計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

林向宇

摘要：伴隨著第四次工業(yè)革命的到來，土木工程作為高等院校的重點(diǎn)學(xué)科，對新科技的運(yùn)用也達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度。由于土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)工程實(shí)踐應(yīng)用型人才的重要手段和載體，自然離不開計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的支持，本文就結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和土木工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身的特點(diǎn)，淺談計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在土木工程類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性以及應(yīng)用設(shè)想。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);虛擬仿真技術(shù);社會發(fā)展;土木工程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0147-02

當(dāng)前我國建筑行業(yè)發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)土木工程教學(xué)的弊端逐漸顯現(xiàn)出來，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能夠全部實(shí)現(xiàn)，土木工程類學(xué)生實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)少，創(chuàng)新能力較弱等問題更為顯著[1]。計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)作為一種新型的學(xué)習(xí)模式應(yīng)運(yùn)而生，它不僅打破了空間、時(shí)間、地域的限制，更為教育節(jié)約了成本，更具有安全性。實(shí)現(xiàn)教育的可持續(xù)發(fā)展。

1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)

1.1 定義

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，它是隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而慢慢形成的，伴隨著社會信息化的極速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越嫻熟，虛擬仿真技術(shù)逐步自成體系，成為人們認(rèn)識自然界的一種新的方法，一種新型的技術(shù)[2]。計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)又可以稱為模擬技術(shù)或者虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

1.2 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)基本特性

虛擬仿真技術(shù)有以下四個(gè)基本特性：感知性，虛擬仿真技術(shù)能夠讓使用者獲得身臨其境的多種感覺;交互性，虛擬仿真技術(shù)能夠使環(huán)境與使用者互相作用，互相控制;虛幻性，虛擬仿真技術(shù)所模擬出來的環(huán)境既可以是真實(shí)存在的，也可以把人們設(shè)想的環(huán)境模擬出來;逼真性，虛擬仿真系統(tǒng)所虛擬的環(huán)境與現(xiàn)實(shí)客觀環(huán)境十分相似，并且使用者作用于虛擬環(huán)境時(shí)，也符合客觀世界的規(guī)律[3]。

2 土木工程類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)

土木工程，是建造各類土地工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)地統(tǒng)稱。土木工程是除了房屋建設(shè)以外的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、安裝、維護(hù)等各項(xiàng)技術(shù)的工程實(shí)體。土木工程現(xiàn)在是國家的支柱行產(chǎn)業(yè)，我們國家正處于現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè)期，需要的科學(xué)技術(shù)人才也會逐漸增加。土木工程是涉及知識與技術(shù)是方方面面，影響土木工程的因素也非常的復(fù)雜多樣。

土木工程本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在中國各大高校中，設(shè)有土木工程本科的專業(yè)非常多，地域分布也比較廣泛。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程本科教學(xué)中的重中之重，原來土木工程科學(xué)教學(xué)重視理論教學(xué)為主，老師教，學(xué)生背，大部分的精力都放在考試上，以應(yīng)付考試為主[4]。由于實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，開支大，安排難度大，導(dǎo)致對實(shí)驗(yàn)教學(xué)不重視，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)驗(yàn)積累少。隨著國家的不斷發(fā)展，土木工程的專業(yè)人員需求量的增加，要求土木工程專業(yè)知識的掌握，實(shí)踐知識的運(yùn)用要求越來越高。

3 虛擬仿真技術(shù)是土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段

隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展，土木工程的專業(yè)人才需求量也與日俱增，高校的土木工程專業(yè)的規(guī)模也越來越大。截止到目前，我國開設(shè)土木工程專業(yè)的學(xué)校達(dá)到幾百所，在校的土木工程的學(xué)生達(dá)到幾十萬人。

