土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的分析與思考*

周宇，王文仲，張忠武（佳木斯大學(xué) 黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

對(duì)學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)在培養(yǎng)其邏輯思維能力、創(chuàng)新精神、動(dòng)手操作能力方面有著推動(dòng)性作用，這是其他教學(xué)方式無(wú)法企及的。尤其是對(duì)土木工程專業(yè)而言，要想適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，必須要建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以此保證教學(xué)活動(dòng)落實(shí)到位。而怎樣充分發(fā)揮平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和作用，成為教育領(lǐng)域重點(diǎn)研究主題。

1 平臺(tái)建設(shè)的目的及意義

現(xiàn)階段，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，土木工程愈發(fā)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)種類繁雜、空間體量龐大、施工周期久、監(jiān)管系統(tǒng)化的特點(diǎn)。在以往土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)里，施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)學(xué)習(xí)與認(rèn)知學(xué)習(xí)，是一種花費(fèi)一周時(shí)間觀看構(gòu)架組裝、花費(fèi)一年時(shí)間觀看基坑施工的狀態(tài)。加上過(guò)去的校內(nèi)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常被技術(shù)水平和設(shè)施所限制，實(shí)驗(yàn)方式過(guò)于單調(diào)，內(nèi)容空洞，知識(shí)銜接不連貫，展現(xiàn)出一隅之見的弊端，無(wú)法順應(yīng)現(xiàn)代建筑領(lǐng)域飛速發(fā)展對(duì)人才塑造提出的嚴(yán)格要求。亟需進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，不斷擴(kuò)充此方面的教學(xué)資源，打造出和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相輔相成、長(zhǎng)處互補(bǔ)、虛實(shí)結(jié)合的土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以解決現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

所謂虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是一種需要計(jì)算機(jī)支持的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)用的先進(jìn)教學(xué)技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)硬件與軟件設(shè)施模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的情境、儀器設(shè)施、試驗(yàn)現(xiàn)象、操作環(huán)節(jié)，能有效解決現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間久、高危險(xiǎn)性、材料損耗多等問(wèn)題，開展低投入、24小時(shí)在線的土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。利用此技術(shù)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，能良好的處理教學(xué)過(guò)程中的不足，有利于學(xué)生塑造動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新認(rèn)識(shí)、現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用能力以及獨(dú)立學(xué)習(xí)能力[1]。

2 平臺(tái)建設(shè)的方法及實(shí)施途徑

2.1 建設(shè)多層次 立體化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

通過(guò)構(gòu)建此平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)習(xí)理論知識(shí)和提高操作水平的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，全方位優(yōu)化教學(xué)效果，開拓學(xué)生視野，提高創(chuàng)新精神。土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程和練習(xí)項(xiàng)目中包括了各種等級(jí)難度，從基礎(chǔ)定義上升到探究創(chuàng)新；涵蓋了各種知識(shí)寓意，如施工、管理、建筑等等；展現(xiàn)了各種實(shí)現(xiàn)形式，如動(dòng)手實(shí)踐、認(rèn)知體驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等等。

2.2 利用科研基地完成科研成果向教學(xué)內(nèi)容的轉(zhuǎn)變

依靠我國(guó)專業(yè)科研基地，主動(dòng)把科研隊(duì)伍的探究項(xiàng)目轉(zhuǎn)變成土木工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，研發(fā)出虛實(shí)結(jié)合的綜合工程練習(xí)項(xiàng)目，把仿真、虛擬、設(shè)計(jì)集成一體，讓學(xué)生可以在此平臺(tái)上進(jìn)行施工、設(shè)計(jì)等一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，推動(dòng)科研和教學(xué)的完美融合，為培養(yǎng)新時(shí)代人才奠定良好基礎(chǔ)。

2.3 校企協(xié)作 建設(shè)與真實(shí)工程相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

學(xué)校要依靠當(dāng)?shù)仄髽I(yè)，和其加強(qiáng)協(xié)作，把各大企業(yè)成功建設(shè)的土木工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)變成虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，讓學(xué)生可利用此平臺(tái)去親自感受和操作工程建設(shè)過(guò)程中的各個(gè)流程，感受工程實(shí)踐的必要性，為其將來(lái)能勝任工作崗位創(chuàng)造有利條件[2]。

2.4 有效運(yùn)用校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)

平臺(tái)在優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源的過(guò)程中，必須要重視師資團(tuán)隊(duì)的建設(shè)與管理系統(tǒng)的完善。積極引進(jìn)企業(yè)教師團(tuán)隊(duì)，保證實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)與專業(yè)知識(shí)教學(xué)能有序進(jìn)行，學(xué)校師資和企業(yè)資深員工互相配合，專兼融合，內(nèi)外聯(lián)系，不斷把虛擬仿真技術(shù)和科研創(chuàng)新成果和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。針對(duì)管理工作而言，則可創(chuàng)建三維開放化體系，即內(nèi)容、時(shí)間與空間三大維度，從而滿足學(xué)生的各種實(shí)際需求。

