，预测其竖铰链式生态挡墙的力学稳定性，并将与之后实验获得的稳定性分析结果与规范进行对比，使得学生更好地巩固理论知识的学习，理论与实践相结合并进行比较，理解其在实际工程结构中的应用。在每个实验模块开始之前，对实验所涉及的仪器设备进行认知，并详细介绍每个操作步骤的过程和原理。将进行阶段性的过程考核测试，考核通过之后方能进行相关的操作。通过这种理论和实践相结合的教学方式，使学生能够更快地融合理论知识，提高综合应用知识的能力。
图1 实验教学过程示意图
二、实验步骤
1.学生交互性操作步骤，共 21 步
2.交互性步骤详细说明
大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验的登录界面如图2所示，学生登录系统后首先以动画方式介绍大运河文化公园建设与保护工程背景（图3），然后进入大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验界面（图4），通过点击相应功能菜单开展实验学习和操作。
图2 大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验登录界面
图3 大运河文化公园动画播放界面
图4 大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验界面1
本虚拟仿真实验操作过程包括3个实验阶段、4个实验模块、9个实验环节、21个实验步骤，具体操作如下。
交互步骤1:实验预习及自测
操作目的：学生在进行大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验前，了解竖铰链式生态挡墙的原理、设计及施工方法，掌握生态挡墙力学分析方法，掌握生态挡墙施工工艺及生态护坡方法。
操作过程：学生进入主界面后，依次点击左侧对话框学习本虚拟仿真实验的实验目的、实验原理，进入实验原理及知识点学习界面（图5），画面展示了整个实验的知识网络图，学生可以点击实验原理及知识点学习对话框，学习每个实验模块的相关理论知识。理论知识学习完毕后，学生将进入知识考察环节（图6），开展预习自测，检验学生对基础理论知识的掌握情况。
操作效果：通过实验操作，学生完成了竖铰链式生态挡墙相关理论知识的学习，进一步了解竖铰链式生态挡墙的原理、设计及施工方法，掌握生态挡墙力学分析方法，掌握生态挡墙施工工艺及生态护坡方法。
图5 大运河江南流域竖铰链式生态挡墙护坡工程虚拟仿真实验原理及知识点学习界面
图6 理论知识测试界面
交互步骤2:破坏点选择
操作目的：通过真实场景模拟，让学生了解岸坡在降雨条件下的状态变化，理解运河流域安全智慧监测平台的运行原理。
操作过程：学生学习大运河流域降雨场景及岸坡失稳模拟动画（图7）。然后根据提示选择坍塌点开展实验（图8），依据降雨灾变条件模拟，预警大厅屏幕显示10余个监测点，其中5~6个发出闪烁信号，学生选择闪烁点即进入下一步，选择其他未闪烁点则提示错误，提示重新进行选择。
操作效果：了解岸坡在降雨条件下的状态变化，理解运河流域安全智慧监测平台的运行原理。
图7 大运河流域降雨场景及岸坡失稳模拟
图8 大运河流域安全智慧监测平台
交互步骤3：现场地形勘测
操作目的：借助水准仪、无人机等仪器，完成现场地形勘测，掌握常用勘测仪器的原理及方法。
操作过程：场景展示现场破坏情况，学生选择第一步勘测的内容：工程测量，并选择高程测量的仪器（图9），包括水准仪、全站仪、无人机测绘仪等，选择水准仪、无人机测绘仪即正确，展示相关测量原理。测量演示步骤演示结束后（图10），学生计算得出制指定点位的高程，形成等高线图。
操作效果：掌握地形勘测的仪器及使用原理，理解地形勘测的测量步骤，理解测量结果与等高线图之间的关系。
图9 地形测量仪器选择界面
图10 测量过程模拟及计算
交互步骤4：地层勘探
操作目的：掌握地层勘探点的布置原则。
操作过程：以上一步骤生成的地形等高线图为背景（图11），用虚线设置勘探剖面，学生以专业知识为基础，选择布置3个勘探点，后台根据勘探点的位置进行评价赋分，考察学生对该知识点的掌握程度。
操作效果：理解勘探点位置选择与地形变化之间的关系，掌握地层勘探点的布置原则。
图11 地层勘探点选择
交互步骤5:钻进方法选择
操作目的：掌握地层勘探的原理及方法。
操作过程：学生学习地层钻进方法的原理，界面（图12）提供4个选项：冲击钻进、回转钻进、冲击-回转钻进、振动钻进，学生根据场地条件选择正确的钻进方法，回转钻进即为正确。选择冲击钻进即正确。学生依次点击勘探点，完成钻机勘探的操作演示（图13）。
