土木工程虚拟仿真实验教学中心建设

徐 明， 熊宏齐， 吴 刚， 宗周红， 汪 丰， 舒赣平

(东南大学 a. 土木工程学院； b. 设备处， 江苏 南京 210096)



土木工程虚拟仿真实验教学中心建设

徐 明a， 熊宏齐b， 吴 刚a， 宗周红a， 汪 丰b， 舒赣平a

(东南大学 a. 土木工程学院； b. 设备处， 江苏 南京 210096)

虚拟仿真实验教学信息技术在教育领域具有重要作用，是教育信息化的重要组成部分。根据土木工程实验教学的特点，分析了土木工程专业开展虚拟仿真实验教学的必要性。现以土木工程虚拟仿真实验教学中心的建设为例，介绍虚拟仿真实验教学如何在高校土建类专业人才培养过程中发挥特长与优势，以及东南大学在构建多层次、模块化的虚拟仿真实验教学体系，服务于本科土建类专业人才能力培养的建设思路。论述了虚拟仿真实验教学对学生实践能力、创新能力的培养所起的促进作用。

虚拟仿真实验； 实验教学； 土木工程； 实验室建设

0 引 言

实验教学对于激发学生的创新意识，拓展学生的创新思维，增长学生的创新技能，涵养学生的创新品格方面的作用，是其他任何教学形式所不能替代的[1]。在不断深化教育教学改革，全面提高高等教育质量的背景下，教育信息化在培养学生创新精神和实践能力方面的作用不断凸显，教育部从2013 年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[2]。现以土木工程虚拟仿真实验教学中心的建设为例，介绍虚拟仿真实验教学如何在高校土建类专业人才培养过程中发挥特长与优势，以及东南大学在构建多层次、模块化的虚拟仿真实验教学体系，服务于本科土建类专业人才能力培养的建设思路。论述了虚拟仿真实验教学对学生实践能力、创新能力的培养所起的促进作用。

1 虚拟仿真实验教学必要性

随着经济的发展，技术的进步，现代土木工程发展愈来愈呈现出“空间体量巨大、结构类型复杂、施工周期长、管理复杂化”的趋势。在传统的土木工程专业实践教学中，施工现场认识实习和生产实习，往往需要“一个构架拼装要看1周，一个基坑施工要看1年”；而传统的校内实验受设备与技术的制约，其实验形式单一、内容有限、知识分散，显现出“管中窥豹、略见一斑”的弊病，完全不能适应建筑业的快速发展对人才培养提出的新要求。迫切需要开展虚拟仿真实验，与实体实验与实践相互补充，相得益彰，弥补真实实验教学的不足[3-12]。

2 建设目标

土木工程虚拟仿真实验教学中心将传承东南大学百年育人传统，秉承“止於至善”的优良校风，遵循国际高等教育发展和现代人才培养的客观规律，结合时代需要和学校特色，充分发挥重点学科和重点科研基地优势，强化校企联合，以学生创新精神和实践能力培养为引领，以建设开放度高、共享性好的优质虚拟仿真实验教学资源为重点，坚持“虚实结合、互相补充、能实不虚”的原则，以“立足教学、教研融合、面向工程、开放共享”为教学理念，力争在虚拟仿真实验教学资源建设、共享管理平台建设、实验教学和管理队伍建设、管理体系建设等各方面取得全面突破和创新，构建多层次、模块化、全方位的实验教学体系，突出大工程人才培养特色，强化土建学科融合，打破时空限制，建立课内课外一体化的人才培养体系，将土木工程虚拟仿真实验教学中心建设成为“教学资源丰富、管理机制完善、信息平台功能全面、师资队伍水平一流”的高水平的实验教学示范基地[13-15]。

3 建设思路

3.1 构建立体化、多层次的虚拟仿真实验平台

依托东南大学国家级土木工程实验教学示范中心，构建虚实结合的虚拟仿真系统，给学生提供理论认知与动手实践的实验环境，全面提高实验效果，开阔学生的思维视野，培养创新能力。土木工程虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真课程实验及综合训练项目跨越不同难度层次(由基本概念提高到研究创新等)，覆盖不同知识内涵(包括建筑、结构、施工、管理等)，体现不同实现方式(包括认知感受、动手操作、创意设计、系统实现等)。

3.2 依靠科研基地，实现科研项目向教学内容转化

依托国家预应力工程技术研究中心、玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心、混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室、城市与建筑遗产保护教育部重点实验室、江苏省工程力学分析高校重点实验室等一大批重点科研基地，积极将科研团队的研究项目向教学内容转化，开发形成一系列虚实结合的综合工程训练项目，将设计、虚拟和仿真融于一体，让学生能够基于虚拟实验平台完成设计、施工等综合实验实践环节，实现了教学与科研的有机结合，为高端人才的培养提供了重要支撑。

