“地下工程防水”虚拟仿真实验项目的建设

蒋雅君，赵菊梅，夏利华，占玉林，何 畏

（1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 成都慧恒科技有限公司，四川 成都 610031）

2017年以来，教育部积极推进“新工科”建设和高等教育强国建设[1-3]。在工程教育专业认证标准和新工科建设的要求中，对工科学生的实践创新能力提出了较高的要求，强调回归工程和产学协同，强化对学生实践创新能力的培养[4]。土木工程是我国传统的工科专业，笔者结合该专业“地下工程防水”限选课程虚拟仿真实验项目的建设实践，探讨虚拟仿真实验资源在提升学生实践创新能力方面的一些思路，希望能对国内院校土木工程专业虚拟仿真实验资源的建设及混合式教学的开展提供一些参考和借鉴[5-15]。

1 虚拟仿真实验教学项目的建设理念与思路

“地下工程防水”课程在线开放虚拟仿真实验项目的建设中，围绕课程教学目标、知识要点、考核要求、教学模式、实验环节设计等多方面的内容进行了全面研讨，以充分体现工程教育认证的核心理念以及确定课程虚拟仿真实验项目的建设思路，达到充分锻炼学生实践动手能力的预期目标。

1.1 对贯彻工程教育专业认证理念的探讨

贯穿工程教育专业认证要求的核心理念是以学生为中心、成果导向和持续改进[5]，因此在该课程虚拟仿真实验项目的建设中应充分体现这3个核心理念，达到人才培养目标服务。

（1）以学生为中心。该理念的核心是以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习成果为中心。包括虚拟仿真实验在内的课程教学应达到如下目标：让学生具备灵活运用所学理论知识解决工程问题的能力；以教师引导、教学资源支撑、学生自主学习相结合方式，强调以学生为主体的学习过程；以学生的学习成果为主要目标，关注学生在学习过程结束后的增量。

（2）成果导向。该理念主要体现在教学资源、教学组织、教学重点对该门课程的教学目标的支撑，并关注学生学习成果的取得方式、过程和效果，结合以学生为中心的理念，激发学生主动学习和有效学习。教学过程要突出学生深度参与、与实践体验紧密结合以及批判性思维养成，而不是停留在单一被动的知识传授和低层次的思维层面上。

（3）持续改进。应以学生学习成果的合理评价为基础，对课程的教学效果和教学目标的达成度进行跟踪、反馈和改进，推动课程教学质量的持续提升。

围绕以上3个理念所做的分析和思考，对于该课程的虚拟仿真实验项目的建设具有重要指导意义，也是“地下工程防水”课程在线开放虚拟仿真实验项目建设的基本理念。

1.2 课程虚拟仿真实验项目建设的思路

基于课程的教学大纲、与其他专业课程的关系以及工程教育专业认证要求，初步明确了该课程虚拟仿真实验项目的建设思路。

（1）课程虚拟仿真实验项目的建设应为课程的整体教学目标服务，与其他教学内容和教学环节有机结合、相互衔接，全面达成课程预期教学目标。为此，选取适宜的实验内容进行虚拟仿真实验项目的建设，并结合教学资源建设、线上及课堂教学、课程结业作业等内容和环节，贯彻以学生为中心、成果导向的理念，全面覆盖课程教学目标和知识点。

（2）整合实践资源，实现虚拟仿真与实践教学的虚实结合、相互补充。由于目前“地下工程防水”课程只安排16学时，需要兼顾理论教学、课程实践、专家讲座等教学环节，因而在该课程虚拟仿真实验项目实施的初期阶段，选择基础性的实验教学内容（如混凝土抗渗性能测试实验）进行建设，结合工程实践、专家讲座、课程作业等方式，统筹强化学生对课程知识的综合运用能力。远期将引入综合型、创新型的虚拟仿真实验内容，逐步提高实验及实践训练的效率和效果。

