土建類虛擬仿真實驗教學資源持續建設與實踐

王淑嬙 賀行洋 鄒貽權

摘要：湖北工業大學國家級土木工程與建筑實驗教學示范中心在發展過程中十分重視虛擬仿真實驗教學資源的內涵建設，以工程教育的CDIO模式為指導，在開放的實驗教學體系下，探索教學資源建設的流程和轉化途徑，持續增加虛擬仿真實驗項目，并對其內容進行不斷改善和優化，以達到提高實驗教學效果的目的。

關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；教學資源；土木工程與建筑

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0159-07

虛擬仿真實驗是學科專業與信息技術深度融合的產物，在學科建設發展、國家政策驅動和信息技術支持的三重推動下，虛擬仿真實驗教學建設進程加快。各大高校在虛擬仿真實驗教學平臺建設、實驗教學資源建設和實驗教學隊伍建設及優質資源共享等方面開展了大量探索實踐。其中，信息化實驗教學資源建設是核心，是影響實驗教學效果的根本，因此加強教學資源內涵建設是當前的重要任務。

目前，土建類虛擬仿真實驗教學資源建設存在的主要問題有：（1）缺乏頂層設計，沒有充分論證理論課程和實驗課程之間的關系，未理清仿真實驗與實體實驗的關系，導致理論教學和實驗教學脫節[1-3]；（2）從實驗類型看，演示型實驗和驗證型實驗較多，綜合設計型和研究創新型實驗較少。實驗結果唯一，真正的交互性實驗很少[4-5]；（3）未體現持續改進思想，不注重過程質量和效果質量的控制與分析[6]。

湖北工業大學土木工程與建筑實驗教學中心的建設是在新型建筑工業化、建筑信息化、綠色化大背景下實施的[7]，中心以土木建筑與環境學院為依托，設有實體實驗教學分中心和虛擬仿真實驗教學分中心，面向全校共計14個本科專業開展實驗教學和科學研究，為學生綜合能力培養、創新創業實踐及教師科學研究提供了有力支撐，2015年被評為國家級實驗教學示范中心。在“4-4-12-X”的開放式實驗教學體系下[8]，以工程教育的CDIO模式為指導[9-10]，不斷改進和優化實驗資源，在虛擬仿真實驗資源建設方面積累了一定的經驗。

一、土建類虛擬仿真實驗教學資源建設的流程和途徑

（一） 土建類虛擬仿真實驗教學資源建設流程

為防止虛擬仿真實驗項目開發的盲目性，必須強調虛擬仿真實驗教學資源建設的體系化，重視前期論證。全過程遵循工程教育的CDIO模式，以構思（Conceive）-設計（Design）-實施（Implement）-運作（Operate）理念為指導。在“4-4-12-X”的開放式實驗教學體系中設置了不同層次，面向不同專業，難易程度各異的實驗項目。為適應建筑產業轉型和學科發展，各模塊下的實驗項目可以逐漸拓展或動態改進，今后還可在各實驗模塊基礎上進一步優化，切實提高虛擬仿真實驗項目的質量[8]。虛擬仿真實驗教學資源建設流程如圖1所示。

（1）在構思階段，主要解決必要性問題。充分論證理論課程和實驗課程的關系，包括對應知識點、實驗展開方式和手段、對應課時數等。堅持“能實不虛、虛實互補和虛實結合”的原則，論證虛擬仿真實驗是否有必要，包括實驗虛擬化需求論證和與實體實驗之間的關系論證。實體實驗關系論證包括先后關系、驗證關系、仿真關系和改善效果。根據學科特點，理順虛擬實驗和實體實驗的關系，部分實驗項目先開展虛擬仿真實驗教學，待學生對工藝、流程和工法了解后再進入實體實驗環境；部分實驗先開展虛擬仿真實驗，然后通過實體實驗進行驗證；對于實驗教學過程中存在的實體實驗不具備或難以完成，或部分實體實驗教學效果不佳的情況開展虛擬實驗。結合虛擬仿真技術與真實的實驗環境和實驗操作相互補充，激發學生做實驗的興趣，提升土木工程與建筑實驗教學質量。