操作效果：学生学习钻进相关知识点，通过动画学习加深现场勘探步骤与勘探方法之间的理解，掌握地层勘探的原理及方法。
图12 钻进方法选择界面
图13钻机钻探过程模拟
交互步骤6:挡墙破坏模式判断
操作目的：理解挡墙破坏过程，掌握挡墙常见破坏模式。
操作过程：学生首先学习挡墙的3种破坏模式（滑移、倾倒、倾覆）模拟动画（图14），然后给出坍塌点对应的破坏过程，让学生判断该坍塌点正确的破坏模式（图15）。
操作效果：学生在互动操作中理解挡墙破坏类型，当学生回答错误时，可以反复观看模拟动画，学习知识点，增加对挡墙破坏模式认识，为挡墙设计奠定基础。
图14 挡墙破坏过程模拟
图15 挡墙破坏模式判断
交互步骤7:挡墙型式选择
操作目的：理解不同挡墙型式的区别，掌握直挡墙的适用范围。
操作过程：学生在学习挡墙破坏模式的基础上，结合生态挡墙设计的基础理论知识，本步骤具体给出生态挡墙的剖面图，学生判断选择该工况条件下正确的挡墙型式（图16）。学生选择直挡墙或是阶梯式挡墙，对于小于3m挡墙，选择直挡墙显示正确。
操作效果：学生通过生态挡墙剖面图和相关知识点的回顾学习，进一步深化对竖铰链式生态直挡墙结构的认识，掌握直挡墙的适用范围。
图16 挡墙型式选择界面
交互步骤8:挡墙结构辨识
操作目的：掌握生态挡墙的结构组成特征。
操作过程：通过生态挡墙的结构爆炸图充分展示生态挡墙的结构组成特征（图17），学生依据基础理论知识，对应图示组成单位选择正确名称，包括混凝土基础、砌块、纤维棒、压顶4个部分，学生反复比较与操作练习，完成生态挡墙的结构辨识。
操作效果：学生在空间认识过程中进一步增进对生态挡墙结构的理解，从而掌握生态挡墙的结构组成特征。
图17 生态挡墙结构辨识模型
交互步骤9:挡墙结构设计
操作目的：理解砌块模型的三维特征，掌握生态挡墙的设计方法。
操作过程：本步骤共分为3个步骤，首先学生对砌块模型进行学习，学生可以拖动砌块进行360度旋转（图18），从各个角度认识砌块的形态特征；然后学生根据生态挡墙的设计模型（图19），开展设计计算，计算出该工况条件下（坡高2.9 m，坡长10 m）砌块和纤维棒的数量，若学生计算错误，系统将给出正确的计算过程，学生可反复试错学习；最后，学生根据基础结构剖面示意图（图20），进一步设计计算基础尺寸，若学生计算措施，系统给出正确的计算过程（采用直挡墙基础时，a、b、c、d最优尺寸宜为500 mm，300 mm，200 mm,1200 mm），学生可反复试错学习。
操作效果：学生反复操作与试错，增进对砌块模型的空间认识，掌握生态挡墙设计参数的计算方法。
图18 砌块三维空间展示界面
图19 生态挡墙设计模型
图20 生态挡墙的基础尺寸
交互步骤10:挡墙受力分析
操作目的：掌握生态挡墙的受力类型及作用方式。
操作过程：根据挡墙设计模型，通过示意图展示挡墙受力情况，让学生选择挡墙自重荷载、土体自重荷载、土压力、基地抗滑力等作用力的作用点（图21）。
操作效果：学生通过反复试错学习，掌握生态挡墙的受力类型及作用方式。
图21 生态挡墙的受力分析
交互步骤11:土压力计算
操作目的：掌握土压力计算原理及方法。
操作过程：学生在生态挡墙受力分析的基础上，具体开展土压力的计算。学生根据土压力计算示意图（图22），根据给定的计算参数，依据《建筑边坡工程技术规范》，首先计算出主动土压力系数，然后计算主动土压力（主动土压力为分布力，需要计算出关键节点的主动土压力，然后才能绘制成主动土压力分布图）；最后计算主动土压力的合力及作用点。该步骤若学生计算错误，系统将给出正确的计算过程，供学生再次学习计算。
操作效果：学生通过模型学习和反复计算，巩固练习土压力计算方法，从而掌握土压力计算原理及方法。
图22 生态挡墙土压力计算界面
交互步骤12:挡墙自重荷载计算
操作目的：理解挡墙自重荷载的计算原理，掌握挡墙自重荷载计算方法。
操作过程：该步骤是学生开展生态挡墙设计计算的重要组成部分，学生以挡墙的结构设计方案为基础，参考混凝土的容重、单个砌块的质量、纤维棒的质量（图23），开展挡墙自重荷载计算。该步骤若学生计算错误，系统将给出正确的计算过程，供学生再次学习计算。
操作效果：学生通过模型学习和反复计算，巩固练习挡墙自重荷载计算方法，从而掌握挡墙自重荷载计算方法。
图23 挡墙自重荷载计算界面
交互步骤13:基础上覆土体自重荷载计算
