應用型本科院校虛擬仿真實驗教學體系構建的探索

劉培玲

[摘 要]隨著我國建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展，不斷增加對土建類人才的需求。應用型本科院校的土木工程專業(yè)作為培養(yǎng)土建類人才的專業(yè)機構，在此種發(fā)展趨勢下逐漸的擴大辦學規(guī)模，而由于該專業(yè)的實踐性非常強，單純理論講解并不能獲得預期的教學效果，必須要依托仿真技術、網絡技術等建立虛擬仿真實驗教學體系，培養(yǎng)出符合社會需求的土建類人才。基于此，本文重點分析了應用型本科院校土木類虛擬仿真實驗教學體系構建的方法。

[關鍵詞]應用型本科院校；虛擬仿真實驗教學體系；構建方法

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0018-03

實驗教學是高校土木類專業(yè)教學中的重要組成部分，具有培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、提升學生創(chuàng)新能力的重要作用。隨著國家不斷增加對應用型本科人才的需求，對人才培養(yǎng)也提出了新的實驗教學要求。但從目前情況來看，因資金投入、配置等方面的不足，限制了實驗教學的開展，再加上部分實驗項目并不適合開展實體教學，因此，為滿足國家對人才的需求，各高校開始積極建設虛擬仿真試驗平臺，以期能良好的開展實驗教學，提升實驗教學效果。

一、國家級土木工程虛擬仿真實驗中心的建設思路

基于國家不斷的加大對應用型本科人才培養(yǎng)的重視程度，東南大學、同濟大學等5所高校先后建立起了國家級土木工程虛擬仿真實驗中心，用于實驗教學。本節(jié)分析了國家級土木工程虛擬仿真實驗中心的建設思路，以期為應用型本科院校建立土木類虛擬仿真實驗中心提供參考。

（一）統(tǒng)籌規(guī)劃

國家級土木工程虛擬仿真實驗中心建設之初，對學校、學科、地域及專業(yè)分布做出了充分考慮，同時，以全國高校實驗室工作研究會等相關機構為依托，統(tǒng)籌規(guī)劃，完成頂層設計，并將相應的技術標準制訂出來，集中各種可利用的實驗教學資源，完成虛擬仿真實驗中心的構建工作。

（二）資源共享

無法共享優(yōu)質資源的情況下，重復建設問題必然會出現，造成資源的嚴重浪費。2010年時，全面啟動“全國高校優(yōu)質資源共享系統(tǒng)（CERS）”，現已經完成一期項目，正在建設二期項目，CERS共享了實體大型儀器設備，東南大學等高校在建設國家級土木工程虛擬仿真實驗中心時，通過虛擬現實等科學技術，于虛擬仿真實驗教學平臺中共享其優(yōu)質資源，供本校及其他學校的實驗教學用，此種建設方法不僅促進資源使用率提高，更是提供了優(yōu)越的創(chuàng)新性實驗技術人才培養(yǎng)條件[1]。

（三）虛實結合

虛擬仿真實驗平臺基礎上，現實中無法完成的或不可逆的實驗操作均能仿真出來，解決單純講解無法觀看實驗現象、語言難以描述實驗過程的難題，確保實驗教學能夠順利的開展，并達到理想的實驗教學效果。國家級土木工程虛擬實驗中心建設過程中，一直堅持虛實結合的思想，即以真實的實體實驗作為仿真實驗中的數據來源，以此來保證仿真實驗的準確性，同時，能夠實體開展的實驗堅決不采取虛擬仿真，便于學生理解及掌握實驗中的土木工程知識。

二、應用型本科土建類虛擬仿真實驗教學體系的構建

（一）建設目標

應用型本科院校建設土建類虛擬仿真實驗教學體系時，首先要注重本校優(yōu)良校風的傳承，以現代人才培養(yǎng)、國際高等教育發(fā)展的客觀規(guī)律為指導，與時代需求及學校特色相結合，堅持積極合作企業(yè)，注重培養(yǎng)學生的實踐能力及創(chuàng)新精神，秉持“虛實結合、能實不虛、互相補充”的原則，將教學理念定位于“立足教學、教研融合、面向工程、開放共享”，爭取全面的突破及創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學建設工作，構建多位一體的實驗教學體系，培養(yǎng)出與社會需求相適應的土建類人才，并促使院校自身成為地方性的，乃至全國性的實驗教學示范基地[2]。

（二）建設思路

1.虛擬仿真實驗平臺具備立體化、多層次的特點

建設過程中，要以國家級土木工程虛擬實驗中心為依托，形成理論認知有機結合動手實踐的實驗環(huán)境，促進實驗教學效果的全面提升，并使學生視野更加開闊，提高學生的創(chuàng)新能力。土建類實驗項目數量眾多，難度、涵蓋知識點等各不相同，虛擬仿真實驗平臺要能跨越不同難度，覆蓋不同知識，體現不同實現方式。

