土木建筑虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

龐瑞 王璐 陳桂香 許啟鏗 丁永剛 肖昭然

摘要：河南工業(yè)大學土木建筑虛擬仿真實驗教學中心堅持以服務本科教學為核心，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力為宗旨，以糧油倉儲建筑為特色，將實驗教學與科學研究、工程實踐相結合，利用虛擬現(xiàn)實、計算機網絡以及多媒體等技術建立了“基礎型、專業(yè)型、特色創(chuàng)新型”三層次的土木建筑虛擬仿真實驗教學資源體系。創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學方法，增強學生創(chuàng)新精神和實踐能力，為本科實驗教學、實習實訓和援外培訓等教學與對外交流合作提供了豐富的虛擬仿真資源。

關鍵詞：土木建筑工程;虛擬現(xiàn)實;實驗教學;教學資源

中圖分類號：G642423?文獻標志碼：A?文章編號：1005-2909（2019）06-0107-09

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化的重要組成部分，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物。為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號）[1]、《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[2]和《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見（2015）》[3]等文件精神，持續(xù)推進學校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發(fā)展，河南工業(yè)大學以糧油倉儲建筑為特色，利用互聯(lián)網與信息化技術開發(fā)了一系列虛擬仿真實驗教學資源?，F(xiàn)以土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的建設為例，介紹虛擬仿真教學在土木建筑相關專業(yè)實踐教學中的特色與優(yōu)勢，以及河南工業(yè)大學虛擬仿真教學資源體系的建設思路。

一、?建設的必要性

土木建筑相關專業(yè)是一個高度依賴實驗教學且實踐性很強的專業(yè)。專業(yè)實驗通常具有設備體量大、資源消耗大、成本高的特點[4-5]。部分傳統(tǒng)大型實驗因面臨的學生多、實驗操作復雜，無法達到人人全過程動手的要求，導致學生參與實驗自主性不強，形成缺乏動態(tài)體驗、全面認識和個性體驗的局面。糧食工程建設耗資多、費時長、建造過程難重復，本科生僅通過短期的認識實習、生產實習無法體驗糧食工程建造的全過程，難以掌握糧倉建造的難點、重點以及糧食物流園區(qū)整體的規(guī)劃、運作等內容。因此，解析具有“體量大、高成本、高危險、高消耗、周期長、難重復”特征的土木建筑工程建設過程，構建高度仿真的實驗教學環(huán)境可彌補現(xiàn)場實踐的不足，補充實物模型難以完成的教學功能[4-5]。

為解決土木建筑傳統(tǒng)教學與培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力的高水平人才之間的矛盾，拓展實踐教學的深度和廣度，實現(xiàn)科研反哺教學，形成緊密結合工程實際的教學模式，盡可能降低實驗成本和風險，在現(xiàn)有實體實驗、認識實習和生產實習的基礎上，利用互聯(lián)網技術與信息技術，構建貼近工程、高度仿真、開放共享的虛擬仿真實驗教學資源，對實體實驗及實踐教學作有益補充和創(chuàng)新[6-9]。土木建筑虛擬仿真實驗教學中心的建設是基礎教育、工程教育和實踐教學主動適應土木建筑領域技術發(fā)展和學校培養(yǎng)特殊人才需求的重要舉措，形成了清晰明確的建設思路，詳見圖1。

二、虛擬仿真實驗教學資源建設

河南工業(yè)大學“土木建筑虛擬仿真實驗教學中心”以土木工程、建筑學、工程管理、道路橋梁與渡河工程、工程力學、交通工程和建筑環(huán)境與能源應用工程等7個專業(yè)為基礎，以糧油倉儲建筑為特色，利用互聯(lián)網與信息化技術開發(fā)了一系列虛擬仿真實驗教學資源，與“河南省土木建筑實驗教學示范中心”相輔相成、優(yōu)勢互補[10]。

中心本著“虛實結合、相互補充、能實不虛”的總體原則，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力為宗旨，立足科研反哺教學的工作思路，將實驗教學與科學研究、工程實踐相結合，建立了“基礎型、專業(yè)型和特色創(chuàng)新型”3個層次、15個實驗模塊、70個實驗項目的土木建筑虛擬仿真實驗教學資源體系[11]，詳見圖2。

