基于仿真模擬平臺的土木工程主干專業(yè)課程實踐教學改革

李楠　賈宏俊

摘要：隨著教育教學技術的發(fā)展，土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的教學內容和教學方式有待改進，為提高專業(yè)課程實踐教學效果，提出基于工程仿真模擬實踐教學平臺的高校應用型人才培養(yǎng)模式，通過對原有課程實踐教學方式、主干專業(yè)課程教學方式和教學內容進行改革，完善了實踐教學的內容設置，豐富了專業(yè)課程教學體系，收到了良好的實踐效果。

關鍵詞：土木工程；仿真模擬；專業(yè)課程；實踐教學

中圖分類號：G424-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-0170-04

一、土木工程實踐教學現狀

土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的實踐教學方式和方法已經不能滿足新形勢下的實踐教學要求，主要存在以下幾個方面的問題。

（1）實驗室建設費用高。傳統(tǒng)的實驗教學主要依賴費用高昂的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等因素的限制，致使實驗教學無法有效開展，嚴重影響教學質量。

（2）教師指導難以到位。有限的教師很難在有限的時間內細致地指導大批量的學生，教學目標難以完成，設計性和研究性實驗開展有困難。

（3）教學目標難以落實。以培養(yǎng)動手能力、設計能力和創(chuàng)新能力的應用型人才是實驗教學的主要任務，但目前學生主要根據實驗指導書進行驗證性實驗，實驗操作訓練不足，創(chuàng)新能力難以提升。

（4）實踐教學客觀條件不足。目前土木類專業(yè)實習由于受現場安全和效益指標的影響，企業(yè)很難接收大量的、長時間的實習安排，有的甚至拒絕接收導致有很多關鍵性實習變?yōu)閰⒂^，實習實踐教學質量嚴重下滑。

（5）教學周期與現場實施周期不一致。在有限的實習期內，現場實習只能接觸到有限的專業(yè)過程和工藝環(huán)節(jié)，不能涵蓋專業(yè)全部內容，導致實習實踐效果欠佳。

針對傳統(tǒng)實驗與實踐教學中存在的教學方法單一，實習實踐現場條件有限，知識學習和實驗動手操作相互分離，學生缺乏學習主動性和創(chuàng)造性等問題，許多高校提出了工程仿真模擬實驗和實踐教學平臺的解決方案[1-3]。

二、工程仿真模擬平臺的特點

工程仿真模擬實踐平臺具有透明性、資源共享性、互動操作性、用戶自主性、擴展性以及安全性等特點，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)實驗室和實習實踐方式無法比擬的，在教學、科研中的應用前景廣闊。

利用工程仿真實驗實踐平臺可以化解實驗硬件不足與實驗課時和實踐環(huán)節(jié)之間的矛盾：目前部分高校土木工程類實驗室數量及設備數量嚴重不足，與教學大綱中實驗課學時的規(guī)定存在一定的差距，利用工程仿真模擬實踐平臺，可以采用多種手段，如計算機仿真技術、工藝視頻、動畫、建筑模型及實物，彌補實驗室在硬件條件方面的不足，在滿足學生實驗課時要求的同時還能減少實驗室的經費投入，改善實踐教學效果，提高人才培養(yǎng)的水平和層次。

學生的實習受時間和環(huán)境條件的限制主要表現在：學校教學和社會實踐在時間上不能很好協調，學生不能將理論知識和生產實踐相結合，影響教學效果[4]；傳統(tǒng)教學缺少學生綜合實踐的場所，傳統(tǒng)的實驗教學手段針對一門具體的課程，而不能將有關課程有機結合；傳統(tǒng)的實習實踐環(huán)節(jié)由于受現場周期的限制，只能接觸少數工藝環(huán)節(jié)，很難從專業(yè)要求的層面進行全面深入了解[5]。仿真模擬平臺提供了一個新型的、有效的專業(yè)實踐方式，可以讓學生將所學的課程進行綜合集成實踐，從而系統(tǒng)全面地了解專業(yè)工作的全部，極大地改善實踐效果。