（3）混合式教学的综合考评体系是课程教学的重要保障，也是持续改进理念的体现。在原有课程考评机制的基础上，适当调整了考核内容，加入了虚拟仿真实验项目的考核环节和评分方法，通过在线平台的管理系统对学生参与虚拟仿真实验项目的过程、结果、研讨和意见反馈等数据进行采集和分析，作为对该课程虚拟仿真实验项目改进的依据。

经过以上的分析和研讨，决定分期、分阶段开展“地下工程防水”课程的虚拟仿真实验项目建设，从基础型实验逐步向综合型、创新型实验过渡。

2 虚拟仿真实验教学平台的开发及功能

目前已经完成“地下工程防水”课程虚拟仿真实验教学平台的一期建设，并在课程教学中开放使用。

2.1 “线上+线下”混合式教学模式设计

基于超星学习通、课堂教学、虚拟仿真实验平台、课程实践等教学环节，综合进行了混合式教学模式的设计，覆盖了课前、课堂、课后等环节（见图1）[16]。虚拟仿真实验是作为混合式教学的一个环节，嵌入在课程教学流程的设计中，因此在虚拟仿真实验平台的开发中也需要衔接前后有关的教学环节。需要说明的是：由于超星学习通等在线教学工具以及QQ群、微信群等在线工具的使用，使得课堂内外师生沟通和教学指导的途径较为畅通，已不能用课前、课中和课后严格区分线上、线下的教学活动。

图1 “地下工程防水”课程混合式教学模式设计

2.2 虚拟仿真实验教学平台模块设计

目前，“地下工程防水”虚拟仿真实验教学平台共设计了4个主要模块，每个模块对应实现不同的实验教学功能（见图2）。

（1）理论测试模块。该模块是在虚拟仿真实验之前，对学生进行的关于知识要点的客观题测试。该模块的测试题库可以在线生成测试题卷，对学生进行测试。该模块具有自动评分功能，可以将评分结果反馈至系统管理模块供调阅和分析。

（2）实验仿真模块。该模块包含指导（演示）模式和测试模式，也具有对实验过程和实验结果的自动评分功能。

（3）系统管理模块。此模块面向教师和系统管理员，用于系统维护、用户注册与登录管理、成绩统计和分析等工作。

（4）在线社区模块。此模块主要供学生与教师进行交流，或者配合完成部分课程在线教学。目前此模块尚未建设，暂时用课程QQ群、超星学习通等在线学习和交流平台替代。

图2 “地下工程防水”虚拟仿真实验系统模块组成

2.3 虚拟仿真实验教学系统架构

“地下工程防水”课程虚拟仿真实验教学平台交由成都慧恒科技有限公司开发，根据教学平台的使用功能需求、模块组成、流程设计，最终所提出的系统架构设计如图3所示。

图3 “地下工程防水”虚拟仿真实验系统架构

2.4 虚拟仿真实验教学平台的开发结果

该虚拟仿真实验教学平台综合采用了 3ds Max 2010、Photoshop CS4、Visual Studio 2017、Unity 2017.4.3f1等软件进行编制，通过图像处理、三维建模、人机交互、数据通信等技术手段，完成了混凝土抗渗性能测试虚拟仿真实验的开发。

目前，该教学平台已安装在对外开放的云服务器上，学生可以在校内外通过指定的网络地址连接该平台，在注册和登录以后可以进行虚拟仿真实验的操作。

3 虚拟仿真实验教学平台的实施效果

在“地下工程防水”虚拟仿真实验项目第一阶段建设完成以后，经过2018—2019学年第一学期两个教学班的使用，对其效果进行了检验，并依据对学生的反馈结果对该虚拟仿真实验教学平台进行了改进，目前已着手进行第二阶段的开发和建设工作。

3.1 课程总体考核评价机制构建

“地下工程防水”课程的整体考核评价方式及评分标准如表 1所示，其中虚拟仿真实验成绩占 5%，在此分值中又分为理论测试和实验操作考评两部分（各占2.5%）。在实验操作中，分解为4个主要的操作步骤，由人机交互功能实现操作和自动评分，学生需要正确完成每个操作步骤才能得到该项的满分。

