計算機虛擬仿真技術在本科實驗教學中的應用

林向宇

摘要：伴隨著第四次工業革命的到來，土木工程作為高等院校的重點學科，對新科技的運用也達到了一個前所未有的高度。由于土木工程實驗教學是培養工程實踐應用型人才的重要手段和載體，自然離不開計算機虛擬仿真技術的支持，本文就結合計算機虛擬仿真技術和土木工程類實驗教學本身的特點，淺談計算機虛擬仿真技術在土木工程類本科實驗教學的重要性以及應用設想。

關鍵詞：計算機;虛擬仿真技術;社會發展;土木工程;實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0147-02

當前我國建筑行業發展迅猛，但傳統土木工程教學的弊端逐漸顯現出來，其中實驗教學不能夠全部實現，土木工程類學生實驗經驗少，創新能力較弱等問題更為顯著[1]。計算機虛擬仿真技術作為一種新型的學習模式應運而生，它不僅打破了空間、時間、地域的限制，更為教育節約了成本，更具有安全性。實現教育的可持續發展。

1 計算機虛擬仿真技術

1.1 定義

計算機虛擬仿真技術就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術，它是隨著計算技術的發展而慢慢形成的，伴隨著社會信息化的極速發展，計算機技術越來越嫻熟，虛擬仿真技術逐步自成體系，成為人們認識自然界的一種新的方法，一種新型的技術[2]。計算機虛擬仿真技術又可以稱為模擬技術或者虛擬現實技術。

1.2 計算機虛擬仿真技術基本特性

虛擬仿真技術有以下四個基本特性：感知性，虛擬仿真技術能夠讓使用者獲得身臨其境的多種感覺;交互性，虛擬仿真技術能夠使環境與使用者互相作用，互相控制;虛幻性，虛擬仿真技術所模擬出來的環境既可以是真實存在的，也可以把人們設想的環境模擬出來;逼真性，虛擬仿真系統所虛擬的環境與現實客觀環境十分相似，并且使用者作用于虛擬環境時，也符合客觀世界的規律[3]。

2 土木工程類本科實驗教學

土木工程，是建造各類土地工程設施的科學技術地統稱。土木工程是除了房屋建設以外的設計、規劃、安裝、維護等各項技術的工程實體。土木工程現在是國家的支柱行產業，我們國家正處于現代化發展建設期，需要的科學技術人才也會逐漸增加。土木工程是涉及知識與技術是方方面面，影響土木工程的因素也非常的復雜多樣。

土木工程本科實驗教學，在中國各大高校中，設有土木工程本科的專業非常多，地域分布也比較廣泛。其中實驗教學是土木工程本科教學中的重中之重，原來土木工程科學教學重視理論教學為主，老師教，學生背，大部分的精力都放在考試上，以應付考試為主[4]。由于實驗操作復雜，開支大，安排難度大，導致對實驗教學不重視，導致學生經驗積累少。隨著國家的不斷發展，土木工程的專業人員需求量的增加，要求土木工程專業知識的掌握，實踐知識的運用要求越來越高。

3 虛擬仿真技術是土木工程實驗教學的重要手段

隨著我國建筑行業的高速發展，土木工程的專業人才需求量也與日俱增，高校的土木工程專業的規模也越來越大。截止到目前，我國開設土木工程專業的學校達到幾百所，在校的土木工程的學生達到幾十萬人。

土木工程專業的實驗綜合性是非常強的，在普遍的實驗教學中，實驗室的建成，實驗室設備的完善，所需要的設備大及昂貴，不僅成本高而且每年還要承擔高昂的耗材費用，所需要的實驗環境也較為惡劣，安全性低，高危險，而且許多實驗的周期是非常長的，并且一些大型復雜的實驗許多本科學生都是無法直接參與的。實驗的形式單一，知識點不集中，許多土木工程的本科學生只能見到施工的一小部分，許多經典的建筑物都是無法通過實際操作親自了解其整體的工藝技術的，這種培養土木工程人才的方式方法，與我們所需要的土木工程的技術人員的實際要求大相徑庭。

隨著科學技術地發展，逐漸出現了計算機虛擬仿真技術，通過此技術的不斷完善，虛擬仿真技術被充分地運用到實驗教學中來，填補高等學校土木工程學科中的不足，發揮了巨大的作用。計算機仿真技術教學利用計算機的虛擬情境，堅持“虛實結合，相互補充，能實不虛”的理念的原則[5]。利用“虛”的手段來達到“實”的目標。使全部的學生都能切身參與到實驗教學中來，利用虛擬的實驗手段，將土木工程的大型實驗進行演示及其操作，并融入土木工程本科學生的課前預習、課后實踐的環節中來。土木工程的學生可以親自操作虛擬儀器，得到實驗教學的直接感受，更加系統的了解實驗原理、實驗步驟、實驗內容，深刻體會實驗的意義，得到及時的實驗反饋。有效的幫助學生建立起局部到整體的直觀的感性認識，改變原有實驗教學中走過場的現象，提高教學和研究的效率。

4 虛擬仿真技術在土木工程類實驗教學中應用的目的

當今社會人才的培養必須與當今社會的時代背景相結合，土木工程實驗教學中運用虛擬仿真技術就是將二者緊密地結合起來，并加強了學生理論與實際之間的聯系，充分發揮學生的創新能力。把培養具有實際操作能力的土木工程的專業人才作為根本目標[6]。通過在土木工程實驗教學中對虛擬仿真技術的大量運用，建立一套能夠突出土木工程類專業特點的人才培養方案。建立一個新型的，具有自身教學特點的，具有多層次的，不受空間，時間限制的，課內課外協調發展的，以提高學生的實際操作能力為重點的人才培養體系。虛實結合的計算機虛擬仿真技術的運用讓土木工程類的本科學生能夠更好擁有敏銳的思維，開闊自己的視野。不斷推進土木工程類實驗教學的改革，為社會培養更多的優秀的土木工程的專業性人才。

