“新工科”視域下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)思路

鄧斌

摘要：為適應(yīng)“新工科”建設(shè)思想的要求，增強(qiáng)港航工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，本文分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)意義，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以從優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)、創(chuàng)新虛擬教學(xué)方法、校企合作以及管理與制度保障等方面進(jìn)行改革探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；港航工程；新工科

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）40-0265-02

引言：隨著互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的興起，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，“中國制造2025”“工業(yè)4.0”等新興工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略快速崛起，推動(dòng)了“智慧港口”、電子口岸、船舶交通管理、港口航道電子數(shù)據(jù)交換、智能船舶制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展。在工程教育領(lǐng)域，“復(fù)旦共識(shí)”與“天大行動(dòng)”提出“新工科”理念，將其作為工程教育的新理念、新模式，在教育界引起廣泛重視?！靶鹿た啤钡奶岢鍪乾F(xiàn)代工程教育發(fā)展的必然結(jié)果，在此之前，我國高等工程教育領(lǐng)域已經(jīng)開始以“新工科”理念推行工程教育教學(xué)改革，盡管關(guān)于“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵、目標(biāo)、路徑等問題仍在探索之中，但工程教育領(lǐng)域下實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新改革是無法回避的核心問題之一。

一、“新工科”視域下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)機(jī)遇

“新工科”建設(shè)思想為工程教育的創(chuàng)新發(fā)展提供了諸多思路。“天大行動(dòng)”之一——“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系”中提到“推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，建設(shè)和推廣應(yīng)用在線開放課程，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式”，同時(shí)“新工科”的關(guān)鍵任務(wù)中也提出了“面向重大工程建設(shè)需求的工程意識(shí)、工程素質(zhì)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力”，并強(qiáng)調(diào)“優(yōu)質(zhì)教育資源和教育成果共建共享”理念，對(duì)于積極推動(dòng)工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才創(chuàng)造了良好契機(jī)。著眼于“新工科”對(duì)于學(xué)生培養(yǎng)的核心，實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是重中之重。縱觀國內(nèi)工程人才的素質(zhì)培養(yǎng)，普遍反映學(xué)生解決實(shí)際問題的能力欠缺，創(chuàng)新能力不足，產(chǎn)生這個(gè)問題的重要原因是工程教育長久以來的“被動(dòng)實(shí)踐”，學(xué)生實(shí)踐的對(duì)象、方法、程序等關(guān)鍵要素都由教師制定，抹殺了學(xué)生的自主創(chuàng)造力，完全在教師規(guī)定的框架中完成任務(wù)，為應(yīng)對(duì)“新工科”的思路要求，需要把學(xué)生的“被動(dòng)實(shí)踐”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)實(shí)踐”，即盡可能讓學(xué)生作為主體，真正參與實(shí)踐活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展為專業(yè)課程教學(xué)與實(shí)踐的優(yōu)化提供了必要條件，工程實(shí)踐教學(xué)需要同時(shí)滿足課堂、實(shí)驗(yàn)以及綜合工程訓(xùn)練等方面的需求。因而，以專業(yè)理論知識(shí)為主體，以解決工程實(shí)際為目的，通過開拓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與方式，以虛實(shí)實(shí)驗(yàn)為手段，優(yōu)化基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課，對(duì)于培養(yǎng)工科學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神頗具現(xiàn)實(shí)意義。近年來，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校的應(yīng)用已日益廣泛，依托信息技術(shù)，導(dǎo)入實(shí)際工程案例思路，構(gòu)建“身臨其境”的虛擬環(huán)境，能有效實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能，提供經(jīng)濟(jì)、安全和可靠的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并能實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、資源共享、不受時(shí)空限制的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和創(chuàng)新培養(yǎng)。

早在2004年，長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院利用已有的科研設(shè)施和研究成果，建設(shè)了河流海岸工程數(shù)字實(shí)驗(yàn)室（即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的前身）；2008年5月，成立了水利工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2015年5月獲得學(xué)校立項(xiàng)建設(shè)；2016年獲批水利工程省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。其中，港航工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室隸屬于湖南省水利工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，目標(biāo)建成并完善與專業(yè)和學(xué)科建設(shè)相匹配的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。隨著“新工科”的深入實(shí)踐，如何規(guī)劃和建設(shè)好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系和課程資源是中心實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的重要途徑。為把港航工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)為具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的合格專業(yè)技術(shù)人才，有效利用實(shí)驗(yàn)室資源，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，開展港航工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系的優(yōu)化與實(shí)踐工作十分必要和必須，具有重要的意義。

二、港航工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是港航工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中非常重要的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及創(chuàng)新精神的重要過程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國開設(shè)“港口航道與海岸工程”專業(yè)的本科院校有20余所，建設(shè)“港口、海岸及近海工程”學(xué)科點(diǎn)的單位有近40所，各高校均建立了特點(diǎn)不一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，但大多數(shù)高校目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以實(shí)物和模型實(shí)驗(yàn)為主，工程勘察實(shí)訓(xùn)為輔，只能在有限的條件下進(jìn)行局部驗(yàn)證和綜合性實(shí)驗(yàn)，且易受實(shí)驗(yàn)硬件、內(nèi)容以及時(shí)空的限制。

