土建類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

劉玲玲 褚美玲

（江蘇省江都中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

信息技術(shù)的逐步成熟，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為了可能。高校為實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生綜合素質(zhì)、全面提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)目標(biāo)，在課程設(shè)計(jì)中均加入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并建設(shè)了專業(yè)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，取得了非常不錯(cuò)的教學(xué)效果。本文以土木建筑及相關(guān)專業(yè)為例，分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與實(shí)踐內(nèi)容。

1 土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性分析

土木建筑專業(yè)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為組織學(xué)生參加大型土木建筑工程實(shí)驗(yàn)。但這種教學(xué)模式存在諸多的問題。一是實(shí)驗(yàn)體量過大，導(dǎo)致經(jīng)費(fèi)高、設(shè)備復(fù)雜。二是在實(shí)驗(yàn)過程中不能夠做到學(xué)生全覆蓋，一次實(shí)驗(yàn)參加的人數(shù)有限。三是學(xué)生參與感不強(qiáng)，以至于主觀參與意愿不強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程產(chǎn)生了抵觸心理，使得實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置目標(biāo)不能夠完成。這些問題就與實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)綜合性、創(chuàng)造性、實(shí)踐性人才的目標(biāo)背道而馳。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為解決這一矛盾提供了有效路徑。通過信息技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將原本必須要實(shí)際進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為在虛擬中完成，減輕了實(shí)驗(yàn)體量和資金壓力。每個(gè)學(xué)生都可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行操作，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。同時(shí)，還可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中能夠主動(dòng)建立問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，真正提升了作為實(shí)踐專業(yè)性人才所必須具備的基本素養(yǎng)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的基礎(chǔ)模式

虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的基礎(chǔ)模式是為土木建筑相關(guān)專業(yè)的本科學(xué)生所設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)目的是在打好專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的熱情。具體設(shè)計(jì)模式為“3+19”模式，是指3大模塊加19項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。3大模塊包括基礎(chǔ)力學(xué)、土木工程材料、工程測(cè)量。19個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以金屬材料壓縮性能研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以自行設(shè)置虛擬壓縮設(shè)備、被壓縮金屬材料種類、壓縮參數(shù)等，最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的專業(yè)模式

虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的專業(yè)模式是為高年級(jí)本科學(xué)生所設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目的是通過模擬土木建筑領(lǐng)域在施工中實(shí)際存在的問題，達(dá)成“教研結(jié)合”的效果。提升高年級(jí)學(xué)生利用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，解決建筑工程中實(shí)際存在問題的能力。具體設(shè)計(jì)模式為“5+23”模式，也就是5大實(shí)驗(yàn)?zāi)K加23個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中5大實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括建筑工程、建筑構(gòu)造、道路橋梁與交通工程、巖土工程和項(xiàng)目管理等。23個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以鋼筋混凝土梁破壞性仿真實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。學(xué)生可以通過該項(xiàng)目模擬鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)、及受力后不同結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土梁所產(chǎn)生的不同破壞性。

2.3 虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的特色與創(chuàng)新模式

虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的特色與創(chuàng)新模式分為兩大類，一般創(chuàng)新與特色創(chuàng)新。

其中虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的一般創(chuàng)新模式是為學(xué)生參加創(chuàng)新大賽等競(jìng)賽所設(shè)計(jì)的。其設(shè)計(jì)目的為專項(xiàng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能，培養(yǎng)出一批懂專業(yè)、會(huì)實(shí)踐、能創(chuàng)新的創(chuàng)新型技術(shù)人才。該項(xiàng)目比較有代表性的是博物館火災(zāi)和人員逃生模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過模擬真實(shí)的火災(zāi)和人員逃生場(chǎng)景，讓學(xué)生對(duì)博物館的防火建設(shè)和安全通道建設(shè)有自己的設(shè)計(jì)和構(gòu)思。

虛擬仿真教學(xué)建設(shè)的特色創(chuàng)新模式，是針對(duì)本科生特色發(fā)展和高校特色辦學(xué)所設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)目的在于拓寬學(xué)生的國際視野、增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)出國家需要的特殊人才。河南工業(yè)大學(xué)在建設(shè)虛擬仿真教學(xué)方面走在了前沿，為滿足國家糧食安全的戰(zhàn)略需求，河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院和河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研究院共同設(shè)計(jì)并參與建設(shè)了七大特色學(xué)科平臺(tái)，形成了“3+17”的項(xiàng)目模式，也就是3大教學(xué)模塊，加上14個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。典型的是食品物流園區(qū)總體規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)食品物流園區(qū)進(jìn)行3D化建模，對(duì)食品物流園區(qū)總體規(guī)劃建設(shè)進(jìn)行模擬。學(xué)生可以通過系列設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能設(shè)施如物流周轉(zhuǎn)中心、物流集散中心、運(yùn)輸裝載中心等實(shí)現(xiàn)物流園區(qū)的真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦各項(xiàng)規(guī)劃不合理，那么模擬物流園區(qū)也就無法正常運(yùn)行。

