“地下工程防水”虛擬仿真實驗項目的建設

蔣雅君，趙菊梅，夏利華，占玉林，何 畏

（1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 成都慧恒科技有限公司，四川 成都 610031）

2017年以來，教育部積極推進“新工科”建設和高等教育強國建設[1-3]。在工程教育專業認證標準和新工科建設的要求中，對工科學生的實踐創新能力提出了較高的要求，強調回歸工程和產學協同，強化對學生實踐創新能力的培養[4]。土木工程是我國傳統的工科專業，筆者結合該專業“地下工程防水”限選課程虛擬仿真實驗項目的建設實踐，探討虛擬仿真實驗資源在提升學生實踐創新能力方面的一些思路，希望能對國內院校土木工程專業虛擬仿真實驗資源的建設及混合式教學的開展提供一些參考和借鑒[5-15]。

1 虛擬仿真實驗教學項目的建設理念與思路

“地下工程防水”課程在線開放虛擬仿真實驗項目的建設中，圍繞課程教學目標、知識要點、考核要求、教學模式、實驗環節設計等多方面的內容進行了全面研討，以充分體現工程教育認證的核心理念以及確定課程虛擬仿真實驗項目的建設思路，達到充分鍛煉學生實踐動手能力的預期目標。

1.1 對貫徹工程教育專業認證理念的探討

貫穿工程教育專業認證要求的核心理念是以學生為中心、成果導向和持續改進[5]，因此在該課程虛擬仿真實驗項目的建設中應充分體現這3個核心理念，達到人才培養目標服務。

（1）以學生為中心。該理念的核心是以學生發展為中心、以學生學習為中心、以學習成果為中心。包括虛擬仿真實驗在內的課程教學應達到如下目標：讓學生具備靈活運用所學理論知識解決工程問題的能力；以教師引導、教學資源支撐、學生自主學習相結合方式，強調以學生為主體的學習過程；以學生的學習成果為主要目標，關注學生在學習過程結束后的增量。

（2）成果導向。該理念主要體現在教學資源、教學組織、教學重點對該門課程的教學目標的支撐，并關注學生學習成果的取得方式、過程和效果，結合以學生為中心的理念，激發學生主動學習和有效學習。教學過程要突出學生深度參與、與實踐體驗緊密結合以及批判性思維養成，而不是停留在單一被動的知識傳授和低層次的思維層面上。

（3）持續改進。應以學生學習成果的合理評價為基礎，對課程的教學效果和教學目標的達成度進行跟蹤、反饋和改進，推動課程教學質量的持續提升。

圍繞以上3個理念所做的分析和思考，對于該課程的虛擬仿真實驗項目的建設具有重要指導意義，也是“地下工程防水”課程在線開放虛擬仿真實驗項目建設的基本理念。

1.2 課程虛擬仿真實驗項目建設的思路

基于課程的教學大綱、與其他專業課程的關系以及工程教育專業認證要求，初步明確了該課程虛擬仿真實驗項目的建設思路。

（1）課程虛擬仿真實驗項目的建設應為課程的整體教學目標服務，與其他教學內容和教學環節有機結合、相互銜接，全面達成課程預期教學目標。為此，選取適宜的實驗內容進行虛擬仿真實驗項目的建設，并結合教學資源建設、線上及課堂教學、課程結業作業等內容和環節，貫徹以學生為中心、成果導向的理念，全面覆蓋課程教學目標和知識點。

（2）整合實踐資源，實現虛擬仿真與實踐教學的虛實結合、相互補充。由于目前“地下工程防水”課程只安排16學時，需要兼顧理論教學、課程實踐、專家講座等教學環節，因而在該課程虛擬仿真實驗項目實施的初期階段，選擇基礎性的實驗教學內容（如混凝土抗滲性能測試實驗）進行建設，結合工程實踐、專家講座、課程作業等方式，統籌強化學生對課程知識的綜合運用能力。遠期將引入綜合型、創新型的虛擬仿真實驗內容，逐步提高實驗及實踐訓練的效率和效果。

