土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設與思考

胡振華，王 穎，王崇革，李 朋

土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設與思考

胡振華1,2，王 穎3，王崇革1,2，李 朋1,2

（1. 山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2. 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；3. 山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590）

闡述了山東科技大學土木工程與建筑學院虛擬仿真實驗教學中心服務于本科土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的建設思路、多平臺多層次虛擬仿真實驗教學資源體系，以及虛擬仿真實驗教學的實際效果。

土木工程；虛擬仿真；實驗教學；虛擬實驗

隨著電子科技的飛速發(fā)展，信息化技術為高校培養(yǎng)新時代下高水平創(chuàng)新應用型人才開辟了一個全新的渠道。虛擬仿真實驗教學受到了許多教學單位和科研單位的高度重視和推廣。教育部副部長林蕙青指出“要加快推進現(xiàn)代信息技術與教育教學深度融合，推進在線開放課程和虛擬仿真實驗教學建設，以提升教師信息技術應用能力為著力點，制定出臺有效的教學激勵和管理辦法，加快用信息技術改造傳統(tǒng)教學，提高教學水平”[1]。

虛擬仿真實驗室是虛擬現(xiàn)實技術應用研究的重要載體[2-3]。虛擬仿真實驗教學就是利用計算機模擬一個虛擬世界，學生可以通過這個虛擬世界如同身歷其境地進入所述真實場景，不受時間和場地限制，提高學生的自主學習能力和實踐能力[4-6]。

現(xiàn)以我校土木工程與建筑學院虛擬仿真實驗教學中心的建設為例，闡述虛擬仿真實驗教學在本科土木工程教學中的重要性，以及本虛擬仿真實驗教學中心服務于本科土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的建設思路和多平臺多層次虛擬仿真實驗教學資源體系。同時，也指出了虛擬實驗室的局限性。

1 虛擬仿真實驗教學的重要性

教育部《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中要求，全國要規(guī)劃建設3000門國家精品在線開放課程，建設1000項左右國家虛擬仿真實驗教學項目[7]。土木工程專業(yè)在實驗教學中遇到了很多技術難題[8]，將虛擬仿真實驗方法引入本科土木工程實驗教學，對于解決這些難題的重要作用表現(xiàn)在以下方面：

（1）解決了實驗操作復雜危險、實驗開支較大、實驗過程不可逆等難題，讓學生能夠深入參與在傳統(tǒng)實驗室無法完成的實驗內容，提高了學生的創(chuàng)新能力和綜合設計能力[9-11]；

（2）解決了由于時間和場地限制，學生無法熟悉整個工程施工過程的難題[12-13]，提高了學生實踐實操能力；

（3）將教師的教學工作和科研工作有機結合，使學生培養(yǎng)和教師發(fā)展互利共贏，促進學術水平高、實踐經驗多、創(chuàng)新能力強的實驗教學團隊的形成。

2 虛擬仿真實驗教學中心概況

我學院堅持“能實不虛、虛實結合”的原則，根據學校特色，結合土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，構建了層次結構清晰、適宜共享、易于擴展、依次開發(fā)的土木工程虛擬仿真實驗教學中心。

在軟件方面，學院分3期共投入100萬元進行虛擬仿真系統(tǒng)平臺開發(fā)。該平臺包括基礎型虛擬仿真平臺、實踐型虛擬仿真平臺和創(chuàng)新型虛擬仿真平臺3個組成部分，涵蓋了大土木工程學科及建筑學科，如土木工程、巖土工程、交通工程、橋梁工程、城市地下空間工程、水利水電工程、建筑學等專業(yè)相關知識。在硬件方面，學院一次性投入99.6萬元進行虛擬仿真實驗教學中心建設，能同時滿足2個班的實驗教學需求。虛擬仿真實驗教學中心建設，使教學模式完成了從一刀切到個性化、數(shù)字化、創(chuàng)新化的過渡，讓學生對知識的直觀感受由靜態(tài)的線條變成動態(tài)的畫面，由平面的圖片變成三維立體的模型。

