土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系探索與構(gòu)建

李彬彬，蘇明周

一、引 言

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，持續(xù)推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[2]。

西安建筑科技大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心堅持以學(xué)生為主體，全面促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，理論、實踐、創(chuàng)新全面提高，理論教學(xué)和實驗教學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)突出基礎(chǔ)、突出綜合、突出開放、突出創(chuàng)新，突出課內(nèi)課外一體教學(xué)，虛擬教學(xué)與實體教學(xué)相結(jié)合，虛擬對象與實體對象相結(jié)合，虛擬技術(shù)與現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，形成以“基礎(chǔ)—綜合—研究創(chuàng)新”為主線的等多次、立體化、開放式、虛實結(jié)合的教學(xué)體系。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)體系內(nèi)涵

虛擬實驗教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實踐性環(huán)節(jié)。西安建筑科技大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中秉承“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的理念，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，持續(xù)推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)，全面提升我校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力。

1.基本概況

西安建筑科技大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心成立于2010年6月，是在土木工程仿真實驗室（建于1982年）的基礎(chǔ)上建立的，依托于土木工程國家級實驗教學(xué)示范中心，結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室以及土木工程（一級學(xué)科）博士后流動站和土木工程一級學(xué)科博士點，“結(jié)構(gòu)工程”國家重點學(xué)科，“土木工程”國家級特色專業(yè)、陜西省特色專業(yè)，“土木工程省級”人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)等。同時作為國家級土木工程實驗教學(xué)示范中心的對外窗口，是西北地區(qū)土木工程實驗教學(xué)示范基地。

中心現(xiàn)有專職實驗教學(xué)和技術(shù)管理人員31人，其中正高職稱9人，副高職稱9人；中心人員均具有碩士學(xué)位，其中具有博士學(xué)位19人；中心主任由國家級實驗教學(xué)示范中心主任兼任，全面負(fù)責(zé)中心的日常管理，中心實行校、院兩級管理，面向全校服務(wù)。中心下設(shè)有工程結(jié)構(gòu)仿真教學(xué)室、土木工程管理仿真教學(xué)室，土木工程實驗技術(shù)仿真實驗室和智能建筑與信息技術(shù)實驗室，主要承擔(dān)土木工程及相關(guān)15個專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)任務(wù)。

中心現(xiàn)有實驗教學(xué)及科研用房430余m2，儀器設(shè)備140余臺（套），總值500余萬元，其中配有價值上千萬元的美國CSI結(jié)構(gòu)設(shè)計系列軟件SAP2000、ETABS及SAFE和SECTION BUILDER等軟件；圖形工作站主機(jī)型號DELLT7400，配置：Intel(R) Xeon(R)E5405處理器，16GB內(nèi)存，500GB硬盤，DELL液晶顯示器；數(shù)據(jù)手套 5DT Glove 14/W；位置跟蹤器 Ascension Flock of Birds；虛擬現(xiàn)實仿真軟件EON6.0等；中心還配有目前國際最先進(jìn)的混合仿真軟件OPENSEES等虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，使中心的虛擬仿真實驗教學(xué)處于國內(nèi)土木工程實驗教學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)先水平。

2.建設(shè)理念

西安建筑科技大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心將緊貼學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)實需求，全面開展“虛擬仿真實驗+校企合作實踐” 模式的實踐教學(xué)形式改革，注重能力培養(yǎng)與社會需求相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容改革[3]。要打破傳統(tǒng)實驗室的建設(shè)模式和思路，構(gòu)建大平臺、大數(shù)據(jù)、跨專業(yè)共建、多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的一體化實驗中心設(shè)計框架，通過跨專業(yè)共建與多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)互通、教學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)領(lǐng)先、人才培養(yǎng)等目的。

3.建設(shè)思路

（1）土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過提供全方位仿真性實驗提升多學(xué)科專業(yè)實驗室的服務(wù)能力，提升實驗教學(xué)的層次。著力將現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)層次分為單項性知識點實驗、課程綜合實驗、專業(yè)綜合實驗、模擬實習(xí)等遞進(jìn)層次，實現(xiàn)學(xué)生多視覺、多角度、多領(lǐng)域的掌握和學(xué)習(xí)專業(yè)知識。