土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)綜合性是非常強(qiáng)的，在普遍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室的建成，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的完善，所需要的設(shè)備大及昂貴，不僅成本高而且每年還要承擔(dān)高昂的耗材費(fèi)用，所需要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境也較為惡劣，安全性低，高危險(xiǎn)，而且許多實(shí)驗(yàn)的周期是非常長的，并且一些大型復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)許多本科學(xué)生都是無法直接參與的。實(shí)驗(yàn)的形式單一，知識點(diǎn)不集中，許多土木工程的本科學(xué)生只能見到施工的一小部分，許多經(jīng)典的建筑物都是無法通過實(shí)際操作親自了解其整體的工藝技術(shù)的，這種培養(yǎng)土木工程人才的方式方法，與我們所需要的土木工程的技術(shù)人員的實(shí)際要求大相徑庭。

隨著科學(xué)技術(shù)地發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，通過此技術(shù)的不斷完善，虛擬仿真技術(shù)被充分地運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，填補(bǔ)高等學(xué)校土木工程學(xué)科中的不足，發(fā)揮了巨大的作用。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)教學(xué)利用計(jì)算機(jī)的虛擬情境，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”的理念的原則[5]。利用“虛”的手段來達(dá)到“實(shí)”的目標(biāo)。使全部的學(xué)生都能切身參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，利用虛擬的實(shí)驗(yàn)手段，將土木工程的大型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示及其操作，并融入土木工程本科學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課后實(shí)踐的環(huán)節(jié)中來。土木工程的學(xué)生可以親自操作虛擬儀器，得到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直接感受，更加系統(tǒng)的了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，深刻體會實(shí)驗(yàn)的意義，得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)反饋。有效的幫助學(xué)生建立起局部到整體的直觀的感性認(rèn)識，改變原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中走過場的現(xiàn)象，提高教學(xué)和研究的效率。

4 虛擬仿真技術(shù)在土木工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的目的

當(dāng)今社會人才的培養(yǎng)必須與當(dāng)今社會的時(shí)代背景相結(jié)合，土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)就是將二者緊密地結(jié)合起來，并加強(qiáng)了學(xué)生理論與實(shí)際之間的聯(lián)系，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。把培養(yǎng)具有實(shí)際操作能力的土木工程的專業(yè)人才作為根本目標(biāo)[6]。通過在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對虛擬仿真技術(shù)的大量運(yùn)用，建立一套能夠突出土木工程類專業(yè)特點(diǎn)的人才培養(yǎng)方案。建立一個(gè)新型的，具有自身教學(xué)特點(diǎn)的，具有多層次的，不受空間，時(shí)間限制的，課內(nèi)課外協(xié)調(diào)發(fā)展的，以提高學(xué)生的實(shí)際操作能力為重點(diǎn)的人才培養(yǎng)體系。虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用讓土木工程類的本科學(xué)生能夠更好擁有敏銳的思維，開闊自己的視野。不斷推進(jìn)土木工程類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，為社會培養(yǎng)更多的優(yōu)秀的土木工程的專業(yè)性人才。

5 虛擬仿真技術(shù)在土木工程類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用的規(guī)劃

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的越用越來越為廣泛，建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也就成為必然產(chǎn)物。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立可實(shí)現(xiàn)土木工程本科生信息化資源共享[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，任何時(shí)間都可以為實(shí)驗(yàn)者提供學(xué)習(xí)、研究的場所—虛擬實(shí)驗(yàn)室，滿足了實(shí)驗(yàn)者學(xué)習(xí)的要求，同時(shí)不存在設(shè)備磨損，儀器故障等干擾，大大提高了學(xué)習(xí)研究的效率。人們慢慢認(rèn)識到虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心在教育方面的價(jià)值，因此，建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已然成為國家重視的項(xiàng)目之一。

5.1 “虛實(shí)”結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

虛擬仿真技術(shù)在土木工程類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要分為兩大類，一類是基礎(chǔ)項(xiàng)課程，它主要包括房屋建筑、建筑施工技術(shù)等許多共享基礎(chǔ)課的實(shí)訓(xùn);一類是專業(yè)模塊課程，它主要包括的是地基與基礎(chǔ)、建筑結(jié)構(gòu)等虛擬仿真教學(xué)。

