土木工程虚拟仿真实验教学中心建设与思考

胡振华，王 颖，王崇革，李 朋

土木工程虚拟仿真实验教学中心建设与思考

胡振华1,2，王 颖3，王崇革1,2，李 朋1,2

（1. 山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2. 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；3. 山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590）

阐述了山东科技大学土木工程与建筑学院虚拟仿真实验教学中心服务于本科土木工程专业人才培养的建设思路、多平台多层次虚拟仿真实验教学资源体系，以及虚拟仿真实验教学的实际效果。

土木工程；虚拟仿真；实验教学；虚拟实验

随着电子科技的飞速发展，信息化技术为高校培养新时代下高水平创新应用型人才开辟了一个全新的渠道。虚拟仿真实验教学受到了许多教学单位和科研单位的高度重视和推广。教育部副部长林蕙青指出“要加快推进现代信息技术与教育教学深度融合，推进在线开放课程和虚拟仿真实验教学建设，以提升教师信息技术应用能力为着力点，制定出台有效的教学激励和管理办法，加快用信息技术改造传统教学，提高教学水平”[1]。

虚拟仿真实验室是虚拟现实技术应用研究的重要载体[2-3]。虚拟仿真实验教学就是利用计算机模拟一个虚拟世界，学生可以通过这个虚拟世界如同身历其境地进入所述真实场景，不受时间和场地限制，提高学生的自主学习能力和实践能力[4-6]。

现以我校土木工程与建筑学院虚拟仿真实验教学中心的建设为例，阐述虚拟仿真实验教学在本科土木工程教学中的重要性，以及本虚拟仿真实验教学中心服务于本科土木工程专业人才培养的建设思路和多平台多层次虚拟仿真实验教学资源体系。同时，也指出了虚拟实验室的局限性。

1 虚拟仿真实验教学的重要性

教育部《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中要求，全国要规划建设3000门国家精品在线开放课程，建设1000项左右国家虚拟仿真实验教学项目[7]。土木工程专业在实验教学中遇到了很多技术难题[8]，将虚拟仿真实验方法引入本科土木工程实验教学，对于解决这些难题的重要作用表现在以下方面：

（1）解决了实验操作复杂危险、实验开支较大、实验过程不可逆等难题，让学生能够深入参与在传统实验室无法完成的实验内容，提高了学生的创新能力和综合设计能力[9-11]；

（2）解决了由于时间和场地限制，学生无法熟悉整个工程施工过程的难题[12-13]，提高了学生实践实操能力；

（3）将教师的教学工作和科研工作有机结合，使学生培养和教师发展互利共赢，促进学术水平高、实践经验多、创新能力强的实验教学团队的形成。

2 虚拟仿真实验教学中心概况

我学院坚持“能实不虚、虚实结合”的原则，根据学校特色，结合土木工程专业人才培养方案，构建了层次结构清晰、适宜共享、易于扩展、依次开发的土木工程虚拟仿真实验教学中心。

在软件方面，学院分3期共投入100万元进行虚拟仿真系统平台开发。该平台包括基础型虚拟仿真平台、实践型虚拟仿真平台和创新型虚拟仿真平台3个组成部分，涵盖了大土木工程学科及建筑学科，如土木工程、岩土工程、交通工程、桥梁工程、城市地下空间工程、水利水电工程、建筑学等专业相关知识。在硬件方面，学院一次性投入99.6万元进行虚拟仿真实验教学中心建设，能同时满足2个班的实验教学需求。虚拟仿真实验教学中心建设，使教学模式完成了从一刀切到个性化、数字化、创新化的过渡，让学生对知识的直观感受由静态的线条变成动态的画面，由平面的图片变成三维立体的模型。

2.1 基础型虚拟仿真实验平台

基础型虚拟仿真实验平台主要基于本科生正常开设的专业课，针对现有实验室中由于学时限制、场地限制或危险系数高等原因而无法正常开展的实验而开发的。主要包括岩石循环加载虚拟仿真实验模块、钢筋混凝土简支梁虚拟仿真实验模块、工程爆破虚拟仿真实验模块、地下建筑安全疏散虚拟仿真实验模块、路基路面工程施工虚拟仿真实验模块、巷道支护虚拟仿真实验模块等。

该平台中的虚拟仿真实验模块主要涉及岩石力学、钢筋混凝土、工程爆破、建筑学、巷道支护等专业基础课程，将学生从理解枯燥的课本理论知识引申至虚拟模型中，给学生带来“身临其境”的感觉。在虚拟环境中，课本上枯燥无味的专业知识变为直观的图像动画模型，通俗易懂，生动有趣，为后续专业课程学习打下坚实基础。

2.2 实践型虚拟仿真实验平台

实践型虚拟仿真实验平台是基于大土木学科实际施工工程开发的。目的是使学生懂得课堂上学到的理论知识最终是要应用到工程实际中去的，让学生提早对实际工程有所了解、有所熟悉，在延伸基础实验的同时提升将理论知识付诸实际应用的能力。该平台主要包括：浅层平板载荷虚拟仿真实验模块、木构建筑施工虚拟仿真实验模块、大跨度斜拉桥施工虚拟仿真实验模块、地铁工程施工虚拟仿真实验模块、立井施工虚拟仿真实验模块、井巷通风虚拟仿真实验模块、地下综合管廊虚拟仿真实验模块、海上风电吸力基础与安装虚拟仿真实验模块、高边坡综合治理与支护设计虚拟仿真实验模块等。