（2）土木工程虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)可以為教學(xué)、科研和實踐有機(jī)結(jié)合創(chuàng)建平臺，成為產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的新形式，實現(xiàn)多學(xué)科、多專業(yè)的交叉融合與實踐。促使實驗室仿真實驗教學(xué)成為探索專業(yè)理論問題的重要手段，構(gòu)成課堂教學(xué)與實習(xí)基地對接的橋梁。

（3）全面提升土木工程虛擬仿真實驗平臺在土木工程、工程管理、工程力學(xué)、信息技術(shù)、計算機(jī)等專業(yè)領(lǐng)域的社會服務(wù)功能和開放實驗?zāi)芰?。通過模擬仿真性實驗可以為相關(guān)實體單位的從業(yè)人員提供崗前培訓(xùn)教育與在職培訓(xùn)以及信息化改革、新業(yè)務(wù)開拓提供前期實驗論證等工作，擴(kuò)大其功能效用[4]。

4.虛擬仿真實驗教學(xué)資源

虛擬教學(xué)資源設(shè)置堅持“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的建設(shè)原則，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢，加強(qiáng)學(xué)科交叉，實現(xiàn)虛擬教學(xué)資源的特色與創(chuàng)新[5]。中心現(xiàn)設(shè)有實驗項目23項，基本涵蓋土木工程并涉及工程管理、工程力學(xué)等相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)課。

圖1 土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)資源體系

模塊一：建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能仿真實驗

本實驗?zāi)K主要針對土木工程專業(yè)課程中建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁、柱、節(jié)點等）的受力性能進(jìn)行仿真。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁、柱、節(jié)點等）受力性能研究是土木工程專業(yè)的基本專業(yè)知識點，也是專業(yè)知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，具有非常重要的作用[6]。在目前的實驗教學(xué)中，由于土木工程專業(yè)教學(xué)的局限性，只能針對部分建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者部分性能進(jìn)行實驗教學(xué)，不能完全實施專業(yè)課程中的全部知識點，這也成為專業(yè)課程講授的盲區(qū)和難點[7]。

建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能仿真試驗實現(xiàn)對專業(yè)課程中的知識點進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)，更為直觀明了全面地使學(xué)生對基本專業(yè)知識的掌握和理解，同時通過本實驗?zāi)K的實驗教學(xué)，結(jié)合專業(yè)課程的教學(xué)，也方便學(xué)生對專業(yè)知識的拓展和延伸，促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

模塊二：建筑結(jié)構(gòu)受力性能仿真實驗

本實驗?zāi)K主要利用大型結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元等理論分析，實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)及超高層的受力性能、抗震性能等進(jìn)行了理論分析，使學(xué)生更為系統(tǒng)化地掌握專業(yè)的理論知識，同時也為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計、抗震研究提供了重要理論支撐。

模塊三：土木工程試驗技術(shù)仿真實驗

本實驗?zāi)K主要進(jìn)行土木工程學(xué)科的大型結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)仿真試驗，實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)與虛擬原型結(jié)構(gòu)結(jié)合的試驗方法。

主要包括空間子結(jié)構(gòu)混合仿真實驗、平面子結(jié)構(gòu)混合仿真實驗；數(shù)字化振動臺模擬試驗將數(shù)字化地震模擬振動臺試驗系統(tǒng)應(yīng)用在教學(xué)實踐中，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，降低實驗維護(hù)及耗材成本，實現(xiàn)高精尖設(shè)備的教學(xué)轉(zhuǎn)化[8]；遠(yuǎn)程協(xié)同子結(jié)構(gòu)混合仿真試驗等試驗方法，其中遠(yuǎn)程協(xié)同子結(jié)構(gòu)混合實驗已經(jīng)在我中心與新疆大學(xué)進(jìn)行了聯(lián)合試驗，圓滿實現(xiàn)了我中心遠(yuǎn)程協(xié)同控制的技術(shù)要求和目標(biāo)，促進(jìn)了試驗技術(shù)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的新發(fā)展。

