应用型本科院校虚拟仿真实验教学体系构建的探索

刘培玲

[摘 要]随着我国建筑行业的繁荣发展，不断增加对土建类人才的需求。应用型本科院校的土木工程专业作为培养土建类人才的专业机构，在此种发展趋势下逐渐的扩大办学规模，而由于该专业的实践性非常强，单纯理论讲解并不能获得预期的教学效果，必须要依托仿真技术、网络技术等建立虚拟仿真实验教学体系，培养出符合社会需求的土建类人才。基于此，本文重点分析了应用型本科院校土木类虚拟仿真实验教学体系构建的方法。

[关键词]应用型本科院校；虚拟仿真实验教学体系；构建方法

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）08-0018-03

实验教学是高校土木类专业教学中的重要组成部分，具有培养学生创新意识、提升学生创新能力的重要作用。随着国家不断增加对应用型本科人才的需求，对人才培养也提出了新的实验教学要求。但从目前情况来看，因资金投入、配置等方面的不足，限制了实验教学的开展，再加上部分实验项目并不适合开展实体教学，因此，为满足国家对人才的需求，各高校开始积极建设虚拟仿真试验平台，以期能良好的开展实验教学，提升实验教学效果。

一、国家级土木工程虚拟仿真实验中心的建设思路

基于国家不断的加大对应用型本科人才培养的重视程度，东南大学、同济大学等5所高校先后建立起了国家级土木工程虚拟仿真实验中心，用于实验教学。本节分析了国家级土木工程虚拟仿真实验中心的建设思路，以期为应用型本科院校建立土木类虚拟仿真实验中心提供参考。

（一）统筹规划

国家级土木工程虚拟仿真实验中心建设之初，对学校、学科、地域及专业分布做出了充分考虑，同时，以全国高校实验室工作研究会等相关机构为依托，统筹规划，完成顶层设计，并将相应的技术标准制订出来，集中各种可利用的实验教学资源，完成虚拟仿真实验中心的构建工作。

（二）资源共享

无法共享优质资源的情况下，重复建设问题必然会出现，造成资源的严重浪费。2010年时，全面启动“全国高校优质资源共享系统（CERS）”，现已经完成一期项目，正在建设二期项目，CERS共享了实体大型仪器设备，东南大学等高校在建设国家级土木工程虚拟仿真实验中心时，通过虚拟现实等科学技术，于虚拟仿真实验教学平台中共享其优质资源，供本校及其他学校的实验教学用，此种建设方法不仅促进资源使用率提高，更是提供了优越的创新性实验技术人才培养条件[1]。

（三）虛实结合

虚拟仿真实验平台基础上，现实中无法完成的或不可逆的实验操作均能仿真出来，解决单纯讲解无法观看实验现象、语言难以描述实验过程的难题，确保实验教学能够顺利的开展，并达到理想的实验教学效果。国家级土木工程虚拟实验中心建设过程中，一直坚持虚实结合的思想，即以真实的实体实验作为仿真实验中的数据来源，以此来保证仿真实验的准确性，同时，能够实体开展的实验坚决不采取虚拟仿真，便于学生理解及掌握实验中的土木工程知识。

二、应用型本科土建类虚拟仿真实验教学体系的构建

（一）建设目标

应用型本科院校建设土建类虚拟仿真实验教学体系时，首先要注重本校优良校风的传承，以现代人才培养、国际高等教育发展的客观规律为指导，与时代需求及学校特色相结合，坚持积极合作企业，注重培养学生的实践能力及创新精神，秉持“虚实结合、能实不虚、互相补充”的原则，将教学理念定位于“立足教学、教研融合、面向工程、开放共享”，争取全面的突破及创新虚拟仿真实验教学建设工作，构建多位一体的实验教学体系，培养出与社会需求相适应的土建类人才，并促使院校自身成为地方性的，乃至全国性的实验教学示范基地[2]。

（二）建设思路

1.虚拟仿真实验平台具备立体化、多层次的特点

建设过程中，要以国家级土木工程虚拟实验中心为依托，形成理论认知有机结合动手实践的实验环境，促进实验教学效果的全面提升，并使学生视野更加开阔，提高学生的创新能力。土建类实验项目数量众多，难度、涵盖知识点等各不相同，虚拟仿真实验平台要能跨越不同难度，覆盖不同知识，体现不同实现方式。