2.5 合理應(yīng)用校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為學(xué)生們供應(yīng)了多樣性的項(xiàng)目便于其挑選，能真正實(shí)現(xiàn)資源共享，改善了傳統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的弊端，更有助于塑造其創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)造力。安排課程時(shí)要結(jié)合土木工程專業(yè)系統(tǒng)化、模塊化和層次化的特征，確保實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，以此開拓學(xué)生知識(shí)視野。這些實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目能把實(shí)驗(yàn)室與施工現(xiàn)場(chǎng)紛紛帶進(jìn)課堂，為學(xué)生們進(jìn)一步感悟知識(shí)要點(diǎn)，憑自己操作完成繁雜性高、危險(xiǎn)性大、專業(yè)性高的專業(yè)技能供應(yīng)了一目了然的、現(xiàn)代化的練習(xí)平臺(tái)。從而讓實(shí)踐和教學(xué)能充分融合在一起，對(duì)塑造綜合素養(yǎng)較高的復(fù)合型人才有著重大意義。

2.6 土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架構(gòu)

2.6.1實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成

第一，情境建設(shè)模塊。主要有真實(shí)感模型建設(shè)模塊、虛擬環(huán)境建設(shè)模塊以及3D模型引進(jìn)接口。其中后者的作用是引進(jìn)外界真實(shí)感模型，建設(shè)3D真實(shí)造型等；前者作用在于針對(duì)引進(jìn)的3D模型展開真實(shí)感模型襯托。而虛擬環(huán)境建設(shè)主要是對(duì)地形、天空以及施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)體結(jié)構(gòu)和施工情境進(jìn)行布置。

第二，情境監(jiān)管模塊。重點(diǎn)控制虛擬環(huán)境、模型襯托、動(dòng)態(tài)虛擬、漫游、視角等方面。其中模型襯托控制是按照實(shí)物的仿真數(shù)據(jù)，比如施工流程、狀態(tài)等挑選襯托形式。環(huán)境襯托控制是按照提供的參數(shù)展開虛擬環(huán)境襯托，比如：天空、光照、施工情境以及地形等等。針對(duì)動(dòng)態(tài)虛擬控制而言，是按照模型的行動(dòng)信息展開動(dòng)畫襯托與動(dòng)態(tài)模擬，例如塔吊的升降和旋轉(zhuǎn)，要件的工序轉(zhuǎn)變與汽車的運(yùn)作等等。視角方面是指3D動(dòng)態(tài)觀看、不同視圖閱覽、窗口的縮小和放大等等。漫游方面則是根據(jù)固定線路轉(zhuǎn)移視點(diǎn)，可以做到對(duì)模型進(jìn)行不同視點(diǎn)的動(dòng)態(tài)閱覽。

第三，數(shù)據(jù)監(jiān)管模塊。完成平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)管與訪問(wèn)，主要是用戶權(quán)限分配、用戶注冊(cè)登錄與認(rèn)證、數(shù)據(jù)應(yīng)用權(quán)限監(jiān)管以及協(xié)同工作監(jiān)管。其中協(xié)同工作監(jiān)管是利用簽入簽出機(jī)制確保不同用戶協(xié)同作用，以防數(shù)據(jù)并發(fā)應(yīng)用。數(shù)據(jù)應(yīng)用權(quán)限監(jiān)管是按照用戶分配的權(quán)限展開身份認(rèn)證與狀況反映，以防不良操作與越權(quán)操作[3]。

第四，交互模塊。涵蓋虛擬情境襯托結(jié)果的呈現(xiàn)、模型信息的呈現(xiàn)、情境建設(shè)和監(jiān)管界面等等。

第五，對(duì)外接口。能和工程施工虛擬仿真體系展開信息溝通，此體系把進(jìn)程數(shù)據(jù)與最終結(jié)果，利用接口傳輸?shù)教摂M仿真平臺(tái)上展開掌控與襯托，環(huán)境指數(shù)和情境模型數(shù)據(jù)同樣能利用此接口傳輸?shù)竭@一體系之中。

