对工程仿真模拟实践平台建设的几点探讨

贾宏俊 李楠

摘 要：在中国高等教育迅猛发展的今天，定位于应用型本科人才培养模式的高校成为其中一大分支，实验室建设的水平是影响其发展的重要因素，实验室是学生实践能力、创新能力和社会应变能力培养的有效平台，实验室建设水平也成为衡量应用型人才培养质量的关键，在扩大传统实验室建设的基础上，加强工程仿真实践平台的建设必将会促进高校教育水平的更大提升。本文结合校区实际情况，分析了传统实验室的现状，并对工程仿真模拟实践平台的建设进行了有益的探讨。

关键词：工程仿真模拟 实践 平台 建设

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0127-01

实验室建设是衡量一所学校办学条件、办学定位和办学水平的重要标志之一。培养具有创新精神和实践能力强的高素质应用型人才，加强实验室建设的力度和水平显得极为重要。在工科传统实验室的基础上建立针对土木、采矿专业的工程仿真模拟实践平台是一种有益的探索，不仅可以节约资源，并对学生动手实践水平的提高起到极大的促进作用。

1 工程仿真模拟实践平台建设必要性

传统的实验教学与实践教学已经不能满足新形势下的实验教学要求，目前面临各种各样的问题：（1）实验室建设费用高。传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力等限制，致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量；（2）教师指导难以到位。有限的教师很难在有限的时间内细致地指导大批的学生，教学目标难以达到。设计性和研究性试验难以开展；（3）教学目标难以落实。培养动手能力、设计能力和创新能力的应用型人才是校区实验教学的重要目标。但是目前学生主要根据实验指导书进行验证性实验，有些实验操作训练不足，创新能力难以提升；（4）针对传统实验教学中存在的教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离、学生缺乏学习主动性和创造性等问题，建设高水平工程仿真模拟实验室是非常有必要的。

2 工程仿真模拟实践平台建设的内容

工程仿真模拟实践平台一般具有透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的，决定了它在科研、教学中的良好应用前景。工程仿真模拟实践平台建设可以采用多种手段，如计算机仿真技术、视频、实物，以弥补实验室硬件缺少的不足，在满足学生实验课时的同时还能减少实验室的经费投入，改善实验实践教学效果，提高人才培养的水平和层次。

2.1 土木工程仿真模拟平台

该平台相关的专业课程有：房屋建筑学、钢筋混凝土结构、建筑施工等。通过该平台的建设运行，学生能获得直观的学习效果。在建筑构件认知中，根据不同的工程类别对建筑构件进行分解，在分解的过程中能显示建筑构件的名称，使得学生能非常直观地掌握某一构件在结构中的位置，同时，借助仿真软件按照不同的部位提供各种构件的三维模型，让学生了解各种构件的受力特点和具体的使用条件。系统提供绘图功能，使学生在经过一段时间的学習以后，能根据教师布置的作业要求，完成相应的作业或者课程设计，并能实现在网上提交给教师评阅，减少以往图版绘图的工作量。钢筋混凝土构件力学试验克服以往提前预制试验构件的困难，随时都能为学生提供试验环境。学生只要输入构件的几何尺寸和混凝土标号以及钢筋的布置，系统即可进行仿真试验，能显示裂缝的变化和挠度的变化，使得试验更直观，试验结果可以和学生在试验前的计算结果进行对比，培养学生现代科研的能力，同时也能降低学校开设传统试验课程的费用成本。教师能通过动画、录像等形式进行施工技术教学，克服传统的静态图片教学的弊端，使学生能快速、直观地进行施工技术的学习，为以后的实际工作打下良好的基础。

同时，土木仿真实践平台注重工程实景及工艺配套模型的建设，在实验室先后配套了各类建筑结构模型，如墙体构造类、地下基础类模、楼板及地面类、平屋顶构造类、坡屋顶构造类、幕墙构造和门窗构造类、建筑构件配筋模型、钢结构类模型、建筑施工模板类模型等。通过这些建筑结构模型来讲解理论知识。学生学习的兴趣得到极大的提升，同时对所学知识更易掌握和消化。同时，建筑结构类实验室对学生最大程度开放，收到很好的效果。

2.2 采矿工程仿真模拟平台

近年来随着煤矿生产管理现代化进程的发展，对图形的可视化要求越来越高。煤矿生产建设过程中除了用“采掘工程平面图”“井上下对照图”“工业广场图”等生产必备图以外，越来越多地应用到井上、下三维立体模型。这种三维立体图在管理层生产指挥、技术人员生产管理、开采优化设计等方面，都能获得了二维平面图所无法比拟的效果，发挥着独特作用。

全面构建3D动画教学模型，制作矿井开拓及延深三维模型，三维开拓模拟包括立井开拓、斜井开拓、平硐开拓等三维模型，模型中能够反映不同开拓形式井筒结构差异、内部设施差异；制作采区上下山开采期间的生产系统三维模型图，在该模型中能够反映各巷道的设备布置情况，能反映上山采区和下山采区各自的运煤及通过路线；制作采煤工作面设备配置图，包括采煤机、刮板输送机液压支架及端头支架的控制配置，能够全面反映三机配套关系。

在煤矿开采学中重点对巷道布置三维动态模型开发构建，主要进行煤矿中巷道布置的空间绘制、巷道以及工作面中关键场所内设备的三维构建和动画制作以及三维动画在教学课件中的交互式操作及演示问题的研究和开发，使学生通过全方位的三维动态模型了解巷道布置的各向视图，从而全面掌握煤矿开采技术。

学校校内建设有现代化教学矿井，近年对其硬件条件进行了全面建设，这种仿真条件是其它矿业类院校所不具备的，也是学校采矿学科的亮点所在。校内现代化教学矿井配备有地上总调度室及采煤、掘进、提升、运输等十二大系统，全面展示了现代化矿井的构成。学生在井巷中不仅能学习煤矿各大系统的组成和设备配置，最为重要的是学生能亲自动手体验各系统的操作和运转，通过这种实践教学，学生对课堂理论知识能够更加直观地理解。理论教学与实践教学并重，在课程安排时将部门课程安排在矿井中讲授，取得非常好的效果。

3 结语

实验室是学生实践能力、创新能力和社会应变能力培养的有效平台，实验室建设水平也成为衡量应用型人才培养质量的关键，在扩大传统实验室建设的基础上，加强工程仿真实践平台的建设必将会促进高校教育水平的更大提升。

参考文献

[1] 廖小峰.基于开源网络平台土木工程仿真实验室设计和构建[C]//重庆力学学会论文集.2009.

[2] 魏刚，魏新江，张世民.土木工程仿真模拟课程教学实践[C]//中国土木工程学会高校土木工程专业建设论文集.2010.