（一）基礎型虛擬仿真實驗教學資源

“基礎型”虛擬仿真實驗資源可服務于包括土木建筑學院7個專業(yè)在內的全校?21個工科專業(yè)本科生，以激發(fā)學生學習熱情、夯實專業(yè)基礎為目的，與基礎課程教學實驗相互配合，建成基礎力學、土木工程材料、工程測量等3個虛擬仿真實驗模塊，共19個虛擬仿真實驗項目（見圖3）。例如，金屬材料壓縮性能虛擬仿真實驗（見圖4），其在真實實驗的基礎上通過壓縮實驗虛擬仿真系統(tǒng)介紹了壓縮實驗原理、設備操作、試件加工和實驗指標評定等內容，形成“虛實結合”的實驗教學體系，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗靈活、互動和可重復的特點，作為實體實驗的有益補充。

（二）專業(yè)型虛擬仿真實驗教學資源

“專業(yè)型”虛擬實驗教學資源主要針對土木建筑領域實際工程問題，發(fā)揮“教研結合”的優(yōu)勢，設立建筑工程、建筑構造、道路橋梁與交通工程、巖土工程和項目管理等5個虛擬仿真實驗模塊，共?23個虛擬仿真實驗項目（見圖5）。例如，鋼筋混凝土梁破壞性仿真實驗（見圖6），虛擬實驗在適筋梁受彎破壞真實實驗的基礎上，利用可視化技術系統(tǒng)地介紹了鋼筋混凝土簡支梁受彎破壞實驗原理、實驗方法、實驗步驟與實驗結果。專業(yè)型虛擬仿真實驗教學資源服務于高年級本科生專業(yè)課實驗教學，涵蓋了土木建筑學院多數(shù)專業(yè)，做到“虛實結合、相互補充”，滿足了專業(yè)虛擬實驗教學需求，形成與工程實際、科研項目、教學需求緊密結合的虛擬仿真實驗教學資源。

（三）特色與創(chuàng)新型虛擬仿真教學資源

“特色與創(chuàng)新型”虛擬仿真資源包括特色創(chuàng)新和一般創(chuàng)新兩大部分?！疤厣珓?chuàng)新型”虛擬實驗教學資源依托糧食儲運國家工程實驗室、河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室、河南省高校“散體物料特性與儲倉結構”重點學科開放實驗室、糧倉建筑與安全教育部重點實驗室培育基地、鄭州市糧倉建筑重點實驗室、河南省地下大型結構與環(huán)境巖土工程院士工作站、鄭州市結構仿真與優(yōu)化院士工作站7大特色學科平臺，緊密結合國家糧食安全的戰(zhàn)略需求，以河南工業(yè)大學土木建筑學院和河南工業(yè)大學設計研究院為基礎，以服務糧食行業(yè)工程項目為背景，創(chuàng)建了3個虛擬仿真實驗教學模塊，共14個虛擬仿真實驗項目（見圖7）。例如，糧食物流園區(qū)總體規(guī)劃仿真實驗（見圖8），通過該仿真實驗，學生可以清晰直觀地了解到物流園區(qū)包括物流中心、配送中心、運輸樞紐設施、運輸組織、管理中心和物流信息管理中心等適應城市物流管理與運作需要的物流基礎設施運轉情況，熟悉并了解物流園區(qū)功能布局、交通流線的組織方式等內容。特色創(chuàng)新型虛擬實驗教學資源滿足本科生特色發(fā)展需求和學校特色辦學的指導思想，在激發(fā)學生學習興趣、拓展學生視野和培養(yǎng)服務國家特殊需求人才方面發(fā)揮了顯著作用。

“一般創(chuàng)新型”虛擬實驗資源主要是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力。中心結合“土木建筑實驗教學中心—河南省級示范中心”下屬的學生創(chuàng)新實驗實體平臺，創(chuàng)建4個虛擬仿真實驗模塊，共14個虛擬仿真實驗項目。例如，地鐵車站火災和人員逃生模擬仿真實驗（見圖9），以三維可視化的效果展示火災發(fā)生過程及人員逃生過程，提高學生對相關課程的理解、熟練掌握火災模擬程序。一般創(chuàng)新型虛擬實驗教學資源滿足學生各類創(chuàng)新訓練計劃與學科競賽需求，在激發(fā)學生科學思維、創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面發(fā)揮了顯著作用。

