融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的道路工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

韋慧 金嬌 張宇豪

摘 ?要：在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為了重要手段之一。大學(xué)課程門類眾多，不同課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)也不同，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的模塊。該文結(jié)合現(xiàn)代道路工程特色及虛擬仿真技術(shù)，首先闡述開展道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)再提出道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路及模塊設(shè)計(jì)方案，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)人才培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：道路工程 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn) ?教學(xué)體系 ?模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（c）-0055-02

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已在眾多高校得到廣泛應(yīng)用，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和本科、研究生教育信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種借助數(shù)據(jù)庫、多媒體、人機(jī)交互、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，模擬儀器設(shè)備、真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景操作流程和環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作軟硬件操作環(huán)境部分替代或全部替代的一種具有極具發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)手段。近年來，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已成為教學(xué)改革的方向之一。因此，深入思考專業(yè)特點(diǎn)，挖掘其優(yōu)質(zhì)的教育資源，對(duì)道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)人才培養(yǎng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義

作為土木工程的一個(gè)分支，道路工程專業(yè)內(nèi)容涵蓋范圍極廣，包括：道路網(wǎng)規(guī)劃，路線勘測(cè)設(shè)計(jì)，路基、路面、給排水、橋涵、隧道工程、附屬設(shè)施工程的設(shè)計(jì)施工，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)施工等。進(jìn)行融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的道路工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有重要意義。

（1）道路工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)綜合性較強(qiáng)、設(shè)備體量大、資源消耗大、試驗(yàn)成本高，需要大量重復(fù)性試驗(yàn)，材料消耗大，耗時(shí)長，不同類型試驗(yàn)，試件規(guī)格不一致，難以反映其性能特征。

受到場(chǎng)地和實(shí)習(xí)時(shí)間的限制，還有一些與實(shí)際工程結(jié)合緊密的實(shí)驗(yàn)無法在實(shí)驗(yàn)室完成，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要么靠教師通過粉筆+黑板、現(xiàn)場(chǎng)圖片進(jìn)行講解，要么只能簡化試驗(yàn)操作配以口頭講解完成教學(xué)過程，或者只能現(xiàn)場(chǎng)簡單參觀工程但無法通過實(shí)際操作了解整體工程的工藝流程，教學(xué)效果不良。通常，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法完成的危險(xiǎn)性、極端破壞性、試驗(yàn)周期過長的實(shí)驗(yàn)，往往可借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，將抽象的實(shí)驗(yàn)過程生動(dòng)、逼真、立體地表現(xiàn)出來，增強(qiáng)課堂趣味性，使學(xué)生樂于接受。

（2）道路工程專業(yè)許多實(shí)驗(yàn)為大型綜合類實(shí)驗(yàn)，相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)選課學(xué)生多且實(shí)驗(yàn)安排難度較大、學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的自主性不強(qiáng)，那么在虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K下，學(xué)生可以不受課時(shí)和資源的限制，完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，輕松改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同條件下的實(shí)驗(yàn)研究，隨機(jī)產(chǎn)生不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)定量分析，這樣有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入了解，有利于學(xué)生對(duì)問題的綜合分析，以及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

（3）同時(shí)，還可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。此外，在本科生課外創(chuàng)新和科研課題的訓(xùn)練過程中，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2 ?道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立

（1）建設(shè)理念。

結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)方針，以道路工程行業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的建設(shè)原則，緊跟現(xiàn)代道路工程及虛擬仿真技術(shù)進(jìn)展，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)學(xué)科交叉，構(gòu)建大數(shù)據(jù)、大平臺(tái)、跨專業(yè)共建平臺(tái)，以全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，將能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授進(jìn)行融合，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)形式改革，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維精神、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力，以實(shí)現(xiàn)信息共享、教學(xué)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)等目的。

（2）模塊設(shè)計(jì)。

不同高校的道路工程專業(yè)都具有各自的特色，在模塊的設(shè)計(jì)上不能生搬照抄，而是凸顯自身特色，取長補(bǔ)短，設(shè)立有利于拓寬教育改革和科學(xué)研究的虛擬仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系。從大類上，道路工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可分為道路工程設(shè)計(jì)、交通基礎(chǔ)設(shè)施施工與檢測(cè)、交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理三大模塊。

道路工程設(shè)計(jì)模塊可下設(shè)道路勘測(cè)設(shè)計(jì)、工程測(cè)量、路基路面設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。針對(duì)道路工程變形測(cè)量、健康監(jiān)測(cè)、路線選線、路基路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在無實(shí)際操作環(huán)境等的問題和難點(diǎn)，采用虛擬儀器、課件大師、Flash動(dòng)畫及其他制作工具，向?qū)W生傳授基本測(cè)量、設(shè)計(jì)技能，分步驟展示實(shí)體工程全國過程測(cè)量和設(shè)計(jì)過程，引導(dǎo)學(xué)生生動(dòng)地了解測(cè)量、設(shè)計(jì)的各個(gè)流程，達(dá)到為本科生理論學(xué)習(xí)聯(lián)系實(shí)際工程實(shí)踐提供過渡性平臺(tái)的目的和效果。

交通基礎(chǔ)設(shè)施施工與檢測(cè)模塊可下設(shè)土木工程材料、路基路面施工及檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)和場(chǎng)地條件有限，實(shí)驗(yàn)過程消耗大，開展虛擬試驗(yàn)。由于土木工程材料、路基路面施工及檢測(cè)實(shí)驗(yàn)量大，實(shí)操性強(qiáng)，則模塊內(nèi)容可包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)規(guī)程、實(shí)驗(yàn)視頻、虛擬實(shí)驗(yàn)操作5個(gè)部分。要充分利用豐富的多媒體資源、圖像處理、數(shù)值計(jì)算技術(shù)，使虛擬實(shí)驗(yàn)過程更加形象化。對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作特別需要注意的地方，設(shè)計(jì)一些常見操作錯(cuò)誤的過程環(huán)節(jié)并進(jìn)行糾錯(cuò)及說明，使學(xué)生充分了解和掌握實(shí)驗(yàn)過程。

交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理模塊可下設(shè)道路養(yǎng)護(hù)管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、交通流監(jiān)控及仿真實(shí)驗(yàn)等。采用路面破損系統(tǒng)輔助識(shí)別系統(tǒng)、基于GIS的道路智能化養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)軟件、交通流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，為學(xué)生提供仿真軟件操作平臺(tái)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)、交通流量監(jiān)測(cè)實(shí)踐，使學(xué)生熟練掌握道路養(yǎng)護(hù)過程中路面病害診斷與評(píng)價(jià)、路面性能預(yù)測(cè)、交通控制等的方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能。

此外，還可設(shè)立研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以學(xué)生自主選題為主，利用已有的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件，學(xué)生可自行開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作，到數(shù)據(jù)和圖形分析等，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

3 ?結(jié)語

在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為重要的教學(xué)手段之一。利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠節(jié)約教學(xué)資源、減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備損耗、實(shí)現(xiàn)教師指導(dǎo)工作的高效化，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)短板，其重要作用和現(xiàn)實(shí)意義不可估量。

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