虛擬仿真實驗技術在土木工程專業(yè)留學生實驗教學中的應用探索

肖晶 曾繁麗 何建

摘要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化的重要內容。虛擬仿真實驗技術在實際實驗教學過程中的應用程度，直接關系到實驗教學的整體教學質量。隨著土木工程專業(yè)留學生隊伍的不斷壯大，加大力度進行虛擬仿真實驗教學體系建設，可有效提高留學生實驗教學水平。本文以哈爾濱工程大學土木工程專業(yè)實驗教學為例，闡述了虛擬仿真實驗技術應用在實驗教學中的必要性、應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，并以此為基礎，探索虛擬仿真實驗技術促進留學生實驗教學模式改革的途徑。

關鍵詞：土木工程專業(yè)；虛擬仿真；實驗教學中心；留學生教育

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0276-03

一、引言

隨著我國“一帶一路”倡議不斷加深，中國同不同國家、地區(qū)及國際組織之間的教育合作程度日益深厚。據教育部發(fā)布的全國來華留學生數(shù)據統(tǒng)計顯示，2017年共有48.92萬名外國留學生在我國高校學習，規(guī)模增速連續(xù)兩年保持在10%以上。“一帶一路”沿線國家留學生31.72萬人，占總人數(shù)的64.85%，增幅達11.58%，高于各國平均增速。目前，中國已成為亞洲最大留學目的國。其中，土木工程專業(yè)來華留學生不僅數(shù)量增長，層次、結構也不斷優(yōu)化，呈現(xiàn)出全新的發(fā)展態(tài)勢。如何整合教育資源、優(yōu)化課程結構、提高培養(yǎng)質量就成為留學生教育的關鍵。

二、虛擬仿真實驗技術在土木工程專業(yè)實驗教學中的應用優(yōu)勢

土木工程是基于實踐經驗發(fā)展而來的學科，其核心課程如混凝土結構設計原理、土木工程施工、工程概預算、鋼結構基本原理等都是在基本知識的實踐基礎上修正得來的，因此在教學過程中，實驗所占比重較其他專業(yè)更大。對一些無法現(xiàn)場展示的工程實踐，任課教師只能在課堂上展示圖片或視頻，缺少真實感，毫無新意，長此以往，導致學生在學習時對工程實際一知半解，嚴重影響了教學質量。

通過虛擬仿真實驗技術，學生可以在虛擬環(huán)境下精準模擬真實實驗，大大增強了實體實驗教學效果。在理論知識學習和實踐能力培養(yǎng)過程中，某些大型實驗、高危險性實驗等是在真實環(huán)境下難以復現(xiàn)、觀察或者成本較高、實施難度較大的。虛擬仿真技術的優(yōu)勢在于可精確模擬真實物理環(huán)境和作業(yè)任務，采用網絡技術、多媒體、人機交互等技術構建高度仿真的虛擬仿真實驗教學平臺，完成真實環(huán)境中難以操作的實驗，幫助學生隨著教學進度感性的理解教學內容，克服理論與實踐脫節(jié)的問題。此外，虛擬仿真實驗教學能夠節(jié)省實驗成本，提高實驗操作可重復率。土木工程專業(yè)實驗綜合性強，設備體量大，操作過程復雜，實驗材料消耗巨大，實驗操作中的操作失誤更是增加了實驗材料的浪費。引入虛擬仿真技術，對持續(xù)推進實驗教學信息化建設和推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新都具有無可替代的輔助優(yōu)勢。虛擬與真實實驗教學相輔相成，有效促進了高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力的提高。

三、虛擬仿真實驗技術應用于留學生實驗課程的意義及具體措施

1.虛擬仿真實驗技術應用于留學生實驗課程的意義。由于教學資源的局限，在實驗教學環(huán)節(jié)中，涉及危險性較高的大型實驗，出于對留學生人身安全的考慮，授課教師多選擇讓留學生觀摩而不實際操作，甚至直接放棄某些具有危險性和破壞性的實驗項目，嚴重影響了對留學生專業(yè)實踐能力和實用技能的培養(yǎng)。