長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院在港航工程專業(yè)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真模式，不斷完善軟硬件條件，滿足水利工程+信息技術(shù)復(fù)合型人才培養(yǎng)的迫切需求，并擴(kuò)展到港航虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和企業(yè)實(shí)踐教學(xué)，在理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，始終把工作重點(diǎn)放在實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以完成的實(shí)踐教學(xué)上，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充功能，對(duì)大型或施工環(huán)境實(shí)體實(shí)驗(yàn)的替代功能，對(duì)長歷時(shí)實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測功能，加深對(duì)多元參數(shù)變化下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程的理解，激發(fā)學(xué)生的想象力，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐水平和解決問題的能力。具體建設(shè)思路如下：

1.根據(jù)港航專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)際需求，建立港航工程相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，面向復(fù)雜工程問題建設(shè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真資源。首先，對(duì)于部分專業(yè)基礎(chǔ)課程（如碼頭水工建筑物），可將實(shí)驗(yàn)的基本操作等通過視頻方式予以呈現(xiàn)，而對(duì)于設(shè)計(jì)施工工藝等較復(fù)雜的課程，宜采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和仿真模擬設(shè)備相結(jié)合的方式，不同的課程需要區(qū)別對(duì)待和建設(shè)。其次，資源建設(shè)需注重學(xué)科交叉和復(fù)雜工程問題為導(dǎo)向，例如可采用現(xiàn)代VR技術(shù)結(jié)合南海工程島礁建設(shè)打造吹填施工工藝虛擬仿真資源。此外，促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，拓展教學(xué)資源與范圍。

2.創(chuàng)新虛擬教學(xué)方法和手段，逐步打造“虛實(shí)”信息管理集成化系統(tǒng)。首先，需創(chuàng)新“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下工程的教育教學(xué)方法，提升工程教育教學(xué)效果；其次，除進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作外，需統(tǒng)籌規(guī)劃實(shí)驗(yàn)流程，如實(shí)驗(yàn)布置、預(yù)習(xí)、數(shù)據(jù)分析與處理、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，打造從實(shí)體實(shí)驗(yàn)到虛擬實(shí)驗(yàn)的一體化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，最大限度滿足學(xué)生需求，充分促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)效果最大化。

3.堅(jiān)持校企合作及資源共享建設(shè)。堅(jiān)持“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢互補(bǔ)、互惠互利、共同發(fā)展”的校企合作機(jī)制，不斷推進(jìn)與企業(yè)共同開發(fā)優(yōu)質(zhì)資源及其共享。此外，根據(jù)新形勢下國家對(duì)企業(yè)提出的高效、環(huán)保、安全要求，針對(duì)我國港航工程領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，有針對(duì)性地加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，并通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息平臺(tái)的運(yùn)行管理、對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行升級(jí)、對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行完善、加強(qiáng)與兄弟院校相關(guān)專業(yè)的交流與合作等措施，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)共享的服務(wù)質(zhì)量、擴(kuò)大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的受眾范圍，力爭在全國產(chǎn)生較強(qiáng)較好的示范輻射作用。與此同時(shí)，與合作單位共同開展專業(yè)發(fā)展趨勢及人才質(zhì)量要求的研究，探討人才培養(yǎng)與教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控方案，探索實(shí)驗(yàn)室和工地“虛實(shí)結(jié)合”的創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式。

4.提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的管理人才專業(yè)水平，同步完善質(zhì)量監(jiān)控和保障體系。摒棄“重申報(bào)、輕建設(shè)”的思想，校院兩級(jí)管理人員需科學(xué)規(guī)劃中心建設(shè)，重視管理人才專業(yè)水平的提升。其次，需建立與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系相適應(yīng)的教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)方式和考試方式，充分發(fā)揮教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)在教學(xué)研究型大學(xué)創(chuàng)新才培養(yǎng)教學(xué)途徑中的作用。

三、結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，港航工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)劃與建設(shè)需遵循虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則以及港航工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室熟悉從航道工程到海岸工程、水運(yùn)工程、碼頭工程的建設(shè)過程，著實(shí)提升學(xué)生從對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，到自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)技能、科研創(chuàng)新意識(shí)等能力的培養(yǎng)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與發(fā)展新方向與突破口之一就在于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與優(yōu)化。在建設(shè)“新工科”的背景下，工科院校需要不斷根據(jù)各專業(yè)實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)和實(shí)踐育人目標(biāo)進(jìn)行改革，為落實(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)保駕護(hù)航，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳金晶，高華喜，趙春慧.港航工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探討[J].物流工程與管理，2016，（4）：203-205.

[2]趙志舟，許錫賓，周世良.基于“卓越工程師”培養(yǎng)的港航專業(yè)教學(xué)改革思考[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012，（4）：107-110.

[3]趙志舟，許錫賓，周世良.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)[J].復(fù)旦教育論壇，2017，（2）：27-28.

[4]張鳳寶.新工科建設(shè)的路徑與方法芻論——天津大學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017，（7）：8-12.