3.3 联合合作企业，构建面向实际工程的虚拟仿真实验平台

依托于中国建筑工程总公司、中铁大桥局集团有限公司、柳州欧维姆机械股份有限公司、南京栖霞建设集团等国内土木行业知名企业，中心与其合作，将它们所完成的如港珠澳跨海大桥、沪通长江大桥、深圳大运会主体育馆等大量国家重大工程项目转化为一系列面向工程的虚拟仿真实验项目。让学生能过通过虚拟仿真实验平台，去体验、经历、完成重大工程的各个重要环节，亲身体会工程实践的重要性，为今后的实际工作打下坚实的基础。

3.4 充分利用学校实践教学基础

中心在优化虚拟仿真教学资源的同时，注重师资队伍建设和管理体系建设。建立了由包含国家级教学名师、国家级教学团队引领的专职教学团队，并引入企业教师队伍，确保专业教学和实验指导顺利开展，校内师资与企业人员相互配合，内引外联，专兼结合，注重将专业科研以及虚拟仿真技术的成果应用于实践教学。在管理运行方面，建立了时间、空间、内容“三维”开放的机制，以满足不同个性、不同水平、不同专业学生的需求。

3.5 充分利用学校网络化基础

虚拟仿真实验中心为土木工程专业的学生提供了多样的实验项目供选择，资源共享，打破了专业实验的限制，更有利于培养学生的创新能力。课程设置具有层次化、系列化、模块化的特点，实验体系连贯性强，可以扩展学生的专业视野。这些教学和实践项目让“课堂成为实验室”、“课外成为施工现场”，对土建类专业学生加深学科知识理解，亲自操作完成复杂性高、专业性强、危险性高的专业技能提供了直观、数字化、沉浸感的训练平台。每年为全校土建类专业2 700余名学生共享。使得教学与实践得到更紧密的结合，对加速培养高质量的工程技术人才和专业研究人员将产生深远影响。

4 构建虚拟实验教学体系

中心确立了“立足教学、教研融合、面向工程、开放共享”的虚拟仿真实验教学理念，旨在将虚拟实验与真实实验相互补充，将高水平的科研成果反哺实验教学, 将重大工程实践转化为实验教学内容，通过现代化信息手段和云资源库建设，实现教学资源与仿真实验的开放与共享，不断提升学生的实践与创新能力。

中心面向土木工程、建筑学、交通工程及其它相关专业，形成了“三层次、四模块、五结合”的教学体系。“三层次”即按照人才培养需求与培养规律，将实验教学内容划分为基础训练、提高训练和创新训练；“四模块”是按专业知识体系与工程实践规律，包括土木工程设计、施工、管理、创新实践四大模块；“五结合”是与理论课程、与实体实验、与科研成果、与实际工程及与企业实践相结合。四大虚拟仿真实验模块18门实验课程支撑8门专业主干课程与12门实体实验实践课程，辐射其他16门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课(见图1、2)。

图1 实验教学体系

图2 虚拟仿真实验平台与理论及实体实验课程关系

5 实验教学成效

5.1 丰富实验教学资源

在常规实验之外，面向土木工程、建筑学、交通工程等专业，4个虚拟仿真实验模块18门实验课程70个实验项目，每年为2 700多名学生开展虚拟仿真实验教学工作。由于虚拟仿真实验教学的开展，之前无法开展的真实实验教学在虚拟教学中心得以实现，使土木工程专业实践教学学时比例从2004年的19%上升到2013年的25%。

5.2 完善实验教学体系

基于计算机虚拟仿真技术构建的实验平台，在土木工程结构设计与分析、土木工程施工、土木工程管理等专业课程群中,在原有103项实体实验与实践项目基础上，通过70项新增的虚拟仿真实验，增加了过去无法进行的实验内容。实现了基本原理的形象再现、创新实验可操作，使基础实验和创新实验能够根据课程需要设置，使真实实验与虚拟仿真实验相互补充，从而形成了“基础—提高—创新”三层次、完整的虚实结合的实践教学体系，保证了适应现代土木工程发展的高素质创新人才培养的需要。

5.3 提升学生信息化能力

通过虚拟仿真实验教学，学生对于土木工程虚拟仿真设计与分析的常用软件，如PKPM、ANSYS、ABAQUS、Midas等有了更直观感性的认识，基于这些软件进行结构分析、辅助设计、项目管理的能力得到了大幅提升。虚拟仿真实验教学化抽象为具体，有效地激发了学生想象力，促进了实践创新，提升了学生的信息化应用能力。近年来，我校学生在老师指导下，基于ANSYS及ABAQUS等大型有限元分析软件，开展各种结构模型仿真分析，在此基础上制作实体模型，参加各种层次、类型的竞赛，均取得了优异成绩(见图3)。