目前仅为课程的虚拟仿真实验设置 5%的分值，目的是减少学生因对在线实验操作不熟悉而失分，鼓励、引导学生参与和使用该系统，并对该系统提出改进建议。以后将合理提高虚拟仿真实验环节的分值比例。

表1 “地下工程防水”课程考核方式及标准

3.2 虚拟仿真实验教学初步实施效果

图4是2018—2019学年第一学期的上、下半学期，2个教学班进行虚拟仿真实验的评分分布情况，其中对教学2班的学生增加了在线测试的内容。

图4 “地下工程防水”虚拟仿真实验项目评分分布

教学1班80%的学生得到满分5分，仅有6名学生在实验考核过程中未能全部正确操作，未得到满分。而教学2班仅有约50%的学生得到满分，其原因是除了在实验操作上有部分失分以外，理论测试部分未能全部正确作答也有一定的影响。

总体上，学生对于在线开放虚拟仿真实验教学这一新生事物是持欢迎态度的。由于电脑端操作简单、流程清晰，对于学生理解混凝土抗渗性能实验的操作要求和方法起到了较好的作用。相比枯燥单调的课堂单向讲授，或者周期较长、耗费较大的试样制备和实验周期，虚拟仿真实验无疑是一种高效、节约的实验实践训练方式，丰富了课程教学的内容和层次。但是学生也反馈了一些意见，例如应开发手机端使用界面、提供小组协作模式、增加实验操作环节的时间限制等。对于这些意见，将在下一步的建设中逐步完善。

3.3 与课程其他教学环节的结合及配合开展情况

虚拟仿真实验也是课程教学中的一环，需要考虑与其他教学环节的相互配合、协同开展，共同支持课程教学目标的达成。由于“地下工程防水”课程接近技术应用的末端，是对学生前期所学专业知识的一个综合运用，因此比较重视对学生实践能力的培养和训练。

该课程为实践环节设置了总分20%的分值，实践开展形式包括虚拟仿真实验、课程工程实践、行业专家讲座。目前教学环节按照以下顺序安排：

（1）通过课堂讲授、在线学习等方式给学生以防水理论和材料知识的铺垫，并完成虚拟仿真实验，了解常见防水材料性能检测的要求和方法；

（2）安排专家讲座，介绍常见工程类型的防水技术和材料的应用，以加深学生对防水技术和行业的认识，并理解防水材料性能检测的必要性；

（3）安排学生进行工程参观和实践，将课程讲授的理论知识、应用技术、实验操作与具体工程实例有机联系起来，尝试将课程所学知识在实际工程中进行综合的运用。

通过层次递进、有机衔接地安排以上教学环节，通常能使学生得到深刻的学习体验、提高思考问题的深度、综合提升实践创新能力起到较好的效果和作用。

4 结语

通过“地下工程防水”课程虚拟仿真实验平台的建设实践得到以下体会和经验：

（1）虚拟仿真实验的建设应根据高等教育的发展，探讨新的建设理念和实施路径，以满足新形势下对工程专业人才培养的要求；

（2）依托具体课程的虚拟仿真实验项目，应在课程教学目标的总体框架下，与其他教学环节（尤其是实践实训环节）有机结合和衔接，共同支撑课程教学目标的达成；

（3）混合式教学是课程建设和教学模式改革的一个热点方向，虚拟仿真实验项目的建设也应做好顶层规划与设计，嵌入混合式教学中；

（4）合理的考评机制是混合式教学的重要保障，需要对虚拟仿真实验的考评方式进行一定的研究和实践。

“地下工程防水”虚拟仿真实验项目的建设，将进一步深化虚拟仿真实验与工程实际的结合，从个别基础型实验项目向综合型实践项目（设计、施工和检测）及创新型实验延伸，以加强对学生的实践创新能力的培养，更好地支持课程教学目标的达成。