“虛實(shí)”結(jié)合就是將土木工程的虛擬仿真技術(shù)試驗(yàn)教學(xué)與土木工程綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有機(jī)地結(jié)合起來，給土木工程的學(xué)生創(chuàng)造更多的動手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能將理論知識運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中來，即加強(qiáng)了理論知識的理解、運(yùn)用，又能全面體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開闊學(xué)生的眼界。就現(xiàn)在而言，許多高校已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變思路，對于土木工程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法已經(jīng)有了很大的轉(zhuǎn)變，不僅僅局限于書本、考試，而是將“虛實(shí)”結(jié)合起來，教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，讓學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)高端人才提供重要的基礎(chǔ)。

5.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)理念

土木工程專業(yè)是一門實(shí)踐性比較強(qiáng)，對于專業(yè)能力和實(shí)際操作能力比較高的專業(yè)，土木虛擬仿真教學(xué)中心在建設(shè)過程中要牢牢把握這一根本特點(diǎn)，把明確實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)整個(gè)主線貫穿于整個(gè)虛擬仿真平臺規(guī)劃的始終，以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)體為目標(biāo)，虛擬為基本手段，相互結(jié)合，從而加強(qiáng)整個(gè)理論與實(shí)踐動手的聯(lián)系，從而讓學(xué)生擁有更強(qiáng)的工程實(shí)踐能力。

5.3 土木工程類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)步驟

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程類的運(yùn)用和開發(fā)上，始終堅(jiān)持的基本思路——“重點(diǎn)開放、積極引進(jìn)、軟硬結(jié)合、適當(dāng)超前”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)在面向?qū)W生的開放模式主要有不限時(shí)開放、預(yù)約開放、全天開放，確保資源得到最大限度的利用[8]。土木工程類在運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)候主要選擇實(shí)驗(yàn)難度大、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)場地不易選擇、危險(xiǎn)性高的項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)，同時(shí)也要引進(jìn)國內(nèi)外成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，充分實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可操作性、真實(shí)性。

5.4 完善體系，建立土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

各部門經(jīng)過不斷完善體系，加強(qiáng)平臺建設(shè)，使得自身有力足夠的能力建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。土木工程類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心要求我們要根據(jù)實(shí)際情況來聘請專業(yè)的教學(xué)名師，專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，來充實(shí)我們的師資力量。同時(shí)我們還要引進(jìn)土木工程類企業(yè)中的優(yōu)秀者、佼佼者來加入我們的教師隊(duì)伍，使得我們的虛擬仿真中心的教師校內(nèi)師資力量與企業(yè)佼佼者，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，為我們的土木工程的學(xué)生提供更為全面的教學(xué)，與此同時(shí)，土木工程的學(xué)生除了對所學(xué)知識進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，還要多注重將專業(yè)的虛擬仿真成果運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建成為我們土木工程專業(yè)的學(xué)生提供了更為豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇，讓學(xué)生身臨其境地參與到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，更有利于我們培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的專業(yè)的土木工程人才[9]。

5.5 土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的效果

虛擬仿真中心的建立，可以促使土木工程的學(xué)生更多地參與實(shí)驗(yàn)活動，實(shí)踐能力也會大大提高，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，也進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)了我們所提倡的在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中成長的教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平也在不斷地提高，提高教學(xué)質(zhì)量。

國家級虛擬仿真中心的成立，促進(jìn)了高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系的發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)了資源共享，為學(xué)生到校外學(xué)習(xí)、參加實(shí)踐等活動奠定了基礎(chǔ)，拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，強(qiáng)化了工程素質(zhì)的培養(yǎng)。大大提升了土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新性。

6 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的不斷深入和發(fā)展，以虛擬仿真技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐漸進(jìn)入學(xué)校，這也為學(xué)生充分運(yùn)用高科技，推動技術(shù)的進(jìn)步提供了很好的機(jī)會。在今后計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必將不斷推進(jìn)土木類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，將實(shí)際工程與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，二者揚(yáng)長避短，促使計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)踐型，專業(yè)型的土木工程人才上貢獻(xiàn)一份力。

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