2.6.2 平臺(tái)功能

一方面，教學(xué)功能。為有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求的土木工程專業(yè)課程提供支持，比如：資料式課件和流媒體、多媒體課件，教師能實(shí)時(shí)上傳，學(xué)生能迅速搜尋。最關(guān)鍵的是，教師能在此平臺(tái)上講課，布置實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，留作業(yè)；學(xué)生則能參照課件展開自主學(xué)習(xí)，及時(shí)反饋教師傳達(dá)的有效信息。實(shí)訓(xùn)功能?？烧归_人機(jī)交互與過(guò)程示范實(shí)驗(yàn)。有的實(shí)驗(yàn)必須要利用過(guò)程示范把其生動(dòng)形象的呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，讓學(xué)生以三維動(dòng)畫模型的方式親自實(shí)踐，比如：圍繞構(gòu)造模型、剖析流程、數(shù)據(jù)處置、項(xiàng)目施工等進(jìn)程展開各種視角的動(dòng)態(tài)示范。此外，有的實(shí)驗(yàn)則必須要通過(guò)人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如：結(jié)構(gòu)參數(shù)運(yùn)算，人工為系統(tǒng)添加需要的參數(shù)，讓其能順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，通過(guò)系統(tǒng)獲得的結(jié)果有利于學(xué)生自學(xué)，進(jìn)而達(dá)成實(shí)訓(xùn)目標(biāo)。此模塊伴隨需求而逐漸優(yōu)化，基于現(xiàn)階段的仿真實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)示范，研究出更加合理的新功能，比如探討、評(píng)優(yōu)與預(yù)習(xí)評(píng)估等等[4]。

另一方面，遠(yuǎn)程教學(xué)功能。土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系是一個(gè)集遠(yuǎn)程觀摩評(píng)價(jià)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)互動(dòng)、探討、教學(xué)以及資源搜集和共享于一體的視頻交流平臺(tái)，把不同校區(qū)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)結(jié)合在一起，讓實(shí)驗(yàn)總控制室和實(shí)訓(xùn)點(diǎn)、試驗(yàn)室三方間能有效實(shí)現(xiàn)直播、點(diǎn)播與交互。通過(guò)相關(guān)軟件拍攝教師講課的PPT、視頻展開互聯(lián)網(wǎng)直播，畫面資料會(huì)及時(shí)儲(chǔ)存在服務(wù)器里，方便學(xué)生隨時(shí)隨地通過(guò)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行觀看和學(xué)習(xí)。

還有一方面則是教學(xué)監(jiān)管功能。利用此系統(tǒng)內(nèi)的教學(xué)監(jiān)管模塊，能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出總體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)里的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，還能展開學(xué)生實(shí)訓(xùn)報(bào)告監(jiān)管、信息監(jiān)管以及實(shí)訓(xùn)狀況統(tǒng)計(jì)搜查等相關(guān)工作。

2.6.3中心資源分析

結(jié)合我國(guó)土木工程專業(yè)發(fā)展情況與現(xiàn)有專業(yè)模塊種類考慮，可由專業(yè)模塊課程與基礎(chǔ)模塊課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)兩部分組成SETP。其中前者主要涵蓋道橋工程、工程項(xiàng)目監(jiān)管、地下和巖土構(gòu)造工程、建筑構(gòu)造工程等教學(xué)資源，為土木工程專業(yè)課程全方位鍛煉提供服務(wù)。后者則主要涵蓋力學(xué)和建材、土力學(xué)、房屋建筑學(xué)以及流體力學(xué)等仿真實(shí)驗(yàn)體系，為工程監(jiān)管、環(huán)境工程、土木工程和建筑學(xué)等提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)課程的共享實(shí)訓(xùn)[5]。

2.6.4立體化的實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)

所謂立體化的實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)，具體是指針對(duì)不同方式的實(shí)訓(xùn)成果，各個(gè)方面的評(píng)價(jià)主體展開評(píng)判，重視實(shí)訓(xùn)進(jìn)程與結(jié)果的全面審核。成果主要有工地影像、虛擬實(shí)訓(xùn)報(bào)告、小組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)報(bào)告等等。評(píng)價(jià)主體包括專業(yè)教師、學(xué)生、班級(jí)同學(xué)。對(duì)實(shí)習(xí)進(jìn)程予以高度關(guān)注則是學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的各項(xiàng)表現(xiàn)均會(huì)在測(cè)評(píng)中有所展現(xiàn)。

與此同時(shí)，還要在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)師生有效互動(dòng)，生生間互相分享學(xué)習(xí)心得和經(jīng)驗(yàn)。不但有教師和個(gè)別學(xué)生、所有學(xué)生、小組成員之間的交流和互動(dòng)，還要組和組之間的互動(dòng)。加強(qiáng)學(xué)生對(duì)軟件的使用，讓其能在平臺(tái)順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，比如Ansys、Midas等等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)各大院校土木工程專業(yè)要充分考慮市場(chǎng)需求和自身的發(fā)展定位，搭建科學(xué)合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在教學(xué)過(guò)程中要突出學(xué)生的主體地位，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)形式，指引學(xué)生正確理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，能主動(dòng)挖掘、探究與處理工程建設(shè)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，保證其向著更健康的方向發(fā)展。