仿真模擬技術運用于電大土木類專業遠程實驗教學的探索

【摘要】土木類專業的教學設有豐富多樣的實驗性環節，然而隨著招生規模的擴大，學?，F有的實驗設施和教師水平已不能滿足實驗教學的需求，為了保證實驗環節能正常有效地開展，把仿真模擬技術引入到實驗教學中來，不失為一種可行而有意義的方法。本文是對仿真模擬技術運用于電大土木類專業遠程實驗教學的可行性和重要性進行初步探索。

【關鍵詞】仿真模擬技術；土木類專業；遠程實驗教學

Exploration of Using Computer Simulation Technology in Distance Experiment

Teaching of Civil Engineering Specialty in Radio and Television Universities

ZHANG Zichao，YAN Chaojun（Zhejiang Radio ＆ TV University，Zhejiang，Hangzou，310012，China）

【Abstract】Civil engineering specialty teaching has a variety of experimental link，with the rapid expansion of the enrollment of students， existing laboratory facilities and teachers' level of schools has been far from meeting the needs of experimental teaching. It is a viable and meaningful way to introduce the simulation technology into experiment teaching. The paper tries to carry out an initial exploration of the importance and the feasibility on simulation technology in distance experiment teaching of civil engineering specialty in Radio and Television Universities.

【Keywords】Simulation technology；Civil engineering specialty；Experiment teaching

土木類專業在課程教學中很注重實驗環節，在所開設的課程當中幾乎都設有比重不一的實驗課時。近年來，眾多普通院校的土木類專業課程的實驗教學，由于學生人數的持續增加，導致各類實驗教學項目增多、費用加大、耗時延長，開展效果不理想，這種情況在電大的土木類專業遠程教學中更顯突出，如何為電大學生提供更為有效的實驗教學環節和方式，提升電大土木類專業教學的質量，成了亟待我們解決的難題。目前仿真模擬技術正在不斷發展、普及，直接為仿真技術引入實驗教學到實驗教學中提供了強有力的技術保障，通過仿真模擬的手段來開展實驗教學勢將在很大程度上緩解電大實驗教學的壓力，真正體現實驗教學的價值。

1仿真模擬技術的特點

仿真模擬技術實質上是建立仿真模型和進行仿真試驗的技術。仿真可以分為物理仿真和計算機仿真兩大類。物理仿真的優點是直接、形象、易信，但模型受限較多、易破壞、難以重用。計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模擬實際系統的運動狀態及其隨時間的變化過程，通過仿真實驗的輸出參數和基本特性，來估計和推斷實際系統的真實參數及真實性能，使系統性能和長期的動態性能在極短的時間內由計算機得到全面的實現。它的優點是不怕破壞、易修改、可重用。仿真模擬技術用于土木工程實驗教學在國內尚處于起步階段，但將計算機技術與網絡技術相結合，多媒體技術與仿真技術相結合，利用電大自身強大的網絡優勢，開發基于網絡的虛擬實驗系統，營造一個逼真的實驗環境。因為與傳統的實驗教學相比，計算機虛擬實驗所體現出來的特點是顯而易見的。

1.1高效性傳統的實驗開展需要做大量的前期工作，如組織學生、準備材料、制作構件、調試儀器等，在實驗過程中往往是一兩個教師指導幾十名學生，實驗效果可想而知。完成實驗之后又得進行材料回收、儀器養護、環境打掃等后期工作，造成實驗周期長、效率低，而模擬實驗可以解決這些問題，大大減少實驗前期和后期工作量，提高實驗開展的效率。

1.2低耗性傳統的實驗，例如《建筑材料》課程，僅做該課程實驗就得用到水泥、砂、石、磚、鋼筋、瀝青、木材等各種材料，而且在實驗之后這些材料均不可再用。模擬實驗中通過計算機模擬既可以形象展示各種材料的特點，又不用消耗實際材料，節約了成本。

1.3靈活性電大的學生不像普通高等院校的在校生，他們是在工作生活之余利用業余時間來學習的，并且土木專業大量的實驗安排往往與他們的工作生活相沖突，這給任課教師組織安排實驗帶來很大的困難，模擬實驗的應用可以讓他們的學習不受時間、地點的限制，從而大大調動了他們的參與性和積極性。

1.4交互性在仿真模擬實驗中，學生在線上機操作過程中，可以隨時與輔導教師和同時在線的同學進行交流，對于實驗步驟、實驗結果中疑問幾乎可以馬上解決。與此同時，教師也可以通過與學生的互動，隨時掌握他們學習的狀態和成果。

1.5重復性一般傳統實驗特別是一些演示實驗在進行過程中，學生在觀看完一遍之后往往沒有很深的印象，達不到預期的效果。目前電大課程的實驗中，演示實驗也不少，運用仿真模擬實驗可以讓學生自己在計算機上操作流程并進行演示，不但可以加深印象，還可以重復進行觀看體驗。

2仿真模擬技術對于遠程實驗教學的重要性

仿真模擬技術對于遠程實驗教學的重要性我們可以通過目前電大土木類遠程教學的現狀來進行分析。

2.1土木類專業招生規模不斷擴大，招生點更為分散從招生情況來看，自2003年以來，浙江電大土木類專業的招生規模不斷擴大，招生的教學點從最初的杭州、金華、臺州、麗水等4個電大發展到2007年的28個電大，值得關注的是，教學點的設置從最初的市級電大擴展到縣級電大，輻射面更趨廣闊；招生人數實現穩中有升，2003年招生數僅為119人，而到了2007年秋季單季招生學生人數已經達到1429人；教學專業方向不斷豐富，教學專業從2003年單一的土木工程本科建筑工程方向發展到目前本科層次土木工程建筑工程方向、建筑管理方向、道路橋梁方向和?？茖哟谓ㄖ┕づc管理專業、工程造價管理專業、道路橋梁施工與管理等。