模塊四：土木工程施工管理仿真實驗

本實驗?zāi)K主要是利用基于參數(shù)化的動態(tài)實時仿真過程來演示土木工程施工過程和工程建設(shè)項目管理過程，使實驗執(zhí)行者（參與者）易于融入整個施工過程和項目管理過程，通過實時調(diào)整實驗參數(shù)，實現(xiàn)對課程綜合知識的了解和掌握，實現(xiàn)基礎(chǔ)理論與過程仿真融合，為實驗執(zhí)行者（參與者）呈現(xiàn)出基于有限資源調(diào)配的實時過程管理，形成基礎(chǔ)理論、過程仿真和有限資源互相耦合的三維教學(xué)體系[9]。

模塊五：建筑與智能信息技術(shù)虛擬仿真實驗

本實驗?zāi)K主要是以建筑與信息技術(shù)的結(jié)合，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。利用虛擬實驗平臺可供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備進(jìn)行實驗；允許學(xué)生根據(jù)平臺上提供的器材自由搭建任意合理的典型實驗，或?qū)嶒灠咐〈鷥H由教師設(shè)計實驗過程的。同時根據(jù)實際工程項目的施工現(xiàn)場管理的各項要求，在“虛擬實際工作現(xiàn)場”的工程項目中鍛煉現(xiàn)場管理的綜合能力，清楚施工現(xiàn)場管理的工作流程、實施要點、國家標(biāo)準(zhǔn)等。

通過采用虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，可以突破時間、地點和設(shè)備數(shù)量的限制。學(xué)生可以在一個更“安全”的環(huán)境下做實驗，顧慮更少，自由度更大。學(xué)生在實驗過程中更容易獲得相關(guān)知識，實驗結(jié)果更容易保存。對教師和管理人員來講，實驗教學(xué)過程更容易控制，實驗教學(xué)的指導(dǎo)效率更高。

三、構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)體系的意義

1.實現(xiàn)土木工程實驗教學(xué)理念革新

虛擬仿真實驗室在建設(shè)完成之后，在新的實驗室建設(shè)理念與運(yùn)營模式下，實驗室將處于開放、非均衡狀態(tài)會不斷地與外界進(jìn)行信息、物質(zhì)的交換，從而通過不斷產(chǎn)生正反饋，改變原有依賴路徑，達(dá)到整體的不斷上升，可實現(xiàn)校內(nèi)共享、校際交流、多方聯(lián)動的大平臺[10]。如：開放的教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)，用戶將不僅僅局限于本專業(yè)或本學(xué)院的學(xué)生，而是可以在多專業(yè)、多學(xué)科、多學(xué)院之間進(jìn)行資源共享，最大化的發(fā)揮實驗室效用，成為微型社會運(yùn)作的載體；科研平臺：科研平臺的搭建可以誘發(fā)出更多的升級需求，并可引入前沿性的技術(shù)成果；社會服務(wù)：社會服務(wù)是國家與社會反賦予學(xué)校的重要職責(zé)，而通過社會服務(wù)的參與，更能使實驗室直接接受社會的檢驗，并積累起升級發(fā)展的資金。因而，在升級需求的導(dǎo)向下，借助于自我資金的積累、外部資源的支撐，引進(jìn)更新的技術(shù)與裝備，達(dá)到自我更新的目的。

2.創(chuàng)新土木工程實驗教學(xué)與人才培養(yǎng)模式

虛擬仿真實驗室在建設(shè)完成之后，在新的實驗室建設(shè)與運(yùn)營模式下，實驗室將成為一個學(xué)校為社會提供服務(wù)的窗口[11]，使其不僅僅是一個學(xué)校的大學(xué)，不僅僅是在校生實訓(xùn)的場所，而是一個社會的大學(xué)，是全社會人員可以進(jìn)行學(xué)習(xí)提升的基地。