三、土木工程仿真模擬平臺基本架構

學校重點對土木專業(yè)仿真模擬平臺進行了開發(fā)和建設，初步建成土木工程仿真模擬軟件平臺及各功能模塊[6]。

（一）虛擬實驗系統(tǒng)平臺

虛擬實驗系統(tǒng)平臺是專門為教學量身打造的，將開發(fā)、整理的各類軟件在系統(tǒng)平臺上無縫集成，以方便學生和教師的教學實驗工作。系統(tǒng)是基于 B/S 的三層架構，為系統(tǒng)管理員、教師和學生提供不同的登錄界面和授權。平臺共有資源中心、考評中心、拓展案例和教學管理四大版塊，重點實現了資源共享、考評測驗、案例拓展和教學管理等主要功能。資源中心是各類教學資源的集成共享中心，資源中心配備完善的教學視頻、PPT課件等內容，同時還具備自主建設功能，可以根據不同專業(yè)課程教學需求增減內容；考評中心提供智能化的教學測驗，教師可依據教學內容，在后臺設定考試內容以檢驗教學成果；案例拓展主要包含與課程配套的各種仿真應用模塊，依托虛擬仿真技術交互性和趣味性，由學生操作完成任務目標，平臺與各種標準化建筑虛擬仿真教學軟件實現兼容；教學管理主要實現對教務信息和教學情況的統(tǒng)籌管理和分析，教師可掌控教學情況，實現個性化課程內容調整。

（二）土木工程模擬仿真實驗單元

（1）三維模型圖片庫，主要包括民用建筑、工業(yè)建筑、高層建筑、鋼結構等。

（2）鋼筋混凝土構件力學仿真試驗[7]，通過仿真軟件操作，實現了從構件選擇、加載、裂縫控制、數據采集、實驗報告曲線生成等全過程的模擬。

（3）施工技術教學動畫及施工工藝視頻，內容涵蓋從建筑物土方施工到主體施工各環(huán)節(jié)主要施工工藝。

（三）建筑材料模擬單元

提供水泥和混凝土的各類試驗的步驟演示，通過動畫和錄像結合，使學生掌握水泥和混凝土的試驗步驟。

（四）工程造價計價軟件單元

結合工程造價實踐教學，工程造價計價軟件能實現

工程建模、工程量計算、工程計價的教學要求，完成課程設計、畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)。主要配有圖形算量軟件和工程量清單計價軟件，這些軟件的應用可加強學生對鋼筋混凝土結構施工圖的理解，提高對新版施工標準圖集的應用能力，以及利用計算機模擬實際工作中的套價進行計價的能力。

（五）施工模擬軟件單元

該單位主要是指利用招標投標模擬軟件，模擬招標投標全過程，以實現與工程造價軟件的對接。學生能夠參與到招標投標活動中，并扮演不同的角色；施工組織設計軟件，由快速建模、施工場地布置、路徑規(guī)劃、工藝展示等主要功能模塊構成，為各種土木工程施工實驗課程提供全新教學環(huán)境，其中人機互動模式可由學生自己動手布置施工現場的各種工程構件。

（六）建筑結構模型及實物模型單元

主要包括民用建筑的基本組成模型、框架結構教學實驗大樓透明模型、鋼筋混凝土骨架單層廠房結構模型、雙跨單層工業(yè)廠房結構模型、框架-剪力墻高層建筑結構模型、民用建筑構造模型和框架結構節(jié)點類模型等。

四、土木工程主干專業(yè)課程實踐教學改革及效果

土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標是使學生能夠掌握土木工程學科的基本理論和基本知識，獲得工程師的基本訓練，具備從事土木工程的項目規(guī)劃與設計、施工與管理能力，能勝任房屋建筑工程等各類土木工程的技術與管理工作，具有扎實的理論基礎、寬廣的專業(yè)知識，較強的實踐能力和創(chuàng)新能力，具有一定國際視野，能面向未來的應用型高級專門人才，基于此，學校土木工程主干課程主要包括鋼筋混凝土結構、鋼結構、高層建筑結構、結構抗震設計、建筑施工、房屋建筑學等，這幾門課程的實踐教學效果直接影響學生專業(yè)能力的提升，為此，在原有土木工程仿真模擬實踐教學平臺的基礎上，進行了土木工程專業(yè)課程實踐教學研究與探索。