2.2土木類教學中實驗環節多，任務重目前電大土木類專業設置分本科和專科兩個層次，其中本科層次設土木工程專業建筑工程、建筑管理、道路橋梁等3個專業方向，專科層次設建筑施工管理、工程造價管理、道路橋梁施工與管理等3個專業，每個專業（或方向）的許多基礎專業課程設有實驗環節，如《建筑結構實驗》、《流體力學》、《工程地質》、《土木工程CAD》、《建筑材料》和《地基基礎》等。為了完成這些實踐環節，教師需要進行大量的準備工作，同時學生也得耗費大量的時間，對于這些平時有工作，只能在業余時間參加學習的學生來說，任務相當繁重。

2.3教學資源缺乏，實驗硬件條件難以滿足需求電大的教學點尤其是土木類專業的教學點較為分散，這也導致了教學資源的分散。一些分?；驅W院可能沒有十分完善的實驗設施，特別是像《建筑結構實驗》、《流體力學》等課程所需的實驗設備十分專業，配備這些儀器和設備投入巨大，占用場地較多，維護保養困難。由于各個教學點的學生人數有限，一旦斥巨資建設后會面臨利用率較低的局面，而如果是帶領學生到其它高校做實驗，一方面開支不小，另一方面組織學生困難大，實驗難以順利進行，即使開展實驗效果也難以保證。

2.4土木類實驗教學消耗大，費用高土木類實驗教學一般都是消耗性實驗，既要消耗大量的材料，也會損耗儀器設備，一次實驗所需費用較高。綜觀上述現狀，在電大開展實驗教學比在普通院校更加困難。而且即使開展了實驗，因為時間緊迫，資源有限等原因，效果也不理想。所以改革現有的實驗教學手段成了目前我們需要迫切解決的一個課題。正是計算機仿真模擬技術的發展給實驗教學改革帶來了一個新的方向，它能使實驗教學改變從前固定時間、固定地點完成單一化實驗的陳舊模式，既能解決電大實驗教學的眾多問題，又能凸顯電大自身的網絡優勢，這對于電大的工科類專業持續發展顯得尤為重要。

3仿真模擬實驗應用于電大實驗教學的可行性

我們的目標是希望將土木類課程的實驗從實驗室搬到網絡上，提供一種全新的實驗教學方式。學生可以通過網絡仿真模擬實驗系統的仿真瀏覽器觀看典型的實驗操作演示，通過實驗仿真開發系統實現網上虛擬仿真實驗操作，根據自主學習情況編寫并提交實驗報告。對于實驗過程中所遇到的困難可通過BBS輔助系統向教師和同學請教，教師也可以通過遠程操作及時掌握學生的學習情況，實時答疑，實時指導，并且及時評改實驗報告。這種網絡互動的遠程學習平臺將由WEB服務器和數據庫服務器提供后臺程序，學習終端通過瀏覽器登陸服務器仿真系統實現仿真操作。

要實施以上對仿真模擬實驗的設想，需要具備一定的條件，而目前根據仿真技術、學校設施和人才隊伍等各方面的發展情況來看，將仿真模擬實驗應用于電大實驗教學已經具有相當的可行性。

3.1電大網絡教學系統平臺的廣泛使用為進行虛擬實驗提供了保障以浙江電大為例，浙江廣播電視大學的網絡教學系統平臺由實時授課系統（雙向視頻會議系統）和在線學習平臺兩大部分組成，在全省電大系統內部構建了寬帶專用網現代遠程教育系統，組成了一個高效、穩定、多功能的計算機網絡。學習平臺系統配備了多臺服務器，Web服務器由兩臺大容量、高性能的數據庫服務器提供負載均衡，教師不僅可以在BBS系統中與學生進行交流，也可通過雙向視頻與學生形成面對面的互動。平均每日千人以上的訪問量充分說明網絡教學在電大學生中已得到廣泛使用和認可。這一強大硬件設施為虛擬實驗的開展提供了強大的保障。

3.2仿真模擬技術的發展為模擬實驗的開發提供了條件仿真模擬技術近年來發展極為迅速，土木工程的科學研究與該技術的結合越來越普遍，大量軟件如ANSYS、SAP2000、ADINA等軟件的應用為模擬實驗的設計使用提供了條件。

3.3普通高校對仿真模擬技術應用于實驗教學的探索研究為我們提供了寶貴經驗雖然土木工程領域本身的復雜性和大量的不確定性，使計算機仿真技術在該領域尚處于起步階段，但隨著國內普通高校對仿真技術運用于實驗教學的不斷認可，研究仿真實驗的設計和開發的隊伍越來越龐大，不少高校對個別課程的模擬實驗探索已取得初步成果，這些都將為我們提供有益的借鑒，我們可以利用普通高校已有的寶貴經驗，結合自身優勢，促進模擬實驗的進一步推廣。

3.4各類高素質人才的合作為模擬實驗的開發提供了可能隨著電大近年來招生規模日益擴大，教師隊伍也在迅速壯大，具有高學歷、高水平的教師越來越多，教師的業務能力和研發熱情大大提高。此外，電大還具有一支高水平的網絡維護隊伍，他們對于設計軟件的開發應用富有經驗，這些高素質人才與團隊的相互合作使得仿真模擬技術用于遠程實驗教學成為可能。

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