操作目的：理解基础上覆土体自重荷载的计算原理，掌握自重荷载计算方法。
操作过程：该步骤是学生开展生态挡墙设计计算的重要组成部分，学生以挡墙的结构设计方案为基础，参考土体的容重、基础上覆土体的面积（图24），开展基础上覆土体自重荷载计算。该步骤若学生计算错误，系统将给出正确的计算过程，供学生再次学习计算。
操作效果：学生通过模型学习和反复计算，巩固练习基础上覆土体自重荷载计算方法，从而掌握基础上覆土体自重荷载计算方法。
图24 基础上覆土体自重荷载计算界面
交互步骤14:基底抗滑力计算
操作目的：理解基底抗滑力的计算原理，掌握基底抗滑力计算方法。
操作过程：该步骤是学生开展生态挡墙设计计算的重要组成部分，学生以挡墙的结构设计方案为基础，参考基础底面与地基的摩擦系数（0.3）（图25），开展基底抗滑力计算。该步骤若学生计算错误，系统将给出正确计算过程，供学生再次学习计算。
操作效果：学生通过模型学习和反复计算，巩固练习基底抗滑力计算方法，从而掌握基底抗滑力计算方法。
图25 基础上覆土体自重荷载计算界面
交互步骤15:探究1-抗滑移稳定性
操作目的：掌握抗滑移稳定性计算方法，探究边坡支挡结构可能破坏模式。
操作过程：学生首先学习边坡支挡结构滑移过程模拟动画（图26），通过知识点学习抗滑移稳定性计算原理及方法，基于受力分析结果，计算挡土墙抗滑移稳定性系数
与一般工况条件下的安全系数1.3对比，让学生判断抗滑移稳定性是否符合要求。
操作效果：学生通过滑移破坏模拟动画学习，进一步巩固边坡支挡结构滑移破坏模式的理解，理解抗滑移稳定性系数与安全系数之间的关系。
图26 抗滑移稳定性计算模拟界面
交互步骤16:探究1-抗倾覆稳定性
操作目的：掌握抗倾覆稳定性计算原理及方法，探究边坡支挡结构可能破坏模式。
操作过程：学生首先学习边坡支挡结构倾覆过程模拟动画，通过知识点学习抗倾覆稳定性计算原理及方法，判断本次设计方案是否符合规范要求（图27）。
操作效果：学生通过倾覆破坏模拟动画学习，进一步巩固边坡支挡结构倾覆破坏模式的理解，理解抗倾覆稳定性系数与安全系数之间的关系。
图27 抗倾覆稳定性计算模拟界面
交互步骤17:探究1-正截面应力
操作目的：掌握正截面应力计算原理及方法，探究支挡结构可能破坏模式。
操作过程：学生首先学习边坡支挡结构正截面破坏过程模拟动画，通过知识点学习正截面应力计算原理及方法，判断本次设计方案是否符合规范要求（图28）。
操作效果：学生通过正截面破坏模拟动画学习，进一步巩固边坡支挡结构正截面破坏模式的理解。
图28 抗倾覆稳定性计算模拟界面
交互步骤18:探究1-整体稳定性
操作目的：掌握整体稳定性计算原理及方法，探究边坡支挡结构可能的破坏模式。
操作过程：学生首先学习边坡支挡结构整体失稳过程模拟动画，通过知识点学习边坡整体稳定性计算原理及方法，判断设计方案是否符合规范要求（图29）。
操作效果：学生通过整体失稳破坏模拟动画学习，进一步巩固边坡支挡结构整体失稳破坏模式的理解，理整体稳定性系数与安全系数之间的关系。
图29 整体稳定性计算模拟界面
交互步骤19:施工步骤选择
操作目的：掌握生态挡墙的施工工艺及步骤。
操作过程：学生根据给定的施工步骤进行工序选择（图30），正确选择某步骤后，系统动画模拟该施工步骤的具体过程（图31-32），若学生选择措施，则系统给出提示，学生重新选择。
操作效果：学生通过施工步骤选择的反复试错操作与模拟动画学习，深入理解生态挡墙的施工工艺及步骤。
图30 生态挡墙施工步骤选择
图31 生态挡墙地基施工
图32 生态挡墙安装纤维棒及砌块
交互步骤20:生态护坡植被选择
操作目的：理解生态护坡植被选择的原则。
操作过程：学习不同植物的生长属性，依据护坡植物选择原则学生选择本设计方案合适的护坡植被（图33）。
操作效果：理解生态护坡植被选择的原则，通过生态护坡效果（图34）展示培养学生生态治理理念。
图33 生态挡墙护坡植物选择
图34 生态挡墙护坡效果
交互步骤21:实验探究2-3m以上挡墙设计
操作目的：理解阶梯型挡墙的适用范围，掌握阶梯型挡墙的施工工艺。
操作过程：通过实验探究2引发学生对于不同工况下生态挡墙优化设计的思考，在给定工况条件下选择合适的优化方案（图35）；学生选择阶梯型挡墙的施工步骤（图36），选择正确通过动画演示该施工步骤，选择错误系统给出提示。
操作效果：学生探究不同工况条件下生态挡墙优化设计方法，掌握阶梯型挡墙的施工工艺。
图35 3m以上挡墙型式探究
图36 阶梯型挡墙的施工工艺