2.注重科研项目向教学内容的转化

我国现阶段具备的与土建类实验教学相关的科研基地有一大批，如国家预应力工程技术研究中心、城市与建筑遗产保护教育部重点实验室、玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心等，应用型本科院校应以这些科研基地为依托，积极的转化科研团队的研究项目，变为教学内容，开发出虚拟结合的实验项目，真正的实现设计融合虚拟及仿真，使学生综合性实验实践的操作在虚拟仿真实验平台中完成[3]。

3.积极与企业建立合作关系

目前，我国土木行业具有众多的知名企业，如中国建筑工程总公司，应用新型本科院校建设实验中心时，还应积极与这些企业建立合作关系，转化这些企业已经完成的各重大工程项目，变为试验中心的虚拟仿真实验项目，让学生参与、体验，逐步的认识工程实践的重要作用，奠定日后工作的良好基础。

4.利用校内现有实践教学基地

虚拟仿真实验中心建设过程中，还要注重建设师资队伍及管理体系，教师团队中应纳入国家级教学名师、企业优秀员工，通过二者的相互配合，共同指导实验教学的顺利进行，同时，校内教师还要密切配合企业人员，于实践教学中运用虚拟仿真结果，促进教学效果的提升[4]。另外，在管理运行方面，建成的机制具有时间、内容、空间“三维”开放的特点，即使学生的专业、水平、个性不同，需求也能够得到有效的满足。

5.充分利用网络化基础

虚拟仿真实验中心建立后，土木工程专业学生能够选择的实验项目数量及类型均增多，资源共享，使专业实验存在的限制被打破，更有利于学生形成良好的创新能力。设置课程时，遵照层次化、系列化及模块化的原则，增强实验体系的连贯性，促进学生专业视野的进一步拓宽。虚拟仿真实验中心让课堂成为实验室、课外成为施工现场，让学生更为准确、深入的理解学科知识，并增强学生的实践能力。

（三）建设内容

虚拟仿真实验教学体系建设中，教学理念应秉持“立足教学、教研融合、面向工程、开放共享”，通过虚拟与现实的结合，于实验教学中融入已有的科研成果，以已经完成的重大工程项目作为实验教学的具体内容，促进学生创新能力及实践能力的不断提升[5]。土建类实验中心除了包含土木工程专业的知识外，还包含其他相关专业的知识，如建筑专业，以提升教学体系的综合性。从形成的教学体系来看，其突出特点为模块化，见图1，共包含5大模块。

模块1：建筑结构构件受力性能仿真实验

该模块主要仿真梁、柱等建筑结构构件的受力性能，土木工程专业基本的专业知识点均包含在此模块中，意义重大。目前，土木工程开展实验教学时，受到专业教学局限性的影响，实验教学内容仅包含部分构件或部分性能，导致无法将所有知识点囊括到实验教学中，使专业课教学存在盲区及难点。虚拟仿真实验平台建立后，该模块的虚拟仿真建筑结构构件受力性能实验，有利于学生对专业知识点进行直观的了解，并可拓展、延伸学生掌握的专业知识范围，为创新能力的培养奠定基础。

模块2：建筑结构受力性能仿真实验

该模块中，分析结构有限元等理论时，在大型结构分析设计软件的辅助下进行，实现了从理论角度分析建筑结构受力性能、抗震性能，尤其是复杂结构、超高层结构等，有助于学生对专业理论知识系统的掌握，并在理论上有力的支撑了建筑结构的受力设计及抗震设计。

模块3：土木工程试验技术仿真试验

仿真实验项目主要为大型结构的子结构，使实验教学实现大型结构子结构结合虚拟原型结构。该模块的仿真实验主要包含两种，一种为空间子结构混合仿真实验，一种为平面子结构混合仿真实验。数字化振动台模拟实验中，应用数字化地震模拟振动台实验系统，促进教学质量的有效提升，使实验维护及耗材成本降低；实验教学中还采用远程协同的方法，与其他大学联合开展子结构混合仿真实验，为土建类远程网络实验教学的发展发挥良好的促进作用。

模块4：土木工程施工管理仿真实验

该模块在参数化的基础上，通过动态实时仿真过程，将土木工程施工过程、工程建设项目管理过程直观的演示出来，有利于学生融入整个施工过程及项目管理过程，同时，可对实验参数适时调整，促使学生了解、掌握课程的综合知识，实现基础理论融合过程仿真，并基于有限资源调配，为学生实时的展示出过程管理，使三维教学体系有效的建立，并将基础理论、过程仿真及有限资源相互耦合，促进学生施工能力及项目管理能力的提高。

