虚拟仿真实验技术在土木工程专业留学生实验教学中的应用探索

肖晶 曾繁丽 何建

摘要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化的重要内容。虚拟仿真实验技术在实际实验教学过程中的应用程度，直接关系到实验教学的整体教学质量。随着土木工程专业留学生队伍的不断壮大，加大力度进行虚拟仿真实验教学体系建设，可有效提高留学生实验教学水平。本文以哈尔滨工程大学土木工程专业实验教学为例，阐述了虚拟仿真实验技术应用在实验教学中的必要性、应用现状及发展前景，并以此为基础，探索虚拟仿真实验技术促进留学生实验教学模式改革的途径。

关键词：土木工程专业；虚拟仿真；实验教学中心；留学生教育

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）09-0276-03

一、引言

随着我国“一带一路”倡议不断加深，中国同不同国家、地区及国际组织之间的教育合作程度日益深厚。据教育部发布的全国来华留学生数据统计显示，2017年共有48.92万名外国留学生在我国高校学习，规模增速连续两年保持在10%以上。“一带一路”沿线国家留学生31.72万人，占总人数的64.85%，增幅达11.58%，高于各国平均增速。目前，中国已成为亚洲最大留学目的国。其中，土木工程专业来华留学生不仅数量增长，层次、结构也不断优化，呈现出全新的发展态势。如何整合教育资源、优化课程结构、提高培养质量就成为留学生教育的关键。

二、虚拟仿真实验技术在土木工程专业实验教学中的应用优势

土木工程是基于实践经验发展而来的学科，其核心课程如混凝土结构设计原理、土木工程施工、工程概预算、钢结构基本原理等都是在基本知识的实践基础上修正得来的，因此在教学过程中，实验所占比重较其他专业更大。对一些无法现场展示的工程实践，任课教师只能在课堂上展示图片或视频，缺少真实感，毫无新意，长此以往，导致学生在学习时对工程实际一知半解，严重影响了教学质量。

通过虚拟仿真实验技术，学生可以在虚拟环境下精准模拟真实实验，大大增强了实体实验教学效果。在理论知识学习和实践能力培养过程中，某些大型实验、高危险性实验等是在真实环境下难以复现、观察或者成本较高、实施难度较大的。虚拟仿真技术的优势在于可精确模拟真实物理环境和作业任务，采用网络技术、多媒体、人机交互等技术构建高度仿真的虚拟仿真实验教学平台，完成真实环境中难以操作的实验，帮助学生随着教学进度感性的理解教学内容，克服理论与实践脱节的问题。此外，虚拟仿真实验教学能够节省实验成本，提高实验操作可重复率。土木工程专业实验综合性强，设备体量大，操作过程复杂，实验材料消耗巨大，实验操作中的操作失误更是增加了实验材料的浪费。引入虚拟仿真技术，对持续推进实验教学信息化建设和推动高等学校实验教学改革与创新都具有无可替代的辅助优势。虚拟与真实实验教学相辅相成，有效促进了高校学生创新精神和实践能力的提高。

三、虚拟仿真实验技术应用于留学生实验课程的意义及具体措施

1.虚拟仿真实验技术应用于留学生实验课程的意义。由于教学资源的局限，在实验教学环节中，涉及危险性较高的大型实验，出于对留学生人身安全的考虑，授课教师多选择让留学生观摩而不实际操作，甚至直接放弃某些具有危险性和破坏性的实验项目，严重影响了对留学生专业实践能力和实用技能的培养。

将虚拟仿真实验技术应用到留学生实验教学环节的实际教学改革中，运用其强大的信息处理和动态仿真能力，模拟实践现场场景，对解决留学生教学实践环节中的困难助益颇大。通过虚拟仿真实验技术，留学生可以在实验室中的虚拟仿真环境里安全实验，弥补了实体实验实践教学的不足。