2.1 基礎型虛擬仿真實驗平臺

基礎型虛擬仿真實驗平臺主要基于本科生正常開設的專業(yè)課，針對現(xiàn)有實驗室中由于學時限制、場地限制或危險系數(shù)高等原因而無法正常開展的實驗而開發(fā)的。主要包括巖石循環(huán)加載虛擬仿真實驗模塊、鋼筋混凝土簡支梁虛擬仿真實驗模塊、工程爆破虛擬仿真實驗模塊、地下建筑安全疏散虛擬仿真實驗模塊、路基路面工程施工虛擬仿真實驗模塊、巷道支護虛擬仿真實驗模塊等。

該平臺中的虛擬仿真實驗模塊主要涉及巖石力學、鋼筋混凝土、工程爆破、建筑學、巷道支護等專業(yè)基礎課程，將學生從理解枯燥的課本理論知識引申至虛擬模型中，給學生帶來“身臨其境”的感覺。在虛擬環(huán)境中，課本上枯燥無味的專業(yè)知識變?yōu)橹庇^的圖像動畫模型，通俗易懂，生動有趣，為后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實基礎。

2.2 實踐型虛擬仿真實驗平臺

實踐型虛擬仿真實驗平臺是基于大土木學科實際施工工程開發(fā)的。目的是使學生懂得課堂上學到的理論知識最終是要應用到工程實際中去的，讓學生提早對實際工程有所了解、有所熟悉，在延伸基礎實驗的同時提升將理論知識付諸實際應用的能力。該平臺主要包括：淺層平板載荷虛擬仿真實驗模塊、木構建筑施工虛擬仿真實驗模塊、大跨度斜拉橋施工虛擬仿真實驗模塊、地鐵工程施工虛擬仿真實驗模塊、立井施工虛擬仿真實驗模塊、井巷通風虛擬仿真實驗模塊、地下綜合管廊虛擬仿真實驗模塊、海上風電吸力基礎與安裝虛擬仿真實驗模塊、高邊坡綜合治理與支護設計虛擬仿真實驗模塊等。

該平臺下的虛擬仿真實驗模塊主要針對教學過程中無法開展的實際工程問題。學生去工地往往只能看見工程施工的某個階段，而無法了解整個施工過程，甚至由于危險性較大而從未真正見識過某些施工現(xiàn)場，而在虛擬仿真軟件幫助下，這些問題都將迎刃而解。

2.3 創(chuàng)新型虛擬仿真實驗平臺

創(chuàng)新型虛擬仿真實驗平臺是基于土木工程專業(yè)教師的縱向、橫向科研項目開發(fā)的，目的是拓展學生視野，增長學生專業(yè)見識，激發(fā)學生學習動力，更新學生知識資源。該平臺主要包括：海工混凝土耐久性虛擬仿真實驗模塊、半剛性鋼框架擬靜力虛擬仿真實驗模塊、巖土滲流虛擬仿真實驗模塊、裝配式結構虛擬仿真實驗模塊、海水再生混凝土與海洋材料混凝土虛擬仿真實驗模塊、地源熱泵技術與應用虛擬仿真實驗模塊、側向撞擊內充介質管道虛擬仿真實驗模塊等。

從學生角度看，以學生為本開發(fā)實驗模塊，能夠使學生從虛擬仿真實驗中獲得操作技能、項目設計、工程施工、質量檢測等方面能力的提升。在完成土木工程規(guī)范中的基本專業(yè)實驗后，與專業(yè)教師的科研項目緊密結合，將“教-學-用”融為一體。通過與國內知名軟件公司聯(lián)合開發(fā)，使學生能夠在虛擬仿真中心完成土木工程項目的各個實踐環(huán)節(jié)，并基于虛擬仿真實驗中心的平臺，指導學生參加全國性學科競賽。

3 虛擬仿真實驗教學效果

虛擬仿真實驗教學雖然是“虛擬”的、不可能完全替代實體實驗教學，但確實是實驗教學的好幫手，具有快速便捷的優(yōu)勢。

我院虛擬仿真實驗教學中心自建成投入使用以來，得到師生的廣泛好評。2018年，在土木工程專業(yè)大四年級6個班中開展匿名調查，共發(fā)出241份調查問卷，收回有效調查問卷238份。認為對理論學習有極大促進、對虛擬仿真實驗非常感受興趣的在75%左右，希望將實體實驗室和虛擬實驗室相結合并希望在上課時間安排虛擬實驗的在75%以上。