不斷創(chuàng)新合作方式與交流，建立西部地區(qū)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心示范基地，努力成為學(xué)校與企業(yè)的紐帶與橋梁，不斷實現(xiàn)新技術(shù)、新軟件與實驗教學(xué)的緊密結(jié)合，傳承企業(yè)的先進(jìn)實踐經(jīng)驗和實際需求，努力開展各種開放性教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)高層次、工程型、復(fù)合型國際化人才[12]。

四、構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)體系的目標(biāo)

1.構(gòu)建基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，循序漸進(jìn)、全面系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)體系

（1）虛擬教學(xué)實驗項目由構(gòu)件到結(jié)構(gòu)；由上部建筑結(jié)構(gòu)到場地、地基；由設(shè)計到施工；由非智能化到智能化，整個教學(xué)體系全面、系統(tǒng)，循序漸進(jìn)，利于學(xué)生快速、系統(tǒng)的掌握。

（2）依托學(xué)科特色優(yōu)勢和地域特點，開設(shè)與土木工程及相關(guān)專業(yè)密切聯(lián)系的虛擬教學(xué)實驗項目，拓寬學(xué)生思路、激發(fā)進(jìn)行創(chuàng)新思維的動力，實現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）利用科研成果轉(zhuǎn)化具有較高水準(zhǔn)、融合多門專業(yè)課程內(nèi)容的虛擬實驗項目，形成高起點、實踐性與設(shè)計性強(qiáng)、突出綜合能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的虛擬實驗教學(xué)體系。

2.創(chuàng)新校企合作模式，打造先進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)平臺

（1）加強(qiáng)與國內(nèi)外高水平信息技術(shù)公司的合作，共建合作研發(fā)技術(shù)培訓(xùn)基地，創(chuàng)新校企合作模式，實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)的先進(jìn)性和前沿發(fā)展。

（2）實現(xiàn)新技術(shù)、新成果的即時轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)校企實驗人才團(tuán)隊建設(shè)和交流，打造多維虛擬實驗教學(xué)創(chuàng)新平臺。

3.創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學(xué)培養(yǎng)模式和發(fā)揮區(qū)域引領(lǐng)示范作用

（1）積極開展多級科研訓(xùn)練項目資助計劃，引導(dǎo)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)和實踐，多方位培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（2）立足西部，深挖潛力，不斷增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，推出高水平的虛擬實驗教學(xué)與科研成果，發(fā)揮特色，實現(xiàn)在土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)與改革領(lǐng)域的示范作用。

五、結(jié) 論

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建服務(wù)更多的對象，更豐富的教學(xué)資源來源，更廣、更多層次人才的提供。在使用對象方面，開放型實驗室的使用對象將從單一專業(yè)學(xué)生，擴(kuò)大為多專業(yè)，如：工程管理專業(yè)、信息技術(shù)專業(yè)、土木工程專業(yè)、計算機(jī)專業(yè)等等，從本校使用擴(kuò)大到兄弟院校、企業(yè)人員等等；在教學(xué)資源配備方面，也突破了原有實驗室僅依靠教師的單一資源，而是整合了更多、更新的行業(yè)資源、學(xué)術(shù)資源等；最后，在人才培養(yǎng)方面，也覆蓋了操作層、管理層、戰(zhàn)略層在內(nèi)的多方位人才輸出模式。

總之，探索土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)，深化實驗教學(xué)體系改革，對于提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)和建設(shè)創(chuàng)新型國家具有重要的作用和現(xiàn)實意義。同時不斷發(fā)揮窗口作用，引領(lǐng)在西部地區(qū)土木工程領(lǐng)域的輻射示范作用，創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學(xué)新理念，開拓虛擬仿真實驗教學(xué)的三維立體教學(xué)思路，實現(xiàn)中心虛擬仿真實驗的新發(fā)展，為實驗教學(xué)的發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

[1] 中華人民共和國教育部. 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL]. (2012-10-01)[2014-12-19].

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