將虛擬仿真實驗技術應用到留學生實驗教學環(huán)節(jié)的實際教學改革中，運用其強大的信息處理和動態(tài)仿真能力，模擬實踐現(xiàn)場場景，對解決留學生教學實踐環(huán)節(jié)中的困難助益頗大。通過虛擬仿真實驗技術，留學生可以在實驗室中的虛擬仿真環(huán)境里安全實驗，彌補了實體實驗實踐教學的不足。

2.虛擬仿真實驗技術應用于留學生實驗課程的實踐探索。我國在利用虛擬仿真技術開展教學改革方面與西方發(fā)達國家高等院校相比雖起步較晚，但總體發(fā)展迅速。在實驗教學方面針對留學生的教學工作由無到有再到規(guī)模穩(wěn)定，經歷了不輟的探索與變革。將虛擬仿真實驗技術引入留學生實驗教學中，實現(xiàn)土木工程專業(yè)與現(xiàn)代信息技術深度融合，具體表現(xiàn)形式主要包括虛擬仿真實踐教學素材開發(fā)、虛擬仿真實驗課程體系構建、虛擬仿真實驗教學實驗室建設等。哈爾濱工程大學土木工程專業(yè)在探索虛擬仿真實驗技術應用于留學生實驗教學的實踐中，主要措施包括以下三項：（1）建設完善的軟硬件相結合的虛擬仿真平臺。土木工程專業(yè)虛擬仿真實驗平臺包含硬件和軟件平臺兩個層次。根據單元化集成大平臺的總體思路，搭建了以“土木實驗”為中心的實驗環(huán)境和以“實驗室教學云”的網絡環(huán)境為一體的硬件平臺，在硬件上實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬的互動；軟件平臺主要是指實驗課程體系的構建，也包括實驗室運行制度與機制的設計，架構了“1-3-5-7”虛擬仿真實驗教學體系，即：1個實驗中心平臺（搭建一個實驗中心管理門戶系統(tǒng)）、3個階段（設計階段、施工階段、管理階段）、5組模塊（建筑設計、建筑結構、建筑設備、建筑施工、建筑管理）、7類實驗教學單元（理論力學、材料力學、結構力學、綠色建筑、BIM建模、施工工藝、項目管理），實現(xiàn)專業(yè)建設、學科建實室建設的良性促進。此外，土木工程專業(yè)已與某建筑研究院就建筑工程虛擬交互信息技術達成資源整合協(xié)議，旨在打造出中國第一個建筑工程虛擬仿真實訓平臺，開拓并引導了中國建筑工程虛擬仿真教學模式的先河。（2）在授課過程中引入虛擬仿真技術，提高理論及實驗授課效果。以材料力學實驗、土力學專業(yè)綜合實驗、工程結構實驗等課程為例，這些課程均為土木工程專業(yè)的基礎性專業(yè)實踐課程，授課方式多為先理論教授后實驗或邊理論邊實驗。理論課的授課效果直接影響到實驗的實際操作效果。目前情況下，即使是經過漢語培訓的學生，在授課語言為中文的課堂上也無法全面深入的領會課堂內容。因此，土木工程實驗中心已設立了大型實驗課的英語授課班，并組織專門的實驗教師演示虛擬仿真技術模擬的實驗過程，利用校園網等網絡教學平臺，將理論授課資源及虛擬實驗資源等以電子教學素材的形式提供給留學生，將課堂理論教學網絡電子教學協(xié)同進行，方便留學生課前預習與課后復習。此外，授課教師還可以與留學生通過網絡隨時進行討論與交流，進一步幫助留學生熟悉實驗過程。（3）開發(fā)虛擬仿真實驗課程，豐富實驗教學素材。實現(xiàn)虛擬仿真實驗技術在留學生實驗課程教學中的運用，一方面要求留學生需要掌握與對應虛擬仿真實驗技術相關的基本知識，熟悉所要使用的常用軟件工具；另一方面，開發(fā)基于該技術的虛擬實踐教學素材。這就要求教學團隊在制訂教學計劃時要考慮開設相關的實驗技術課程。因此，土木工程虛擬仿真中心教學團隊針對課程設置，在實驗大綱中加入了英文授課的BIM施工技術、可靠性軟件應用、工程力學問題數(shù)值仿真等課程，聘請合作企業(yè)的工程技術人員作為虛擬實驗教學中心的兼職教師，定期開展軟件技術培訓，邀請國外專家來校為學生做Eclipse、ABAQUS、Web Builder、ANSYS、PKPM等專業(yè)仿真計算軟件的講座。虛擬仿真實驗技術課程的開發(fā)，加強了理論知識與實踐動手操作的聯(lián)系，不僅加深了留學生對課堂知識的理解，提高了綜合運用知識的能力，更促進了留學生與中國學生的知識融合，鍛煉其協(xié)調處理技術問題和人際關系的能力，調動學生自主學習的主動性和積極性。（4）不斷加強師資隊伍建設，提高授課教師的授課水平。制約虛擬仿真實驗教學發(fā)展的關鍵因素是缺乏可以教授英文實驗課程的專業(yè)教師，由于虛擬仿真技術具有很強的技術性，基于虛擬仿真實驗技術的實驗課程對授課教師提出了更高的要求。教師需要具備較強的實驗操作能力，熟悉所講授的實驗過程。另外，由于接受指導的受眾為留學生，就額外要求授課教師需要具備一定的英語水平及溝通能力。為解決這一問題，實驗教學團隊陸續(xù)派出大批中青年教師赴海外進修學習，并聘請外籍教師定期授課。目前留學生實驗課已實現(xiàn)全英文授課。