調查表明，虛擬仿真實驗教學中心的建設極大地突破了傳統(tǒng)實驗教學的束縛，學生可以根據自己的時間和興趣來安排學習虛擬仿真實驗項目，很大程度上調動了學生的主觀能動性，是對學生開展創(chuàng)新性虛擬仿真實驗項目，并以此為基礎積極參加省級和國家級的創(chuàng)新競賽項目的極大鼓勵。

4 結語

虛擬仿真實驗教學中心不僅節(jié)約了實驗教學成本，更重要的是對傳統(tǒng)教學理念、教學模式、教學方法和手段的深刻變革。

虛擬仿真實驗教學在土木工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有較強的優(yōu)勢。土木工程虛擬仿真實驗教學資源體現(xiàn)了“層次化、模塊化、體系化”的特點，按照學校培養(yǎng)大綱，并考慮工程實踐與行業(yè)需求，建設了“教學—科研”型教學團隊，提升了學生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實踐能力、信息化應用能力、綜合素質和自主實驗學習興趣，提高了應用型人才培養(yǎng)成效。

[1] 林蕙青.努力實現(xiàn)新時代高校人才培養(yǎng)新作為[EB/OL].[2018-10-26]. http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/201810/ t20181026_352793.html.

[2] 曹玉珍，余輝，安家寶，等.基于體感交互的虛擬操作實驗系統(tǒng)設計[J].實驗室科學，2015, 18(4): 53–55.

[3] 蔡釩，陳愛城，王明茲，等.虛擬仿真實驗教學中心網絡化實驗教學體系的構建[J].實驗室科學，2018, 21(1): 121–123, 127.

[4] 錢猛，崔瑾，成丹，等.南京農業(yè)大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].微生物學通報，2016, 43(4): 861–866.

[5] 劉亞豐，吳元喜，蘇莉，等.生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].實驗技術與管理，2015, 32(9): 120–123.

[6] 徐明，熊宏齊，吳剛，等.土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗室研究與探索，2016, 35(2): 139–142, 216.

[7] 吳巖. 關于加快建設高水平本科教育情況介紹[EB/OL].[2018-06-22]. ttp://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_fbh/moe_2069/ xwfbh_2018n/xwfb_20180622/sfcl/201806/t20180621_340511.html.

[8] 紀金豹，李炎鋒，李振寶，等.土木工程虛擬實驗中心的建設與思考[J].實驗室研究與探索，2015, 34(10): 142-145, 156.

[9] 李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014(9): 82–85.

[10] 周文富.地方高校實驗教學模式改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2009, 28(7): 97–102.

[11] 胡振華，張憲堂，王崇革.淺談高等院校土木類開放實驗室的改革[J].實驗室科學，2015, 18(6): 169–171, 174.

[12] 解麗芳，林宏輝.虛擬實驗室在本科生物實驗教學中的作用[J].實驗技術與管理，2014, 31(9): 114–115, 258.

[13] 蔣建清，曹國輝，陳東海，等.應用型地方高校土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設探索[J].實驗室研究與探索，2018, 37(2): 144–149.

Construction and thinking of virtual simulation experimental teaching center for civil engineering

HU Zhenhua1,2, WANG Ying3, WANG Chongge1,2, LI Peng1,2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Qingdao 266590, China; 3. College of Transportation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

This paper expounds upon the construction idea of the Virtual Simulation Experimental Teaching Center in College of Civil Engineering and Architecture at Shandong University of Science and Technology which provides the service for the training of undergraduate civil engineering talents, the multi-platform and multi-level virtual simulation experiment teaching resource system and the actual effect of virtual simulation experiment teaching.

civil engineering; virtual simulation; experimental teaching; virtual experiment

TU17；G642.0

A

1002-4956(2019)10-0218-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.053

2019-02-22

2018山東省本科教改項目（251）；山東省研究生教育優(yōu)質課程建設項目（SDYC17028）；山東科技大學土木工程與建筑學院教學改革項目（JG201707）；山東省自然科學基金項目（ZR2019PEE044）；教育部產學合作協(xié)同育人項目（201802192023）

胡振華（1988—），男，山東肥城，在讀博士生，實驗室副主任，實驗師，主要從事實驗教學及實驗室管理。E-mail: skd994409@sdust.edu.cn

王穎（1987—），女，山東昌樂，博士，講師，主要從事本科教學與管理。E-mail: jiang101215@163.com