5 虛擬仿真技術在土木工程類本科實驗教學的應用的規劃

計算機仿真技術在土木工程實驗教學中的越用越來越為廣泛，建設仿真實驗教學中心也就成為必然產物。仿真實驗教學中心的建立可實現土木工程本科生信息化資源共享[7]。虛擬仿真實驗教學中心，任何時間都可以為實驗者提供學習、研究的場所—虛擬實驗室，滿足了實驗者學習的要求，同時不存在設備磨損，儀器故障等干擾，大大提高了學習研究的效率。人們慢慢認識到虛擬仿真技術實驗中心在教育方面的價值，因此，建設仿真實驗教學中心已然成為國家重視的項目之一。

5.1 “虛實”結合，加強實驗教學平臺建設

虛擬仿真技術在土木工程類的實驗教學，主要分為兩大類，一類是基礎項課程，它主要包括房屋建筑、建筑施工技術等許多共享基礎課的實訓;一類是專業模塊課程，它主要包括的是地基與基礎、建筑結構等虛擬仿真教學。

“虛實”結合就是將土木工程的虛擬仿真技術試驗教學與土木工程綜合實訓項目有機地結合起來，給土木工程的學生創造更多的動手實踐的實驗環境，使學生能將理論知識運用到實驗中來，即加強了理論知識的理解、運用，又能全面體驗實驗結果，開闊學生的眼界。就現在而言，許多高校已經開始轉變思路，對于土木工程的教學內容和教學方法已經有了很大的轉變，不僅僅局限于書本、考試，而是將“虛實”結合起來，教學與虛擬仿真技術有機的結合，讓學生可以根據實驗平臺完成實驗環節，為培養高端人才提供重要的基礎。

5.2 虛擬仿真實驗教學中心建設理念

土木工程專業是一門實踐性比較強，對于專業能力和實際操作能力比較高的專業，土木虛擬仿真教學中心在建設過程中要牢牢把握這一根本特點，把明確實體實驗和虛擬實驗整個主線貫穿于整個虛擬仿真平臺規劃的始終，以實驗室建設實體為目標，虛擬為基本手段，相互結合，從而加強整個理論與實踐動手的聯系，從而讓學生擁有更強的工程實踐能力。

5.3 土木工程類虛擬仿真實驗教學中心建設步驟

虛擬仿真實驗教學在土木工程類的運用和開發上，始終堅持的基本思路——“重點開放、積極引進、軟硬結合、適當超前”。虛擬仿真實驗教學現在面向學生的開放模式主要有不限時開放、預約開放、全天開放，確保資源得到最大限度的利用[8]。土木工程類在運用虛擬仿真實驗教學的時候主要選擇實驗難度大、實驗費用高、實驗場地不易選擇、危險性高的項目為實驗試點，同時也要引進國內外成熟的虛擬仿真實驗教學系統，充分實現虛擬仿真實驗的可操作性、真實性。

5.4 完善體系，建立土木工程虛擬仿真實驗教學中心

各部門經過不斷完善體系，加強平臺建設，使得自身有力足夠的能力建設虛擬仿真實驗教學。土木工程類虛擬仿真實驗教學中心要求我們要根據實際情況來聘請專業的教學名師，專業的教學團隊，來充實我們的師資力量。同時我們還要引進土木工程類企業中的優秀者、佼佼者來加入我們的教師隊伍，使得我們的虛擬仿真中心的教師校內師資力量與企業佼佼者，強強聯合，為我們的土木工程的學生提供更為全面的教學，與此同時，土木工程的學生除了對所學知識進行虛擬仿真實驗，還要多注重將專業的虛擬仿真成果運用的實驗教學中。虛擬仿真實驗中心的建成為我們土木工程專業的學生提供了更為豐富的實驗項目選擇，讓學生身臨其境地參與到實驗當中，更有利于我們培養具有創新能力和創新精神的專業的土木工程人才[9]。

5.5 土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設的效果

虛擬仿真中心的建立，可以促使土木工程的學生更多地參與實驗活動，實踐能力也會大大提高，提高了學生自主學習的能力，也進一步地實現了我們所提倡的在實踐中學習，在實踐中成長的教學理念，實驗教學的水平也在不斷地提高，提高教學質量。

國家級虛擬仿真中心的成立，促進了高等院校實驗教學管理體系的發展，進一步加強了資源共享，為學生到校外學習、參加實踐等活動奠定了基礎，拓寬了學生的專業視野，強化了工程素質的培養。大大提升了土木工程專業學生學習的積極性、創新性。

6 結束語

隨著信息技術的不斷深入和發展，以虛擬仿真技術為代表的計算機技術也逐漸進入學校，這也為學生充分運用高科技，推動技術的進步提供了很好的機會。在今后計算機仿真技術必將不斷推進土木類實驗教學的發展，將實際工程與仿真實驗相結合，二者揚長避短，促使計算機虛擬仿真技術在培養創新型、實踐型，專業型的土木工程人才上貢獻一份力。

參考文獻：

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[3] 徐明，熊宏齊，吳剛.土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：139-142.

[4] 張敬男，張廖忠.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研就[J].實驗技術與管理 2012（12）：101-104.

[5] 唐艷芝.土建類專業教學中虛擬仿真技術的應用研究[J].2014（32）.

[6] 高職旅游類專業校企合作人才培養的應用與實踐———以安徽工商職業學院旅游管理系為例[J].滁州學院學報，2013（1）.

[7] 黃波.仿真技術在課程教學中的應用[J].廣東水利電力職業技術學院學報，2012（3）.