2.注重科研項目向教學內容的轉化

我國現階段具備的與土建類實驗教學相關的科研基地有一大批，如國家預應力工程技術研究中心、城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室、玄武巖纖維生產及應用技術國家地方聯合工程研究中心等，應用型本科院校應以這些科研基地為依托，積極的轉化科研團隊的研究項目，變?yōu)榻虒W內容，開發(fā)出虛擬結合的實驗項目，真正的實現設計融合虛擬及仿真，使學生綜合性實驗實踐的操作在虛擬仿真實驗平臺中完成[3]。

3.積極與企業(yè)建立合作關系

目前，我國土木行業(yè)具有眾多的知名企業(yè)，如中國建筑工程總公司，應用新型本科院校建設實驗中心時，還應積極與這些企業(yè)建立合作關系，轉化這些企業(yè)已經完成的各重大工程項目，變?yōu)樵囼炛行牡奶摂M仿真實驗項目，讓學生參與、體驗，逐步的認識工程實踐的重要作用，奠定日后工作的良好基礎。

4.利用校內現有實踐教學基地

虛擬仿真實驗中心建設過程中，還要注重建設師資隊伍及管理體系，教師團隊中應納入國家級教學名師、企業(yè)優(yōu)秀員工，通過二者的相互配合，共同指導實驗教學的順利進行，同時，校內教師還要密切配合企業(yè)人員，于實踐教學中運用虛擬仿真結果，促進教學效果的提升[4]。另外，在管理運行方面，建成的機制具有時間、內容、空間“三維”開放的特點，即使學生的專業(yè)、水平、個性不同，需求也能夠得到有效的滿足。

5.充分利用網絡化基礎

虛擬仿真實驗中心建立后，土木工程專業(yè)學生能夠選擇的實驗項目數量及類型均增多，資源共享，使專業(yè)實驗存在的限制被打破，更有利于學生形成良好的創(chuàng)新能力。設置課程時，遵照層次化、系列化及模塊化的原則，增強實驗體系的連貫性，促進學生專業(yè)視野的進一步拓寬。虛擬仿真實驗中心讓課堂成為實驗室、課外成為施工現場，讓學生更為準確、深入的理解學科知識，并增強學生的實踐能力。

（三）建設內容

虛擬仿真實驗教學體系建設中，教學理念應秉持“立足教學、教研融合、面向工程、開放共享”，通過虛擬與現實的結合，于實驗教學中融入已有的科研成果，以已經完成的重大工程項目作為實驗教學的具體內容，促進學生創(chuàng)新能力及實踐能力的不斷提升[5]。土建類實驗中心除了包含土木工程專業(yè)的知識外，還包含其他相關專業(yè)的知識，如建筑專業(yè)，以提升教學體系的綜合性。從形成的教學體系來看，其突出特點為模塊化，見圖1，共包含5大模塊。

模塊1：建筑結構構件受力性能仿真實驗

該模塊主要仿真梁、柱等建筑結構構件的受力性能，土木工程專業(yè)基本的專業(yè)知識點均包含在此模塊中，意義重大。目前，土木工程開展實驗教學時，受到專業(yè)教學局限性的影響，實驗教學內容僅包含部分構件或部分性能，導致無法將所有知識點囊括到實驗教學中，使專業(yè)課教學存在盲區(qū)及難點。虛擬仿真實驗平臺建立后，該模塊的虛擬仿真建筑結構構件受力性能實驗，有利于學生對專業(yè)知識點進行直觀的了解，并可拓展、延伸學生掌握的專業(yè)知識范圍，為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎。

模塊2：建筑結構受力性能仿真實驗

該模塊中，分析結構有限元等理論時，在大型結構分析設計軟件的輔助下進行，實現了從理論角度分析建筑結構受力性能、抗震性能，尤其是復雜結構、超高層結構等，有助于學生對專業(yè)理論知識系統(tǒng)的掌握，并在理論上有力的支撐了建筑結構的受力設計及抗震設計。

模塊3：土木工程試驗技術仿真試驗

仿真實驗項目主要為大型結構的子結構，使實驗教學實現大型結構子結構結合虛擬原型結構。該模塊的仿真實驗主要包含兩種，一種為空間子結構混合仿真實驗，一種為平面子結構混合仿真實驗。數字化振動臺模擬實驗中，應用數字化地震模擬振動臺實驗系統(tǒng)，促進教學質量的有效提升，使實驗維護及耗材成本降低；實驗教學中還采用遠程協同的方法，與其他大學聯合開展子結構混合仿真實驗，為土建類遠程網絡實驗教學的發(fā)展發(fā)揮良好的促進作用。

模塊4：土木工程施工管理仿真實驗

該模塊在參數化的基礎上，通過動態(tài)實時仿真過程，將土木工程施工過程、工程建設項目管理過程直觀的演示出來，有利于學生融入整個施工過程及項目管理過程，同時，可對實驗參數適時調整，促使學生了解、掌握課程的綜合知識，實現基礎理論融合過程仿真，并基于有限資源調配，為學生實時的展示出過程管理，使三維教學體系有效的建立，并將基礎理論、過程仿真及有限資源相互耦合，促進學生施工能力及項目管理能力的提高。

