淺談高校土木工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

呂小師+龔健

【摘要】近年來(lái)，隨著高校課程教學(xué)改革的不斷深入，虛擬教學(xué)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在課程教學(xué)過(guò)程中，尤其是實(shí)踐性較強(qiáng)的土木工程專業(yè)。本文針對(duì)傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、利用率低和管理困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一些主干課程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，希望能解決目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，提高高校土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】土木工程 虛擬技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【基金項(xiàng)目】河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2015JG089）資助。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）23-0063-02

高校土木工程專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其高校日常教學(xué)中的重要組成部分，很多課程的教學(xué)都設(shè)置有實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)，它可以使學(xué)生更好的理解知識(shí)產(chǎn)生、發(fā)展和演變的過(guò)程，讓理論知識(shí)更加形象、直觀的再現(xiàn)在學(xué)生眼前，這對(duì)于提高學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的感性認(rèn)知、消化吸收、探索未知以及創(chuàng)新精神有很大的影響。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，它以全面提高高校學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，旨在推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[1]。可見，在高校土木工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以滿足基本教學(xué)為主，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。這時(shí)，往往受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的限制，學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的消化和創(chuàng)新得不到訓(xùn)練，沒法發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)新力，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的教學(xué)效果。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高。大多數(shù)傳統(tǒng)的土木工程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都需要準(zhǔn)備許多的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)器材，如鋼筋、水泥、應(yīng)變片、測(cè)試儀表等，這些都是一次性消耗品，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本較高。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率低。現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)不斷更新，一些老的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足新的實(shí)驗(yàn)要求，其所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不便于再開設(shè)，造成了設(shè)備的閑置，利用率低下。

3.教學(xué)安全管理困難。傳統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都是讓學(xué)生親自到實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)材料的現(xiàn)場(chǎng)使用給實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)產(chǎn)生很多不安全隱患，這就給教學(xué)環(huán)節(jié)的安全管理增加了難度。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)的基本思想是通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用相應(yīng)的虛擬軟件來(lái)虛擬出各種課程實(shí)驗(yàn)所要求的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種以軟件為儀器的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｋ芘囵B(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)，它也可以和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成互補(bǔ)，以更好的提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[2]。

1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)是一種將實(shí)踐與理論、虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，具有開放性、互動(dòng)性和靈活性等特點(diǎn)。它以實(shí)際模擬和學(xué)生興趣出發(fā)，強(qiáng)度學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2.教學(xué)目標(biāo)。主要是培養(yǎng)學(xué)生如何將理論知識(shí)更好的應(yīng)用于客觀實(shí)際的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實(shí)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.組織形式。主要包括自主分析、分組討論、集體研究等三種組織形式，它們之間是相互交叉、相互配合的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)一種通過(guò)虛擬對(duì)現(xiàn)實(shí)情景多次再現(xiàn)和重復(fù)思考的過(guò)程，到達(dá)深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的目的。

三、土木工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)可涵蓋高校土木工程專業(yè)幾乎所有的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如工程力學(xué)、工程管理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

1.建筑結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件受力性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)K對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的梁、柱、節(jié)點(diǎn)等的受力性能進(jìn)行仿真研究，以直觀全面地讓學(xué)生對(duì)這些專業(yè)知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)感性的理解和更好的掌握。同時(shí)，也可通過(guò)本實(shí)驗(yàn)?zāi)K讓學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行拓展和延伸，進(jìn)而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

2.土木工程項(xiàng)目施工管理仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。主要是通過(guò)一些參數(shù)化的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真來(lái)演示土木工程施工的過(guò)程和工程建設(shè)項(xiàng)目的管理，讓學(xué)生在實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)課程知識(shí)有一個(gè)綜合的了解和掌握。這是一種以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論、過(guò)程仿真和資源耦合的三維教學(xué)體系的設(shè)計(jì)[3]。

3.土木工程CAD制圖仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。主要是利用Auto CAD的三維功能，通過(guò)構(gòu)建一些虛擬模型庫(kù)，再借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以再現(xiàn)課程教學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)，讓學(xué)生能更加清晰、生動(dòng)、形象的學(xué)習(xí)和練習(xí)。這樣可以讓學(xué)生在課余時(shí)間像玩游戲一樣進(jìn)行三維觀察和模擬練習(xí)，實(shí)現(xiàn)自覺學(xué)習(xí)和提高動(dòng)手能力的目的[4]。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)保障體系

1.注意事項(xiàng)。一是要注意虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，它只是在虛擬軟件下的一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，不是所有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都適合虛擬化；二是要注意加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程管理，它為學(xué)生提供了一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，要時(shí)刻把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)方向，避免實(shí)驗(yàn)教學(xué)像游戲娛樂方向發(fā)展；三是要注意虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果總結(jié)，應(yīng)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加強(qiáng)與學(xué)生的溝通互動(dòng)，以發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，及時(shí)解決，以保證其教學(xué)效果。

2.保障體系。主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途x、改革考核方式和學(xué)校技術(shù)支持等幾個(gè)方面。首先要求教師對(duì)所授課程教學(xué)資源進(jìn)行整合，整理出適合虛擬教學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)；其次是將傳統(tǒng)的考核方式進(jìn)行改革，加大虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在課程考核中所占的比例；虛擬實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器群來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要學(xué)校層面加大這方面的投入，以提高教師和學(xué)生的體驗(yàn)速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014.12.19]

[2]吳海燕.虛擬技術(shù)在工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用設(shè)想[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2002，19（3）：43-49

[3]李彬彬，蘇明周.土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探索與構(gòu)建[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2015，34（2）：96-100

[4]李潔.基于虛擬技術(shù)的《機(jī)械制圖》教學(xué)改革構(gòu)想與實(shí)踐[J].職業(yè)教育研究，2011，9：167-168

作者簡(jiǎn)介：

呂小師（1975-），男，山西晉城人，工程師，工程碩士，主要從事巖土工程、爆破工程、礦業(yè)工程的教學(xué)與科研工作。