（2）在設計階段，主要解決可行性問題。專業教師進行虛擬仿真實驗設計，重點包括實驗教學目標、實驗內容、具體任務和實施路徑等，由同行和專家對實驗內容進行論證，對內容、方法和手段進行優化和改進；由軟件開發商進行經濟和技術可行性論證。多方聯合論證保證了擬開發虛擬仿真實驗項目內容的科學性、經濟的合理性和技術的可行性。

（3）在開發和運行階段，主要完成項目實施和運作優化。如果教師具備虛擬仿真實驗開發的能力，則可獨立完成開發、調試和運行優化工作；必要時可與軟件開發商合作寫實驗腳本、開發虛擬仿真實驗。在運行階段，注重學生實驗過程體驗及意見反饋，為優化實驗項目提供參考。

（二） 土建類虛擬仿真實驗教學資源轉化途徑

在虛擬仿真實驗教學資源持續建設中發現，已完成的虛擬仿真實驗大部分為演示型和驗證型實驗，實驗操作流程簡單，實驗結果單一，多為學科基礎實驗或專業應用類實驗。綜合設計型實驗和研究創新型實驗是一種交互性較強的實驗，輸入不同的實驗條件或約束因素，得出不同的結果，學生可以根據不同結果結合所學理論知識進行原因分析，并將這一能動思維過程反映在實驗分析報告中，以全面提升實驗教學資源質量。

近年來，中心通過積極開發特色實驗項目，培養學生探索精神和創新意識，培養學生的團隊精神、交流溝通能力和責任感。特色創新類實驗項目具有前瞻性強、邏輯設計復雜、專業性強等特點，主要以教師科研成果、教學研究成果、特色工程實踐、關聯知識點集成為素材，采用典型案例開發、實驗單元集成、實驗專題規劃等建設方式轉化成實驗教學項目，這些實驗項目主要依靠自主研發、合作開發和購置成熟軟件的途徑完成。虛擬仿真實驗教學資源轉化途徑如圖2所示。

二、土建類虛擬仿真實驗教學資源建設主要內容

截止2015年底，中心已開展虛擬仿真實驗16項。2016年至今，中心通過上述資源轉化途徑新增虛擬仿真項目5個，分屬于“4-4-12-X”體系下的不同模塊，項目信息如表1所示。

（一）盾構機工作過程仿真實驗

中國隧道工程和地鐵工程數量劇增，大型機械設備——盾構機的應用日益廣泛，由于盾構機價格昂貴且工作環境復雜、不安全，所以在傳統教學過程中，學生只能從課本中接觸到有限的信息，對其結構構成、工作原理和作業過程了解甚少，因此開發盾構機工作過程仿真實驗，讓學生在虛擬環境中了解盾構機主要部件組成、下井拼裝過程和施工過程。

（1）盾構機整體結構認知仿真實驗中，盾構機的每個主要部件在點擊后有名稱、型號、尺寸、功能等屬性，通過全方位旋轉并點擊來學習認識盾構機的結構。

（2）盾構機組裝過程仿真實驗中，學生可以了解盾構機下井組裝全過程，包括鋪設軌道，車架依次下放，螺旋安裝機輸送，前體、中體、刀盤、管片安裝機、盾尾等部件的拼接。

（3）盾構機施工過程仿真實驗中，讓學生認識盾構機施工掘進過程，主要包括挖土、運土、管片運輸、管片拼裝等施工全過程。

盾構機工作過程虛擬仿真實驗分為學習和考核兩大模塊，如圖3所示，分別包含了認知結構、下井組裝和施工過程模擬三方面的內容。

（二）預制梁生產管理仿真實驗

預制梁作為道路和橋梁的基本組成單元需求巨大，梁場生產計劃安排與施工進度安排緊密相關。學生去預制梁生產及施工現場機會較少，對于制梁、存梁和架梁全過程缺乏系統認識，不清楚預制梁施工計劃與生產計劃的關聯關系，為此，開發預制梁生產管理仿真實驗，如圖4所示。

