虛擬仿真技術在高校土木工程實驗教學中的應用

鄭卜源

華南理工大學廣州學院 廣東 廣州 510800

一、虛擬仿真實驗技術在土木工程實驗教學中的應用價值

土木工程屬于實踐性比較強的專業(yè)。比如，混凝土結(jié)構(gòu)設計原理、土木工程施工、工程概預算、鋼結(jié)構(gòu)基本原理等都考察著學生實踐水平。為此，高校需要確保學生獲得充足的實踐鍛煉。由于部分土工工程實驗項目不能夠直觀地呈現(xiàn)出來，基于此，教師就會以圖片、視頻等方式為學生講解課程。但是這種教學方式比較單調(diào)，不利于有效吸引學生注意力。土木工程實驗教學質(zhì)量可想而知。

虛擬仿真實驗技術可以將現(xiàn)有條件實現(xiàn)不了的項目呈現(xiàn)出來。由于虛擬仿真實驗技術呈現(xiàn)的逼真性、準確性，學生就可以更加容易地進行土木工程實驗，進而提高對土木工程實驗的理解能力。土木工程實驗中不缺乏一些大型并且危險系數(shù)較高項目。應用真實的實驗不僅浪費資金，而且會對學生人身安全產(chǎn)生威脅。不過，虛擬仿真實驗技術則可以避免以上問題。主要表現(xiàn)在，虛擬仿真實驗技術應用了信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、人機交互技術等，模擬了難度大的試驗項目。加之，虛擬仿真實驗技術具有可重復操作性特征，避免了傳統(tǒng)土木工程實驗材料浪費問題。

二、虛擬仿真技術在高校土木工程實驗教學中的應用方式探究

（一）構(gòu)建體系與建設平臺，實現(xiàn)利用虛擬仿真技術的系統(tǒng)化

虛擬仿真實驗教學中心是土木工程實驗教學地點。為提高學生學習能力，高校需要加大虛擬仿真實驗教學中心建設力度，保證學生更好地借助虛擬仿真技術，完成各項土木工程實驗。土木工程實驗教學體系乃是教學工作的重要組成部分。教師需要不斷地總結(jié)實驗教學經(jīng)驗，完善教學體系。與此同時，積極地構(gòu)建實驗學習模塊，逐漸鍛煉學生綜合能力。虛擬仿真實驗教學中心需要產(chǎn)生的實驗效果包括以下內(nèi)容。第一，幫助學生掌握的土木工程基礎知識，比如，常規(guī)建筑類型、建筑中的力學知識、建筑實操知識、建筑材料應用知識等。第二，提高土木工程的物理仿真、結(jié)構(gòu)數(shù)值計算與演示等水平。道路建設、橋梁建設等屬于重要的建設事項。學生在日常實驗中要認真研究建設方式。通過多次土木工程實驗演示、計算等，獲知建設精髓。第三，由于虛擬仿真技術呈現(xiàn)了各個實驗環(huán)節(jié)，學生可以更好地把控建設全過程。也就是說，學生可以增強全局意識，深化理解建設架構(gòu)。第四，施工安全和施工管理是土木工程專業(yè)學習重點。在虛擬仿真技術下，學生將會置身于相應的情境之下，進而逐漸增強施工安全意識，提高施工管理水平。

（二）改革課程建設，實現(xiàn)利用虛擬仿真技術的專業(yè)化

從構(gòu)建房屋建筑學仿真實驗系統(tǒng)角度來講，一方面，加大多層磚混結(jié)構(gòu)民用建筑構(gòu)造仿真建設，另一方面，提高單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑構(gòu)造仿真建設水平。

CAD、Revit等是房屋建筑學學習中常用的軟件。教師需要讓學生應用這些軟件，開展一定的繪制工作。與此同時，教師需要應用虛擬仿真技術，鼓勵學生親自動完成組裝工作。這樣學生就可以全面了解建筑結(jié)構(gòu)、受力與結(jié)構(gòu)的關系、建筑要素之間的連接方式等。從構(gòu)建工程測量仿真實驗系統(tǒng)角度來講，工程測量考驗著學生的嚴謹性。學生需要認識到工程測量存在誤差，將會對整個工程質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。而教師則需要著重開展工程測量仿真實驗活動。高差測量、高程測設、坐標測量等是測量的關鍵所在。教師可以針對性地構(gòu)建測量實驗。比如，應用三維技術，為學生呈現(xiàn)測量知識，同時要使用虛擬仿真技術，確保學生掌握測量技巧。以往，教師主要通過視頻、圖片的方法，為學生講解知識。伴隨著虛擬技術發(fā)展，高?？梢詰锰摂M技術為學生創(chuàng)設良好的建材與力學學習環(huán)境。在傳統(tǒng)水泥終凝實驗下，學生將會耗費大量的實驗時間，同時也會消耗一定實驗材料。不過，虛擬技術可以彌補傳統(tǒng)土木工程實驗中的不足之處。

（三）拓展技術的功能和應用，實現(xiàn)利用虛擬仿真技術復合性

一方面，構(gòu)建虛擬實驗模塊。如虛擬設備庫：模擬實際實驗所需設備，并注重模擬細節(jié)。這樣學生可以學習到土木工程實驗項目涵蓋的理論與實踐知識。與此同時，高校需要加強虛擬設備庫的建設。也就是說，根據(jù)課程發(fā)展，增加實驗項目，逐漸地完善模擬材料建設。典型實驗項目：該種項目可以幫助學生掌握重要知識，同時對學生深化知識具有重要的作用。項目背景介紹、實驗設備、試件選擇等都要包含在典型實驗項目之中。教師可以用演示的方式，加快學生理解速度。風洞、地震臺等實驗都是可以成為所演示的項目。實驗操作控制：強調(diào)培養(yǎng)學生自主操作、創(chuàng)新等能力。教師需要提供擬網(wǎng)絡互動參數(shù)化的實驗操作平臺，提高學生綜合學習素養(yǎng)。另一方面，引進虛擬仿真實驗教學平臺信息化設備。數(shù)字圖像處理、多媒體技術、傳感器技術是實驗人機交互功能必須具備的技術。因此，高校需要引進先進的技術。高校除了加強軟件建設之外，還要加強硬件建設，提高虛擬仿真實驗教學水平。

結(jié)束語

綜上所述，虛擬仿真技術可模擬土木工程實驗教學情景，保證教學工作順利推進。虛擬仿真技術符合教育深化改革需求。因此，高校需要深入地研究虛擬仿真技術，掌握虛擬仿真技術應用要點，激發(fā)學生探索土木工程知識的興趣，以便促進土木工程事業(yè)健康發(fā)展。