模块5：建筑与智能信息技术虚拟仿真实验

该仿真实验模块有效的结合了建筑与信息技术，并依托多项技术，如虚拟现实技术、人机交互技术、多媒体技术等，构建高度仿真的虚拟实验环境及实验对象，学生各项实验操作的开展在虚拟环境中进行，既能保证教学效果达到教学大纲的要求，还能保证与土木工程的发展趋势相契合。虚拟仿真实验平台实验过程中，实验设备的配置、连接、调节、操作均需要学生亲自动手；学生可以自由的搭建平台中所提供的各种器材，典型试验或实验案例具备合理性即可，实现实验过程由学生组织设计，促使学生真正的成为教学主体。同时，利用“虚拟实际工作现场”，结合实际工程项目管理施工现场的具体要求，让学生开展施工现场管理工作，使学生的管理能力及综合能力得到锻炼，进而提升学生的综合能力，获得预期的教学效果。

（四）教学实施及效果

实验教学开展过程中，先由教师根据教学内容确定引入的实验项目，之后由学生利用虚拟仿真实验平台，亲自参与到整个工程项目的实施过程，亲身体会、感知相应的专业知识内容，完成整个实验教学。

虚拟仿真实验中心应用于土建类专业实际实验教学中后，取得以下几方面的效果[6]：

第一，丰富了实验教学资源。除常规实验外，面向的专业还包含工程管理、工程造价等，建设后有利于促进教学资源更为丰富。同时，虚拟仿真实验平台还可以共享相应的资源，如各学院的资源、各学科的资源，使平台效应最大化的发挥，增强教学质量。基于虚拟仿真实验平台开展土木工程实验教学，实现了真实教学中无法开展的实验教学，能够提升专业实践教学学时所占据的比例，并培养学生的创新意识及创新能力，促进学生研发出创新性的技术成果，转化为新的教学资源，促进教学效果不断提升。

第二，完善了实验教学体系。实验平台构建时利用虚拟仿真技术，专业课程群内，除原有的实体实验项目外，新增各种虚拟仿真实验项目，而且新增的虚拟仿真实验项目多是来源于实际的典型的土木工程建设项目，有效的再现实验的基本原理，提升实验的可操作性，增强实验项目与理论教学内容的契合性，且虚拟实验与真实实验之间能够良好的互补，促进整体教学效果的提高，并逐步的提高学生的动手操作能力及综合能力。

第三，提升了学生信息化能力。在虚拟仿真实验中心辅助下，学生更加直观的了解、认识了常用的PKPM、REVIT、BIM5D等教学软件，并且实验教学中学生要亲自动手操作这些软件，有利于显著提升学生运用这些软件的能力，进而增强实践能力、创新能力，提高信息化技术的运用能力，使学生与当前的社会对土木工程人才的要求相适应，利于学生毕业后的就业。

第四，增强了创新实践能力。应用型本科院校建设虚拟仿真实验中心后，更加注重培养学生的创新能力，利用实验平台，创建一些创新训练项目，鼓励学生积极的参与，让学生在实践过程中逐渐的提升自己的创新意识及能力。

第五，提升了专业建设水平。虚拟仿真实验中心建成并投入实践，其根本目的是提升土木工程专业及相关专业的教学质量，并培养出优秀的工程師。同时，也无形中提升了教师队伍的专业性建设水平，增加了国家级教师及省级教师的数量，壮大了师资力量，为土木工程专业教学的良好开展奠定扎实的基础，有利于教学目标的实现。

综上所述，应用型本科院校作为培养社会需求的应用型人才的主要载体，在开展实验教学过程中，应充分依托国家级土木工程虚拟仿真实验中心，结合本校教学特色、地区人才需求等，搭建土木类虚拟仿真实验中心，以能有效的开展实验教学，促进学生实践能力及创新能力的提升，充分符合国家对人才的要求，实现毕业后良好的就业。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 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（10）：5-9.

[2] 崔振波.试论如何构建生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系[J].教育现代化，2017（19）：69-70.

[3] 李彬彬，苏明周.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J].西安建筑科技大学学报（社会科学版），2015，（2）：96-100.

[4] 刘来玉，陈晨，董焱，等.虚拟仿真实验教学助推双创教育的探索与实践[J].实验技术与管理，2017（12）：128-131.

[5] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[6] 苏旭霞，刘素楠，管立新.开展虚拟仿真实验，促进实验教学改革[J].科技广场，2015（3）：252-254.

[责任编辑 钟 岚]