模塊5：建筑與智能信息技術虛擬仿真實驗

該仿真實驗模塊有效的結合了建筑與信息技術，并依托多項技術，如虛擬現實技術、人機交互技術、多媒體技術等，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境及實驗對象，學生各項實驗操作的開展在虛擬環(huán)境中進行，既能保證教學效果達到教學大綱的要求，還能保證與土木工程的發(fā)展趨勢相契合。虛擬仿真實驗平臺實驗過程中，實驗設備的配置、連接、調節(jié)、操作均需要學生親自動手；學生可以自由的搭建平臺中所提供的各種器材，典型試驗或實驗案例具備合理性即可，實現實驗過程由學生組織設計，促使學生真正的成為教學主體。同時，利用“虛擬實際工作現場”，結合實際工程項目管理施工現場的具體要求，讓學生開展施工現場管理工作，使學生的管理能力及綜合能力得到鍛煉，進而提升學生的綜合能力，獲得預期的教學效果。

（四）教學實施及效果

實驗教學開展過程中，先由教師根據教學內容確定引入的實驗項目，之后由學生利用虛擬仿真實驗平臺，親自參與到整個工程項目的實施過程，親身體會、感知相應的專業(yè)知識內容，完成整個實驗教學。

虛擬仿真實驗中心應用于土建類專業(yè)實際實驗教學中后，取得以下幾方面的效果[6]：

第一，豐富了實驗教學資源。除常規(guī)實驗外，面向的專業(yè)還包含工程管理、工程造價等，建設后有利于促進教學資源更為豐富。同時，虛擬仿真實驗平臺還可以共享相應的資源，如各學院的資源、各學科的資源，使平臺效應最大化的發(fā)揮，增強教學質量。基于虛擬仿真實驗平臺開展土木工程實驗教學，實現了真實教學中無法開展的實驗教學，能夠提升專業(yè)實踐教學學時所占據的比例，并培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力，促進學生研發(fā)出創(chuàng)新性的技術成果，轉化為新的教學資源，促進教學效果不斷提升。

第二，完善了實驗教學體系。實驗平臺構建時利用虛擬仿真技術，專業(yè)課程群內，除原有的實體實驗項目外，新增各種虛擬仿真實驗項目，而且新增的虛擬仿真實驗項目多是來源于實際的典型的土木工程建設項目，有效的再現實驗的基本原理，提升實驗的可操作性，增強實驗項目與理論教學內容的契合性，且虛擬實驗與真實實驗之間能夠良好的互補，促進整體教學效果的提高，并逐步的提高學生的動手操作能力及綜合能力。

第三，提升了學生信息化能力。在虛擬仿真實驗中心輔助下，學生更加直觀的了解、認識了常用的PKPM、REVIT、BIM5D等教學軟件，并且實驗教學中學生要親自動手操作這些軟件，有利于顯著提升學生運用這些軟件的能力，進而增強實踐能力、創(chuàng)新能力，提高信息化技術的運用能力，使學生與當前的社會對土木工程人才的要求相適應，利于學生畢業(yè)后的就業(yè)。

第四，增強了創(chuàng)新實踐能力。應用型本科院校建設虛擬仿真實驗中心后，更加注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，利用實驗平臺，創(chuàng)建一些創(chuàng)新訓練項目，鼓勵學生積極的參與，讓學生在實踐過程中逐漸的提升自己的創(chuàng)新意識及能力。

第五，提升了專業(yè)建設水平。虛擬仿真實驗中心建成并投入實踐，其根本目的是提升土木工程專業(yè)及相關專業(yè)的教學質量，并培養(yǎng)出優(yōu)秀的工程師。同時，也無形中提升了教師隊伍的專業(yè)性建設水平，增加了國家級教師及省級教師的數量，壯大了師資力量，為土木工程專業(yè)教學的良好開展奠定扎實的基礎，有利于教學目標的實現。

綜上所述，應用型本科院校作為培養(yǎng)社會需求的應用型人才的主要載體，在開展實驗教學過程中，應充分依托國家級土木工程虛擬仿真實驗中心，結合本校教學特色、地區(qū)人才需求等，搭建土木類虛擬仿真實驗中心，以能有效的開展實驗教學，促進學生實踐能力及創(chuàng)新能力的提升，充分符合國家對人才的要求，實現畢業(yè)后良好的就業(yè)。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規(guī)劃思路與進展[J].實驗技術與管理，2014（10）：5-9.

[2] 崔振波.試論如何構建生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系[J].教育現代化，2017（19）：69-70.

[3] 李彬彬，蘇明周.土木工程虛擬仿真實驗教學體系探索與構建[J].西安建筑科技大學學報（社會科學版），2015，（2）：96-100.

[4] 劉來玉，陳晨，董焱，等.虛擬仿真實驗教學助推雙創(chuàng)教育的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2017（12）：128-131.

[5] 張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013（12）：101-104.

[6] 蘇旭霞，劉素楠，管立新.開展虛擬仿真實驗，促進實驗教學改革[J].科技廣場，2015（3）：252-254.

[責任編輯 鐘 嵐]