三、中心特色

（一）?立足科研項目，建設虛擬仿真實驗平臺

中心依托土木工程國家特色專業(yè)，土木工程、建筑學和力學3個河南省一級重點學科，糧食儲運國家工程實驗室、河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室、土木建筑河南省實驗教學示范中心和糧倉建筑與安全教育部重點實驗室培育基地等學科平臺，利用現(xiàn)代計算機技術，系統(tǒng)整合學校信息化實驗教學資源，積極建設軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，構建了開放的數(shù)字化虛擬仿真實驗教學平臺，不斷把科研成果轉化為實驗教學內容，?提高學生科研能力和創(chuàng)新能力[12]。

（二）依托政產學研項目，強化工程應用創(chuàng)新能力

中心的大量虛擬仿真實驗項目來源于真實的工程案例。例如，鄭州新鄭國際機場二期工程是鄭州航空港經濟綜合實驗區(qū)建設核心工程，也是新中國成立以來河南省單體投資最大的重點工程。學校承擔了以BIM（Building?Information?Modeling）技術為基礎的信息總控項目，整合工程信息數(shù)據(jù)，

建立

二維CAD設計圖的三維建筑信息模型。在設計階段，進行優(yōu)化設計、碰撞檢測;在施工階段，利用BIM系統(tǒng)進行4D施工動態(tài)管理和施工項目綜合管理;在運維階段，利用BIM系統(tǒng)形成的數(shù)據(jù)庫進行智能運營管理。中心成功將BIM應用開發(fā)成多套虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，生動呈現(xiàn)了以機場航站樓為代表的大跨空間結構施工過程（見圖10）、管線優(yōu)化設計和施工組織（見圖11）等教學過程，為學生了解新材料與新結構在重大工程中的應用，提供了良好的實驗教學范例。

同時，虛擬仿真實驗教學體系與土木建筑學院本科生創(chuàng)新實驗實體平臺相對應，結合工程實踐與科研課題，自主研發(fā)或基于商業(yè)軟件平臺二次開發(fā)了一系列創(chuàng)新實驗項目。在ABAQUS平臺上自主開發(fā)的“框支密肋復合板結構虛擬仿真實驗”和“現(xiàn)澆空心樓蓋板柱節(jié)點抗震與抗沖切性能虛擬仿真實驗”（見圖12）已應用于創(chuàng)新實驗教學與創(chuàng)新訓練。通過對比不同結構形式與不同參數(shù)的節(jié)點受力情況，幫助學生理解現(xiàn)澆空心樓蓋板柱復雜節(jié)點受力與破壞全過程，對提高學生的學習興趣和探索精神有重要作用。

（三）?依托糧食特色專業(yè)，提高特色人才培養(yǎng)質量

河南工業(yè)大學擁有?“糧食儲運國家工程實驗室”等7個科研平臺和“土木建筑河南省實驗教學示范中心”等?2個教學平臺，為“土木建筑虛擬仿真實驗教學中心”的建設與發(fā)展提供了優(yōu)勢學科資源、優(yōu)質教學團隊和優(yōu)良的實驗條件。同時，學校與聯(lián)合國糧農組織、國際谷物科技協(xié)會等國際組織保持著良好的合作關系，與美國小麥協(xié)會、加拿大小麥局、法國小麥協(xié)會、澳大利亞國際農業(yè)發(fā)展中心等均有合作交流，是國家商務部援外培訓承辦單位，也是河南省唯一的國家援外任務承擔單位。學校始終堅持“教研結合”的辦學思路，不斷將最新科研成果與工程應用轉化為豐富的虛擬仿真實驗教學資源，以服務本科教學為核心，同時為援外培訓提供新的途徑和方法。