3 開放共享與展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的開展依托于以桌面云技術(shù)為載體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過桌面云技術(shù)可以集中利用資源并方便統(tǒng)一管理。桌面云將服務(wù)器系統(tǒng)映射出來，可以提高服務(wù)器的運(yùn)行效率，并且有利于數(shù)據(jù)的集中。避免因?yàn)閿?shù)據(jù)分散在學(xué)生電腦上而無法集中存儲(chǔ)和備份。通過桌面云技術(shù)，可以讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更好的服務(wù)于土木建筑相關(guān)專業(yè)，在實(shí)踐教學(xué)課程中能更方便、高效的完成教學(xué)任務(wù)，并對(duì)學(xué)生開放多渠道的共享。

3.1 開放共享渠道多元化

一，校內(nèi)共享。可以通過校內(nèi)網(wǎng)、校園實(shí)驗(yàn)室、圖書館、學(xué)校網(wǎng)站等方式將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室向校園內(nèi)所有師生進(jìn)行開放，實(shí)現(xiàn)全專業(yè)全覆蓋。同時(shí)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心操作實(shí)驗(yàn)，提高資源共享效率。

二，校外共享。通過實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室的資源共享至校外。將校外共享的教學(xué)資源進(jìn)行分級(jí)分類，針對(duì)不同的資源設(shè)置不同的訪問權(quán)限，不同目標(biāo)群體訪問限制不同。注意對(duì)教學(xué)資源的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，在資源共享的同時(shí)形成良性循環(huán)。

三，校企共享。虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的宗旨是提高學(xué)生的實(shí)踐能力，而企業(yè)可以提供學(xué)校所不具備的生產(chǎn)實(shí)踐中的數(shù)據(jù)及問題，因此，與企業(yè)進(jìn)行合作是十分必要的。在高校完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，企業(yè)也可以通過這套系統(tǒng)完成員工培訓(xùn)、商務(wù)合作等企業(yè)發(fā)展需求。

3.2 虛擬仿真中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

一，理論課程、實(shí)踐教學(xué)和虛擬資源相緊密結(jié)合。在教學(xué)的過程中，任何一種教學(xué)模式都不應(yīng)該是孤立的，而是相互融合、相互促進(jìn)的。要想有效利用虛擬實(shí)驗(yàn)資源，就需要將之與理論課程、實(shí)踐教學(xué)有機(jī)的聯(lián)系在一起。與理論課程的聯(lián)系可以通過應(yīng)用程序完成，授課教師在講授理論課程的同時(shí)，將校內(nèi)的虛擬資源告知學(xué)生。學(xué)生就可以根據(jù)個(gè)人興趣，在應(yīng)用程序中自行檢索相關(guān)的虛擬資源，以達(dá)到通過虛擬資源鞏固理論知識(shí)的效果。與實(shí)踐課程的聯(lián)系，是通過提前預(yù)習(xí)課程實(shí)驗(yàn)和課后鞏固完成的。學(xué)生可以在虛擬資源網(wǎng)站獲取每一種實(shí)驗(yàn)的全套流程、注意事項(xiàng)、學(xué)習(xí)重點(diǎn)等內(nèi)容。學(xué)生既可以在上課之前提前了解實(shí)踐課程的內(nèi)容，還可以在課程之后利用資源進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。

二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立實(shí)驗(yàn)教科書、教學(xué)方案、測(cè)試題庫的網(wǎng)絡(luò)訪問途徑。實(shí)驗(yàn)中心可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)全程錄像，以供學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上下載瀏覽實(shí)驗(yàn)視頻。打破學(xué)習(xí)環(huán)境的空間限制，讓有興趣的學(xué)生可以隨時(shí)隨地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行自學(xué)。選修該課程的學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)。

三，全方位共享實(shí)驗(yàn)資源。開創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、空間沉浸式仿真、數(shù)字仿真等教學(xué)模式，讓全校、全專業(yè)的學(xué)生都能夠自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

4 結(jié)語

土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)為土木建筑專業(yè)的發(fā)展提供了巨大的助力，本文立足于學(xué)科建設(shè)實(shí)際，結(jié)合當(dāng)前優(yōu)秀的仿真教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀，對(duì)土木建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)閲鴥?nèi)高校土木工程專業(yè)的發(fā)展與建設(shè)提供有效的參考意見。