（一）教學方式改革

傳統(tǒng)的專業(yè)課程授課方式主要是教師通過傳授理論知識，使學生對這門課程有一個較為全面的認識和掌握，在完成這一階段理論學習之后，再安排一定時間的實習，以便學生對這門課程建立全方位的認識。這種教學方式使學生的理論學習與實踐鍛煉之間存在一定的滯后性，不利于學生及時消化理解。通過土木工程仿真模擬實踐教學平臺，教師可隨時安排與理論對應的工程實踐內容，以增強學生對知識的直觀理解。同時，改變了理論授課相對枯燥的現狀，適當穿插實驗技能的認知和訓練鍛煉，在豐富教師教學內容和授課方式的同時，提高了學生學習專業(yè)知識的興趣。

（二）教學內容改革

在總課時不變的基礎上，主要對土木工程主干課程理論授課內容進行了精簡，理論課課時較之以前有一定程度縮減，適當增加了實踐學時的比重，并對實踐教學內容進行了優(yōu)化，其主要目的是借助土木工程仿真模擬平臺加大對學生動手實踐能力的鍛煉與培養(yǎng)。與此同時，通過不斷探索，對平臺的內容進行了必要的豐富和分類，形成了一套更適合課程學習的實踐教學體系，如圖1。

借助原有的土木工程仿真模擬實踐教學平臺，利用仿真模擬軟件、工程圖片、建筑結構和構造模型、施工工藝視頻、施工動畫，加強對主干專業(yè)課程實踐能力的培養(yǎng)。主干課程及對應的主要內容見表1。

（三）創(chuàng)新實踐活動

土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系規(guī)劃及主干專業(yè)課程的設置原則主要圍繞學生應用能力的培養(yǎng)和提高展開，建立和應用工程仿真模擬平臺的目的也正是基于此。在實踐教學實施中，積極鼓勵學生自主使用仿真模擬平臺，自主學習專業(yè)知識及相關軟件，同時借助教師有關研究課題帶動學生實踐。指導學生積極參加相關專業(yè)技能大賽，如大學生結構設計大賽、建筑信息模型（BIM）大賽、項目管理沙盤比賽等。結構設計大賽培養(yǎng)了大學生工程設計的實踐能力。BIM技術在高校屬于新生事物，相關專業(yè)的研究剛剛起步，BIM技術應用比賽主要側重考查學生對BIM軟件技能的掌握和使用情況，包括建筑設計、綠色建筑分析、結構設計、設備設計、三維算量與清單計價、項目管理與投標等內容。工程項目管理沙盤模擬在一定程度上能夠克服學生對工程項目管理實踐環(huán)節(jié)的抽象和模糊認識，而借助基于BIM的多維虛擬工程項目管理系統(tǒng)，有效彌補了傳統(tǒng)沙盤模擬過程相對簡單，無法再現項目實際進展狀況的缺陷，

可實現對實際工程項目的任意模擬。

以上比賽的開展極大地提高了土木工程專業(yè)學生的工程應用能力。

四、結語

對學生應用能力的培養(yǎng)是高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，改進傳統(tǒng)的教學方式，優(yōu)化實踐教學內容是高等建筑教育改革的一個方向，專業(yè)課程教學任重道遠，工程仿真模擬教學平臺可以作為一個重要的發(fā)展方向，其內容還有待進一步豐富和發(fā)展，只有不斷創(chuàng)新和實踐，才能探索出一條更適合學生實踐能力培養(yǎng)的路徑，實現應用型人才培養(yǎng)的目標。

參考文獻：

[1] 陳奕柏，楊東全，韓建剛，柯才桐.地方高校土木工程專業(yè)實驗教學內容體系改革實踐[J].高等建筑教育，2013，22（1）：138-140.

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[3] 周林聰，邱建慧.土木工程專業(yè)實踐教學存在問題及對策研究[J].高等建筑教育，2014，23（4）：130-132.

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[5] 李永梅，孫國富.構建數字化土木工程結構教學平臺的研究與實踐[J].北京工業(yè)大學學報：社會科學版，2013，13（1）：78-81.

[6]李楠，賈宏俊，關彤.基于土木仿真實踐平臺的教學模型庫建設[J].科技資訊，2014，12（29）：190-190.

[7]張利.土木工程專業(yè)仿真模擬實驗教學系統(tǒng)研究[J].華北科技學院學報，2010，7（1）：107-109.

（編輯 梁遠華）