中心虛擬仿真實驗項目以自主研發(fā)或校企聯(lián)合開發(fā)為主，60%以上的項目具有原創(chuàng)性。例如，基于在糧油倉儲建筑領域近40年的持續(xù)研究，中心開發(fā)了平房倉倉底壓力測試虛擬仿真實驗（見圖13）、立筒倉建造過程虛擬仿真實驗（見圖14）、地下倉施工虛擬仿真實驗、筒倉抗震性能虛擬仿真實驗等特色實驗項目[10]。

四、開放共享與展望

中心構建的虛擬仿真實驗系統(tǒng)以學校土木建筑相關專業(yè)為服務對象，開設的虛擬仿真教學實驗項目與理論課程、實踐教學環(huán)節(jié)相統(tǒng)一，通過多渠道多層次對學生開放共享，取得了顯著的教學成果。

在硬件配置上，中心采用桌面云技術取代傳統(tǒng)個人電腦（PC），以在服務器系統(tǒng)上承載桌面映像的方法，集中資源并提高其桌面計算基礎架構的可管理性。這種做法解決了數(shù)據(jù)分散在各PC上，無法統(tǒng)一維護與管理，對數(shù)據(jù)無法集中存儲與備份等問題。

在固定虛擬仿真資源場所上，構建了面向日常教學的3個班建制（100臺PC）的虛擬仿真教學實驗室和面向科技競賽與對外交流等活動的1個班建制3D虛擬仿真資源體驗實驗室（35臺PC），如圖15所示。在3D虛擬仿真資源體驗實驗室，中心購置了三通道激光環(huán)幕立體投影系統(tǒng)，以高清立體展示虛擬仿真實驗教學資源。

（一）多渠道多層次開放共享

（1）虛擬仿真實驗教學資源通過虛擬仿真實驗室、校園網、中心網站等途徑向全校所有專業(yè)實現(xiàn)多層次開放共享。中心將實驗場地開放，與實驗室網站結合，提高了資源共享效率。

（2）虛擬仿真實驗教學資源通過中心網站管理平臺實現(xiàn)校外資源共享。土木建筑虛擬仿真中心將實驗教學資源進行分類分級管理，并實行中心網站的三級認證管理模式，實現(xiàn)不同資源的全國共享，同時達到實驗教學資源的產權保護，形成良性發(fā)展模式。

（3）虛擬仿真實驗教學資源通過校企合作，實現(xiàn)生產、開發(fā)與教學的深度融合。通過與中建三局、中建七局、中建八局、河南工業(yè)大學設計研究院等企業(yè)的合作，開發(fā)“糧食物流園區(qū)功能認知虛擬仿真教學系統(tǒng)”“儲倉結構虛擬仿真教學系統(tǒng)”“BIM技術與精益化建造虛擬設計仿真實驗教學系統(tǒng)”等虛擬仿真實驗教學項目，不僅得到了企業(yè)的協(xié)助開發(fā)，還實現(xiàn)了虛擬資源在企業(yè)員工培訓、業(yè)務洽談與涉外培訓等方面的推廣應用，真正意義上實現(xiàn)了產、學、研、用的有機結合。

（二）?虛擬仿真中心實驗教學效果顯著

（1）中心注重虛擬資源與理論課程、實踐教學環(huán)節(jié)結合。在學院統(tǒng)一領導下，召集現(xiàn)有6個專業(yè)的負責人開展“改革教學范式、提高教學質量”專題研討會，重點破解虛擬資源與理論、實踐教學環(huán)節(jié)的銜接與融合。在與理論課程結合方面，針對具體模塊開發(fā)單機版應用程序，授課教師在課程講解的關鍵環(huán)節(jié)，展示虛擬仿真教學資源，理論聯(lián)系實際，提高學生的學習興趣和學習效果。在實驗教學環(huán)節(jié)，提前通知學生在虛擬仿真網站預習下節(jié)課需要講解和示范的實驗教學內容，虛實結合提高實驗教學效果。

（2）中心開設的虛擬仿真實驗指導書、教學大綱、部分軟件和試題庫等實現(xiàn)網絡訪問。中心組織錄制了多個實驗的教學紀錄片，初步開展網絡教學試點，讓學生課下瀏覽網絡課件和實驗視頻，加深理解，鞏固實驗課程的核心、重點和難點知識，有利于端正學習動機和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）中心實現(xiàn)了實驗資源的充分共享，通過網絡虛擬仿真、遠程實驗、空間沉浸虛擬仿真、數(shù)字仿真相結合的4種實驗教學方式，使全校多領域多專業(yè)的學生能充分自主地學習和掌握實驗教學內容。