图3 东南大学结构设计竞赛

5.4 增强创新实践能力

中心重视学生创新能力的培养，结合国家、省、校级大学生科技创新项目，学生获得一批有影响力的奖项。自2008年以来，土木工程专业学生获批“国家级大学生创新创业训练计划项目”47项、“江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目”50项、“基于教师科研的大学生创新实践项目”29项、校/院级科研创新训练项目90余项/年，达到每名学生在大学四年期间至少完成1项科研创新训练项目，在以上项目的完成过程中，学生利用土木工程创新实践虚拟仿真平台进行仿真分析。在全国结构设计、建筑信息模型、力学、混凝土材料设计竞赛等大赛中获特等奖2项、一等奖14项、二等奖12项、三等奖18项，获省部级竞赛奖励58项。授权多项国家发明专利及实用新型专利；每年参加“东南大学结构设计竞赛”的学生包括土木、交通、建筑、材料等专业的学生达1 500人以上，在模型设计过程中，依托土木工程创新实践虚拟仿真平台进行模型的仿真分析。在国内外学术期刊及重要论文集上发表论文50余篇，多次参加国内外学术会议及论坛并宣读论文。学生以综合素质高、创新能力强，受到行业领军企业的好评；深造率保持在40%以上，校际交流的推荐免试研究生受到国内顶尖学校的青睐。

5.5 提升专业建设水平

在本科教学质量工程上，中心近年来成果显著，土木工程专业和工程管理专业为国家级特色专业建设点，教育部综合改革试点专业，国家级卓越工程师培养计划专业；有 1个国家级教学团队，2个国家级工程实践教育中心，1个国家大学生校外实践教育基地；6门国家精品课程，5门国家级精品资源共享课立项建设课程，2本国家级精品教材，6种(10本)十二五国家级规划教材；1名国家级教学名师，1名省级教学名师。

6 结 语

通过多年的建设，土木工程虚拟仿真实验教学中心已经成为由国家级教学团队及国家级教学名师负责规划和建设，面向土木工程、工程管理2个国家级高等教育特色专业和其他相关专业的实验实践教学基地，为“结构力学”、“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”、“工程结构抗震与防灾”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6门国家级精品课程和其他相关课程开展虚拟仿真实验教学，面向7个专业的学生开展创新训练。2014年，中心获批为国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心。

[1] 郑家茂，熊宏齐. 开放创新-实验教学新模式[M].北京：高等教育出版社， 2009.

[2] 教育部高教司．关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z]．教育部高教司函[2013]94号．

[3] 石松泉，沈 红，梁 伟,等．虚实结合的电工电子实验教学体系的设计[J]．实验技术与管理，2008，25(8):184-186.

[4] 蔡卫国．虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J]．实验技术与管理，2011,28(8):76-78．

[5] 吴 涓，孙岳民，雷 威，等. 东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J]. 实验技术与管理, 2014，31(10):5-9.

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[7] 李 平，毛昌杰，徐 进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索, 2013，32(11)5-8.

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Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Civil Engineering

XUMinga,XIONGHong-qib,WUGanga,ZONGZhou-honga,WANGFengb,SHUGan-pinga

(a. School of Civil Engineering; b. Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University, Nanjing 210096, China)

The virtual simulation experimental teaching is an important application of the information technology in higher education, and becomes an important part of educational informatization. According to the characteristics of the experimental teaching of civil engineering, the necessity of carrying out the virtual simulation experiment teaching of civil engineering is analyzed. Taking the construction of Virtual Experimental Teaching Center for Civil Engineering in Southeast University as an example, this paper analyzes the strengths and advantages of virtual simulation teaching in cultivation of talents of civil subjects in colleges and universities, and then elucidates the constructing idea of forming multi-layered and modularized virtual simulation experimental teaching system in Southeast University, for the purpose of cultivating practical ability of talents in various specialties. The promoting effect of virtual simulation experiment teaching to students' practical ability and innovation ability is discussed.

virtual simulation experiment; experimental teaching; civil engineering; laboratory construction

2015-03-25

2014年东南大学虚拟仿真实验教学项目(201427);东南大学实验室建设与管理重点项目(2010-L005)

徐 明(1972-)，男，黑龙江大庆人，博士，研究员级高级工程师，土木工程虚拟仿真实验教学中心副主任, 主要研究方向为：实验教学及技术。

Tel.：13601463343; E-mail:xuming@seu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0139-04