新工科背景下土木工程专业虚拟仿真实验教学研究

●张德秋王晶彦孟祥华周 宇孙 鹏

当今在高校实验教学过程中，新工科背景下，与时俱进、伴随着信息时代的高速发展以及高等学校对实践教学能力的要求不断提高，虚拟仿真实验教学在高等学校的应用逐渐显示出其强大的优越性①②。虚拟仿真实验教学既能增加教学的乐趣、又是一种有效而且重要的教学方式，它可以利用网络数据库、大数据信息平台等技术手段应用于土木工程实验教学中，解决以往的土木工程实践教学与当今信息时代应用型人才培养之间突出的显著问题。早在2013年教育部就启动了国家级虚拟仿真实验教学建设③。许多高校建立了高质量的、具有前沿性的虚拟仿真实验教学平台，可以有效地促进教学改革和创新，为社会培养出高质量的技术型人才。

一、新工科背景下虚拟仿真实验教学的优势

近年来国家为了快速推进“新工科”的实施，教育部先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等④。这些文件的出台，为“新工科”的发展指明了方向。其中虚实结合的虚拟仿真实验教学就是在新工科专业发展的背景下进入到普通高校的实验教学当中的，培养出更多的创新型人才，在今后的新兴产业和新时代经济需求的发展上更加具有创新力、竞争力，也成为教育教学改革的新趋势。具有显著的优势如图1。

图1新工科虚拟仿真实验教学优势图

二、虚拟仿真技术在实验教学应用中的现状

现如今是网络的时代、信息的时代，电子科技在飞速的发展，社会向前大步的迈进。虚拟仿真实验教学为高校培养新工科背景下创新型应用型技术人才打通了渠道。虚拟仿真实验教学在全国各大高校及科研部门得到了应用和推广。我学院从虚拟仿真实验室构建以来，充分利用这一平台，并结合教学培养方案，发挥原有实验教学条件，提高实验教学效果，为今后的实验教学提供了新思路，为培养新型人才搭好了平台。

学院已完成了虚拟仿真系统平台建设。在2018年获批了省级虚拟仿真项目，资金支持200万元，为实验室建设提供了有力保障。这一平台利用当今最先进的三维仿真技术，涵盖了建筑工程类所有专业的施工工艺流程、施工管理等实习、实训方面的大部分内容，为实验教学提供了优质的办学条件，虚拟仿真实验教学平台以施工工艺和管理为主线，通过三维立体的、真实的施工项目为背景实训演示，达到身临其境的感觉，让学生们在教室里就能完成实验的任务，解决了以往分组实验教学的难处，使教学更具有系统性、连贯性。

三、虚拟仿真技术在土木工程实验教学中的研究

基于以上的优势和现状，在当前新工科教学改革的大背景下，应该怎样合理地利用好虚拟仿真平台，为实验教学服务，培养好当代大学生的实践动手能力和创新能力，来完成人才培养目标，是我们急需解决的问题。

土木工程专业的实验教学场所就是虚拟仿真实验教学实验中心⑤⑥。本专业的特点是综合性较强需要锻炼学生的理论知识和实践能力，提高和培养这种综合能力，就需要在虚拟仿真教学上下功夫，用仿真平台来实现现实工作中的各种操作。由图2可以看出，虚拟仿真平台给我们提供了丰富的教学方法和学习手段。

首先，平台提供的基础知识板块，能帮助学生更好地掌握土木工程的理论知识，其中包括：建筑常用类型、建筑力学知识、材料应用知识、工程实操知识等内容，激发学习热情、提高学习的兴趣，能把理论基础知识掌握的更牢靠，为后期的实践操作提供强有力的支撑。

图2虚拟仿真实验教学资源图

其次，三维仿真板块，能真实地还原施工现场，可以像操作游戏一样完成实验，这其中有三种模式，能达到实践、教学、考评等目的。资料库和工具箱，模仿了真实的施工场景包含了施工中用到的所有数据和资料、施工中用到的所有工具等，使学生们能快速地了解到施工的规范和标准、掌握工具的用途和使用方法。这里的流程菜单、地图等可以学习施工管理、工艺和掌握整个施工现场的情况。测量放线是工程中的重点，学生通过虚拟仿真平台学习工程测量的方法，充分意识到测量对工程进度、质量等问题的影响。实验教师可以反复地用虚拟仿真技术来讲解各种测量方法，使学生更好地掌握测量的技巧，快速而准确地放线施工。虚拟仿真系统包含了施工整个过程，保证了系统的完整性、准确性。

最后，虚拟仿真系统能达到和实现的目标。其一，学生将理论知识与实践技能学习相结合起来，提高了综合素质。通过仿真系统的相关知识完成毕业设计等方面的工作。其二，教师能充分发挥这一平台的优势，将理论知识与技能锻炼实践相结合起来，丰富了教学资源，形成了完整的、合理的、适用的人才培养方案，提高了教学水平和教学效果。其三，学院的教学条件得到了改善，也可以面向社会，对教师进修、培训提供场所，实现资源共享，为今后的教育教学改革、教学评估提供了有力保障。

四、结束语

总之，在教育教学改革进行中，国家对“新工科”创新型人才的全新培养形势下，土木工程专业的虚拟仿真实验教学不仅节约实验教学成本，而且在教育教学改革中突显出优势和重要性。利用土木工程虚拟仿真实验教学资源具有系统性、整体性、立体性强等特点，提升地方高校办学条件，提高实验教师教学能力，培养出高质量的创新型的合格人才。

[基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目（项目编号：SJGY20190667）；佳木斯大学教育教学研究项目（项目编号：2018JYXB-001）；佳木斯大学教育教学改革研究项目（2020JY2-15）]

注释：

①唐向阳,马骁飞,郭翠梨等.建设高水平“化学化工虚拟仿真实验教学中心”的思路与探索[J].高等理科教育,2015(6):102-107

②林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究,2017(2):26-35

③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

④李正良,廖瑞金,董凌燕.新工科专业建设：内涵、路径与培养模式[J].高等工程教育研究,2018(2):20-24,51

⑤曹玉珍,余辉,安家宝.等基于体感交互的虚拟操作实验系统设计[J].实验室科学，2015,18(4):53-55

⑥蔡钒，陈爱城,王明兹,等.虚拟仿真实验教学中心网络化实验教学体系的构建[J].实验室科学,2018,21(1):121-123,127