（4）中心通過“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生結構設計大賽、河南省結構模型設計競賽等課外創(chuàng)新實踐活動，與中原地區(qū)20?余所高校通過師生互訪、實驗競賽和合作組建學生科研實踐團隊等形式，積極推進中心優(yōu)質實驗教學資源的共享，受益人數(shù)每年超過4?000?余人次。通過這些校際活動，加強了各高校間的聯(lián)系，促進了實驗教學資源的共享，完善了校際共享機制，中心的示范效應得到了進一步提升。

（三）建設展望

中心二期項目建設始于2017年3月。經過多次教學研究與改革專題會議，達成了二期項目的建設內容與思路，進一步凝練了特色，豐富了教學資源。二期項目以上海外高橋糧食物流園區(qū)項目為藍本，從規(guī)劃、設計、建造和運營的全過程將該項目開發(fā)為符合本科教學大綱要求的虛擬仿真教學項目，將關鍵技術以虛擬仿真教學資源的形式融入和滲透本科教學，學生反響強烈，廣受歡迎。二期項目共包括7大部分，目前已基本建成12個相互獨立又彼此聯(lián)系的虛擬仿真教學資源（見圖16）。

五、?結語

經過多年建設，河南工業(yè)大學土木建筑虛擬仿真實驗教學中心已成為由專業(yè)教師團隊負責規(guī)劃建設，面向土木工程國家特色專業(yè)、土木工程、建筑學和力學3個河南省一級重點學科以及其他相關專業(yè)的實踐教學基地，為材料力學國家級精品課程和其他相關課程開展虛擬仿真實驗教學，面向6個專業(yè)的學生開展創(chuàng)新訓練。2016年，中心獲批為河南省高等學校虛擬仿真實驗教學中心。目前，正在系統(tǒng)建設糧食物流園區(qū)虛擬仿真實驗教學資源，該資源從園區(qū)規(guī)劃、典型倉儲結構設計建造過程、典型鋼結構設計建造過程、園區(qū)工藝與設備等7個方面展開，在原有3個層次、15個實驗模塊、70個實驗項目的基礎上進一步凝練特色，完善虛擬仿真實驗教學資源體系建設，更好地服務于實踐教學、理論教學和對外合作交流。中心的建設將繼續(xù)發(fā)揮信息技術和虛擬仿真技術在本科實驗教學中的突出優(yōu)勢，提高教學水平和人才培養(yǎng)質量。

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Practice?and?construction?of?virtual?simulation?experimental

teaching?center?for?civil?engineering?and?architecture

PANG?Rui，?WANG?Lu，?CHEN?Guixiang，?XU?Qikeng，?DING?Yonggang，?XIAO?Zhaoran

（School?of?Civil?Engineering，?Henan?University?of?Technology，?Zhengzhou?450001，?P.?R.?China）

Abstract：

The?virtual?simulation?experimental?teaching?center?of?civil?engineering?and?architecture?in?Henan?University?of?Technology?focuses?on?serving?undergraduate?teaching，?aims?at?cultivating?innovative?consciousness?and?capability?of?students，?and?adheres?to?the?characteristics?of?granary?construction.?It?combines?experimental?teaching?with?scientific?research?and?engineering?practice?to?the?construct?the?basic，?professional，?characteristic?and?innovative?virtual?simulation?experiment?teaching?resource?system?of?civil?engineering?and?architecture?by?the?technology?of?virtual?reality?（VR），?computer?network?and?multimedia.?It?also?renews?the?idea?of?virtual?simulation?experiment?teaching，?enhances?students?innovative?spirit?and?practical?ability，?and?provides?rich?and?efficient?virtual?simulation?resources?for?undergraduate?experimental?teaching，?practical?training，?foreign?aid?training，?international?exchange?and?cooperation.

Key?words：?civil?engineering?&?architecture;?virtual?reality;?experimental?teaching;?teaching?resources

（責任編輯?周?沫）