（1）制梁流程虛擬仿真實驗中，可以模擬從模板工程、鋼筋工程、混凝土工程到最后的養護以及張拉工程的所有步驟，讓學生熟悉施工工序和各工種之間的關系。

（2）架梁施工過程虛擬仿真實驗中，讓學生能夠了解成品梁是按照怎樣的方式進行架梁的，從而學習架梁的方法，了解其工序。

（3）預制梁生產計劃虛擬仿真實驗中，根據實驗背景合理安排生產計劃，根據施工順序，倒推預制梁生產計劃；提取生產時間影響因素，編制參數化計算公式，按制梁工藝對生產計劃時間倒推，進行交互性實驗操作，使學生掌握施工進度與生產進度直接的邏輯關系。

該實驗由科研項目成果轉化形成，不同專業對應的課時數不同。對于路橋專業的學生掌握制梁和架梁全過程即達到實驗目的。對于工程管理專業的學生在了解全過程的基礎上，要完成預制梁生產計劃虛擬仿真實驗，掌握施工進度與生產進度的關聯。

（三） PC構件生產流程虛擬仿真實驗

目前大型裝配式建筑生產實習實訓基地較少，學生實踐環節不好展開。PC構件生產在廠房進行，學生在生產現場實踐存在諸多安全隱患，并且走馬觀花式地參觀實踐效果差，學生難以從系統角度發現問題，不利于主動思考，因此，開發交互式PC構件生產流程虛擬仿真實驗項目十分必要。

（1）PC構件生產廠區布局和生產線仿真：以某PC構件廠為例，構建了PC構件生產廠區布局和生產線仿真模型，為實驗項目的展開提供廠區生產環境。

（2）不同方案生產流程仿真：在環形生產線中模擬工位固定模臺按固定節拍輪轉的生產方式，根據模臺上構件的數量和類型又采用不同的生產方案，如單構件單線體生產、雙構件單線體生產和多構件多線體生產。

（3）交互式參數設置：PC構件生產線進行模擬仿真需要對相關參數進行設置，根據前期實地調研及PC工廠設計數據綜合分析得出。基本參數包括工位流水節拍、構件傳送速度、構件尺寸及種類、機械參數、人工參數等，在實驗過程中每種參數及變量都可以根據實際情況進行更改。

（4）實驗結果輸出：實驗項目的邏輯關系、參數設定好后，通過運行仿真模型的方式在二維或三維環境中直觀查看生產線的運行和模臺上構件的組合情況，查看單個或多個構件動態生產信息，如圖5所示。實驗過程中的數據都能以圖表的形式輸出，方便學生分析實驗結果，填寫實驗報告。

（四） 結構連續倒塌虛擬仿真實驗

近年來，結構的連續倒塌問題受到工程界廣泛關注，并成為當前結構工程和防災減災領域的重要研究前沿，在傳統教學過程中，學生只能對結構連續倒塌有一個表面認識，難以對連續倒塌過程有直觀了解，對以拆除構件法為代表的抗連續倒塌設計方法缺乏深入理解。

結構連續倒塌過程若通過實驗室試驗進行模擬，存在成本高、過程復雜、可重復性差，危險性大等諸多問題，難以在教學中實施。借助物理引擎、3D可視化等技術，開展了結構連續倒塌的虛擬仿真實驗，該實驗還涉及基于拆除構件法的結構連續倒塌實驗和地震作用下結構連續倒塌實驗。學生對結構連續倒塌過程和抗連續倒塌設計方法有更直觀的認識，增強了學習興趣，提高了教學效果，實驗界面如圖6所示。