四、建設成效

土木工程虛擬仿真教學資源按照校內外的實踐需求，總體上實現(xiàn)了實踐效果全程跟蹤；在實踐內容上，滿足核心能力、專項能力以及崗位能力的全覆蓋；在教學模式上，通過全新的教學手段提高了學生的動手能力，實現(xiàn)理論知識之間的相互串聯(lián)以及理論與實踐知識的雙向支撐，增強了教學的系統(tǒng)性，提升了專業(yè)人才的培養(yǎng)能力。

1.留學生自主實驗能力與開放性思考能力大幅提高。通過虛擬仿真實驗平臺，留學生從被動接受變?yōu)橹鲃訉W習，“全天候虛擬實踐教學環(huán)境”能讓學生在操作時，隨時隨地強化對理論知識的理解和記憶，加強對專業(yè)實踐技能的掌握；通過對體系健全、資源豐富、趣味性強的學習和操作，引導留學生建立開放性的思維模式，實現(xiàn)留學生實驗教學自主化的目標。目前，土木工程專業(yè)虛擬實驗室在留學生實驗課程、本科留學生畢業(yè)設計、研究生畢業(yè)論文等教學環(huán)節(jié)中占據了重要位置，除日常課程外，還滿足了留學生自主實驗的需求，為留學生的科研活動提供了堅實的硬件資源保障。

2.教學手段優(yōu)化，教學模式升級。教學過程中虛擬仿真技術手段的運用，讓實驗課不再局限于傳統(tǒng)的方式，授課教師更靈活生動的指導學生鞏固和理解課堂知識，更有效的實現(xiàn)理論知識之間的相互串聯(lián)以及理論與實踐知識的雙向支撐，增強教學的系統(tǒng)性。

3.帶動專業(yè)教學改革，全方位深化校企合作。土木工程專業(yè)虛擬仿真資源平臺實現(xiàn)了實踐教學領域里的信息化建設，在當前教育資源信息化的大背景下，有效的對理論和實踐資源進行了優(yōu)勢整合，這種信息化的建設模式為同類院校同類專業(yè)的教學改革提供了一定的方向指導。同時，虛擬仿真資源平臺在建設過程中，與國內合作企業(yè)如中建一局、北京城建集團的海外工程項目密切結合，建立了留學生實訓基地，真正實現(xiàn)了留學生專業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)的無縫對接。

五、結語

虛擬仿真實驗技術是高校信息化的重要內容，開展虛擬仿真實驗教學建設是高等教育改革的一項重大舉措，是新時期高校人才培養(yǎng)的重要任務，也是未來實驗教學改革發(fā)展的必然趨勢?；诙嗄陙韺嶒灲虒W的改革經驗，力學專業(yè)實驗室正逐漸加強力學虛擬仿真實驗教學內容、資源的建設。虛擬仿真實驗教學因其突出的靈活性大大增加了留學生實驗教學環(huán)節(jié)的授課效果。隨著建設工作的不斷深入，還會有不少新的問題產生，這需要我們在實踐中加以完善解決。

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