2.虚拟仿真实验技术应用于留学生实验课程的实践探索。我国在利用虚拟仿真技术开展教学改革方面与西方发达国家高等院校相比虽起步较晚，但总体发展迅速。在实验教学方面针对留学生的教学工作由无到有再到规模稳定，经历了不辍的探索与变革。将虚拟仿真实验技术引入留学生实验教学中，实现土木工程专业与现代信息技术深度融合，具体表现形式主要包括虚拟仿真实践教学素材开发、虚拟仿真实验课程体系构建、虚拟仿真实验教学实验室建设等。哈尔滨工程大学土木工程专业在探索虚拟仿真实验技术应用于留学生实验教学的实践中，主要措施包括以下三项：（1）建设完善的软硬件相结合的虚拟仿真平台。土木工程专业虚拟仿真实验平台包含硬件和软件平台两个层次。根据单元化集成大平台的总体思路，搭建了以“土木实验”为中心的实验环境和以“实验室教学云”的网络环境为一体的硬件平台，在硬件上实现现实与虚拟的互动；软件平台主要是指实验课程体系的构建，也包括实验室运行制度与机制的设计，架构了“1-3-5-7”虚拟仿真实验教学体系，即：1个实验中心平台（搭建一个实验中心管理门户系统）、3个阶段（设计阶段、施工阶段、管理阶段）、5组模块（建筑设计、建筑结构、建筑设备、建筑施工、建筑管理）、7类实验教学单元（理论力学、材料力学、结构力学、绿色建筑、BIM建模、施工工艺、项目管理），实现专业建设、学科建实室建设的良性促进。此外，土木工程专业已与某建筑研究院就建筑工程虚拟交互信息技术达成资源整合协议，旨在打造出中国第一个建筑工程虚拟仿真实训平台，开拓并引导了中国建筑工程虚拟仿真教学模式的先河。（2）在授课过程中引入虚拟仿真技术，提高理论及实验授课效果。以材料力学实验、土力学专业综合实验、工程结构实验等课程为例，这些课程均为土木工程专业的基础性专业实践课程，授课方式多为先理论教授后实验或边理论边实验。理论课的授课效果直接影响到实验的实际操作效果。目前情况下，即使是经过汉语培训的学生，在授课语言为中文的课堂上也无法全面深入的领会课堂内容。因此，土木工程实验中心已设立了大型实验课的英语授课班，并组织专门的实验教师演示虚拟仿真技术模拟的实验过程，利用校园网等网络教學平台，将理论授课资源及虚拟实验资源等以电子教学素材的形式提供给留学生，将课堂理论教学网络电子教学协同进行，方便留学生课前预习与课后复习。此外，授课教师还可以与留学生通过网络随时进行讨论与交流，进一步帮助留学生熟悉实验过程。（3）开发虚拟仿真实验课程，丰富实验教学素材。实现虚拟仿真实验技术在留学生实验课程教学中的运用，一方面要求留学生需要掌握与对应虚拟仿真实验技术相关的基本知识，熟悉所要使用的常用软件工具；另一方面，开发基于该技术的虚拟实践教学素材。这就要求教学团队在制订教学计划时要考虑开设相关的实验技术课程。因此，土木工程虚拟仿真中心教学团队针对课程设置，在实验大纲中加入了英文授课的BIM施工技术、可靠性软件应用、工程力学问题数值仿真等课程，聘请合作企业的工程技术人员作为虚拟实验教学中心的兼职教师，定期开展软件技术培训，邀请国外专家来校为学生做Eclipse、ABAQUS、Web Builder、ANSYS、PKPM等专业仿真计算软件的讲座。虚拟仿真实验技术课程的开发，加强了理论知识与实践动手操作的联系，不仅加深了留学生对课堂知识的理解，提高了综合运用知识的能力，更促进了留学生与中国学生的知识融合，锻炼其协调处理技术问题和人际关系的能力，调动学生自主学习的主动性和积极性。（4）不断加强师资队伍建设，提高授课教师的授课水平。制约虚拟仿真实验教学发展的关键因素是缺乏可以教授英文实验课程的专业教师，由于虚拟仿真技术具有很强的技术性，基于虚拟仿真实验技术的实验课程对授课教师提出了更高的要求。教师需要具备较强的实验操作能力，熟悉所讲授的实验过程。另外，由于接受指导的受众为留学生，就额外要求授课教师需要具备一定的英语水平及沟通能力。为解决这一问题，实验教学团队陆续派出大批中青年教师赴海外进修学习，并聘请外籍教师定期授课。目前留学生实验课已实现全英文授课。

四、建设成效

土木工程虚拟仿真教学资源按照校内外的实践需求，总体上实现了实践效果全程跟踪；在实践内容上，满足核心能力、专项能力以及岗位能力的全覆盖；在教学模式上，通过全新的教学手段提高了学生的动手能力，实现理论知识之间的相互串联以及理论与实践知识的双向支撑，增强了教学的系统性，提升了专业人才的培养能力。

1.留学生自主实验能力与开放性思考能力大幅提高。通过虚拟仿真实验平台，留学生从被动接受变为主动学习，“全天候虚拟实践教学环境”能让学生在操作时，随时随地强化对理论知识的理解和记忆，加强对专业实践技能的掌握；通過对体系健全、资源丰富、趣味性强的学习和操作，引导留学生建立开放性的思维模式，实现留学生实验教学自主化的目标。目前，土木工程专业虚拟实验室在留学生实验课程、本科留学生毕业设计、研究生毕业论文等教学环节中占据了重要位置，除日常课程外，还满足了留学生自主实验的需求，为留学生的科研活动提供了坚实的硬件资源保障。

2.教学手段优化，教学模式升级。教学过程中虚拟仿真技术手段的运用，让实验课不再局限于传统的方式，授课教师更灵活生动的指导学生巩固和理解课堂知识，更有效的实现理论知识之间的相互串联以及理论与实践知识的双向支撑，增强教学的系统性。

3.带动专业教学改革，全方位深化校企合作。土木工程专业虚拟仿真资源平台实现了实践教学领域里的信息化建设，在当前教育资源信息化的大背景下，有效的对理论和实践资源进行了优势整合，这种信息化的建设模式为同类院校同类专业的教学改革提供了一定的方向指导。同时，虚拟仿真资源平台在建设过程中，与国内合作企业如中建一局、北京城建集团的海外工程项目密切结合，建立了留学生实训基地，真正实现了留学生专业人才培养与企业的无缝对接。

五、结语

虚拟仿真实验技术是高校信息化的重要内容，开展虚拟仿真实验教学建设是高等教育改革的一项重大举措，是新时期高校人才培养的重要任务，也是未来实验教学改革发展的必然趋势。基于多年来实验教学的改革经验，力学专业实验室正逐渐加强力学虚拟仿真实验教学内容、资源的建设。虚拟仿真实验教学因其突出的灵活性大大增加了留学生实验教学环节的授课效果。随着建设工作的不断深入，还会有不少新的问题产生，这需要我们在实践中加以完善解决。

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