（五）橋梁結構優化虛擬仿真實驗

在橋梁結構設計中一般要進行構件尺寸和形狀的優化，而在實際教學中，學生只能從課本中接觸到關于橋梁結構優化的有限信息，實踐教學環節也只能使學生對各種橋梁結構有一個表面認知，并不能從結構優化的角度更為深入地認識橋梁。結構優化的目的是以最少的材料、最低的造價、最簡單的工藝，實現結構的最優性能，包括強度、剛度和穩定性。該實驗主要是讓學生了解從形狀及尺寸的優化會對結構承載能力產生的影響，讓學生對橋梁結構型式有較為深入的認識，并通過在虛擬環境對橋梁結構進行加載，理解各種橋梁結構的力學行為。

橋梁結構優化虛擬仿真實驗中，橋梁結構可以按照優化意圖進行組裝，操作人員可以從任意位置和角度觀察橋梁結構，任意改變構件的尺寸和形式，進行虛擬加載實驗，從而得到最優的構件尺寸和形式，實驗界面如圖7所示。

三、土建類虛擬仿真實驗教學資源的利用與持續改進

中心面向土木工程相關專業已開設22項虛擬仿真實驗，其中演示型實驗和驗證型實驗共12項，綜合設計型實驗6項，研究創新型實驗6項，還有5項創新型實驗項目正在開發中。自2015年起中心明確要求已開發完成的虛擬仿真實驗項目寫進相關課程教學計劃，并編制完整的實驗大綱、指導手冊、實驗報告評分標準及考核知識點。每年每門虛擬仿真實驗課程約有100余人參加。實驗課程開展后，教師根據學生的反饋意見以及對實驗報告的深度分析，改進、優化實驗。

在實驗教學過程中，總結學生的實驗反饋意見發現，演示型實驗和驗證型實驗較為成熟，無論是練習模塊還是考試模塊都能穩定運行，學生參與度高，能很好地輔助理論教學。工程實踐項目或科研項目轉化而成的創新型實驗還有待完善，歸納如下。

（1）在盾構機工作過程仿真實驗中，路橋專業的學生提出希望今后將盾構機掘進過程與開挖土體的性質結合起來。（2）預制梁生產計劃虛擬仿真實驗中，學生反饋輸入的變量較多，邏輯關系弄清楚需要更多的實驗課時數，希望減少變量的數量或增加實驗課時數。（3）在橋梁結構優化虛擬仿真實驗中，學生希望在練習模塊增加文字解釋，以便更好地理解每種場景下的結構形式。綜合上述反饋、學生實驗過程記錄和實驗報告，進一步完善實驗相關內容，增強實驗交互性和界面的友好性，以不斷提高實驗教學的效果。

四、結語

優質實驗教學資源的建設要有先進的理念作指導，形成科學的立項流程及可持續的轉化途徑，不斷整改和優化實驗內容，以提高實驗教學質量。在滿足校內實驗教學的基礎上，中心積極擴大教學資源的共享范圍，通過培訓、沙龍、競賽、夏（冬）令營、Workshop等多種形式展開與其他高校或企業的交流，互通有無，取長補短。目前優質實驗教學資源已實現全國8所院校、多家行業企業間的共享，為推動高等學校實驗教學改革和實驗教學中心建設做出了有益的探索。

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[10]房朝暉，于赫陽，李祺，等.資源共享的智能制造虛擬實驗教學平臺建設[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：118-121.

Abstract： In the course of its development， the National Demonstration Center for Experimental Civil Engineering and Architecture Education of Hubei University of Technology attaches great importance to the connotation construction of virtual simulation experimental teaching resources. Under the guidance of the CDIO （Conceive-Design-Implement-Operate） model of engineering education and the open experimental teaching system， it explores the process and transformation approach of teaching resources construction， continues to increase the number of virtual simulation projects， and continues to improve and optimize their contents， to achieve the purpose of improving the effect of experimental teaching.

Key words： virtual simulation； experimental teaching； teaching resource； civil engineering and architecture

（責任編輯 梁遠華）