该平台下的虚拟仿真实验模块主要针对教学过程中无法开展的实际工程问题。学生去工地往往只能看见工程施工的某个阶段，而无法了解整个施工过程，甚至由于危险性较大而从未真正见识过某些施工现场，而在虚拟仿真软件帮助下，这些问题都将迎刃而解。

2.3 创新型虚拟仿真实验平台

创新型虚拟仿真实验平台是基于土木工程专业教师的纵向、横向科研项目开发的，目的是拓展学生视野，增长学生专业见识，激发学生学习动力，更新学生知识资源。该平台主要包括：海工混凝土耐久性虚拟仿真实验模块、半刚性钢框架拟静力虚拟仿真实验模块、岩土渗流虚拟仿真实验模块、装配式结构虚拟仿真实验模块、海水再生混凝土与海洋材料混凝土虚拟仿真实验模块、地源热泵技术与应用虚拟仿真实验模块、侧向撞击内充介质管道虚拟仿真实验模块等。

从学生角度看，以学生为本开发实验模块，能够使学生从虚拟仿真实验中获得操作技能、项目设计、工程施工、质量检测等方面能力的提升。在完成土木工程规范中的基本专业实验后，与专业教师的科研项目紧密结合，将“教-学-用”融为一体。通过与国内知名软件公司联合开发，使学生能够在虚拟仿真中心完成土木工程项目的各个实践环节，并基于虚拟仿真实验中心的平台，指导学生参加全国性学科竞赛。

3 虚拟仿真实验教学效果

虚拟仿真实验教学虽然是“虚拟”的、不可能完全替代实体实验教学，但确实是实验教学的好帮手，具有快速便捷的优势。

我院虚拟仿真实验教学中心自建成投入使用以来，得到师生的广泛好评。2018年，在土木工程专业大四年级6个班中开展匿名调查，共发出241份调查问卷，收回有效调查问卷238份。认为对理论学习有极大促进、对虚拟仿真实验非常感受兴趣的在75%左右，希望将实体实验室和虚拟实验室相结合并希望在上课时间安排虚拟实验的在75%以上。

调查表明，虚拟仿真实验教学中心的建设极大地突破了传统实验教学的束缚，学生可以根据自己的时间和兴趣来安排学习虚拟仿真实验项目，很大程度上调动了学生的主观能动性，是对学生开展创新性虚拟仿真实验项目，并以此为基础积极参加省级和国家级的创新竞赛项目的极大鼓励。

4 结语

虚拟仿真实验教学中心不仅节约了实验教学成本，更重要的是对传统教学理念、教学模式、教学方法和手段的深刻变革。

虚拟仿真实验教学在土木工程专业创新型人才培养方面具有较强的优势。土木工程虚拟仿真实验教学资源体现了“层次化、模块化、体系化”的特点，按照学校培养大纲，并考虑工程实践与行业需求，建设了“教学—科研”型教学团队，提升了学生的创新能力、专业实践能力、信息化应用能力、综合素质和自主实验学习兴趣，提高了应用型人才培养成效。

[1] 林蕙青.努力实现新时代高校人才培养新作为[EB/OL].[2018-10-26]. http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/201810/ t20181026_352793.html.

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[11] 胡振华，张宪堂，王崇革.浅谈高等院校土木类开放实验室的改革[J].实验室科学，2015, 18(6): 169–171, 174.

[12] 解丽芳，林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2014, 31(9): 114–115, 258.

[13] 蒋建清，曹国辉，陈东海，等.应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验室研究与探索，2018, 37(2): 144–149.

Construction and thinking of virtual simulation experimental teaching center for civil engineering

HU Zhenhua1,2, WANG Ying3, WANG Chongge1,2, LI Peng1,2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Qingdao 266590, China; 3. College of Transportation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

This paper expounds upon the construction idea of the Virtual Simulation Experimental Teaching Center in College of Civil Engineering and Architecture at Shandong University of Science and Technology which provides the service for the training of undergraduate civil engineering talents, the multi-platform and multi-level virtual simulation experiment teaching resource system and the actual effect of virtual simulation experiment teaching.

civil engineering; virtual simulation; experimental teaching; virtual experiment

TU17；G642.0

A

1002-4956(2019)10-0218-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.053

2019-02-22

2018山东省本科教改项目（251）；山东省研究生教育优质课程建设项目（SDYC17028）；山东科技大学土木工程与建筑学院教学改革项目（JG201707）；山东省自然科学基金项目（ZR2019PEE044）；教育部产学合作协同育人项目（201802192023）

胡振华（1988—），男，山东肥城，在读博士生，实验室副主任，实验师，主要从事实验教学及实验室管理。E-mail: skd994409@sdust.edu.cn

王颖（1987—），女，山东昌乐，博士，讲师，主要从事本科教学与管理。E-mail: jiang101215@163.com