（3）混合式教學的綜合考評體系是課程教學的重要保障，也是持續改進理念的體現。在原有課程考評機制的基礎上，適當調整了考核內容，加入了虛擬仿真實驗項目的考核環節和評分方法，通過在線平臺的管理系統對學生參與虛擬仿真實驗項目的過程、結果、研討和意見反饋等數據進行采集和分析，作為對該課程虛擬仿真實驗項目改進的依據。

經過以上的分析和研討，決定分期、分階段開展“地下工程防水”課程的虛擬仿真實驗項目建設，從基礎型實驗逐步向綜合型、創新型實驗過渡。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的開發及功能

目前已經完成“地下工程防水”課程虛擬仿真實驗教學平臺的一期建設，并在課程教學中開放使用。

2.1 “線上+線下”混合式教學模式設計

基于超星學習通、課堂教學、虛擬仿真實驗平臺、課程實踐等教學環節，綜合進行了混合式教學模式的設計，覆蓋了課前、課堂、課后等環節（見圖1）[16]。虛擬仿真實驗是作為混合式教學的一個環節，嵌入在課程教學流程的設計中，因此在虛擬仿真實驗平臺的開發中也需要銜接前后有關的教學環節。需要說明的是：由于超星學習通等在線教學工具以及QQ群、微信群等在線工具的使用，使得課堂內外師生溝通和教學指導的途徑較為暢通，已不能用課前、課中和課后嚴格區分線上、線下的教學活動。

圖1 “地下工程防水”課程混合式教學模式設計

2.2 虛擬仿真實驗教學平臺模塊設計

目前，“地下工程防水”虛擬仿真實驗教學平臺共設計了4個主要模塊，每個模塊對應實現不同的實驗教學功能（見圖2）。

（1）理論測試模塊。該模塊是在虛擬仿真實驗之前，對學生進行的關于知識要點的客觀題測試。該模塊的測試題庫可以在線生成測試題卷，對學生進行測試。該模塊具有自動評分功能，可以將評分結果反饋至系統管理模塊供調閱和分析。

（2）實驗仿真模塊。該模塊包含指導（演示）模式和測試模式，也具有對實驗過程和實驗結果的自動評分功能。

（3）系統管理模塊。此模塊面向教師和系統管理員，用于系統維護、用戶注冊與登錄管理、成績統計和分析等工作。

（4）在線社區模塊。此模塊主要供學生與教師進行交流，或者配合完成部分課程在線教學。目前此模塊尚未建設，暫時用課程QQ群、超星學習通等在線學習和交流平臺替代。

圖2 “地下工程防水”虛擬仿真實驗系統模塊組成

2.3 虛擬仿真實驗教學系統架構

“地下工程防水”課程虛擬仿真實驗教學平臺交由成都慧恒科技有限公司開發，根據教學平臺的使用功能需求、模塊組成、流程設計，最終所提出的系統架構設計如圖3所示。

圖3 “地下工程防水”虛擬仿真實驗系統架構

2.4 虛擬仿真實驗教學平臺的開發結果

該虛擬仿真實驗教學平臺綜合采用了 3ds Max 2010、Photoshop CS4、Visual Studio 2017、Unity 2017.4.3f1等軟件進行編制，通過圖像處理、三維建模、人機交互、數據通信等技術手段，完成了混凝土抗滲性能測試虛擬仿真實驗的開發。

目前，該教學平臺已安裝在對外開放的云服務器上，學生可以在校內外通過指定的網絡地址連接該平臺，在注冊和登錄以后可以進行虛擬仿真實驗的操作。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的實施效果

在“地下工程防水”虛擬仿真實驗項目第一階段建設完成以后，經過2018—2019學年第一學期兩個教學班的使用，對其效果進行了檢驗，并依據對學生的反饋結果對該虛擬仿真實驗教學平臺進行了改進，目前已著手進行第二階段的開發和建設工作。

3.1 課程總體考核評價機制構建

“地下工程防水”課程的整體考核評價方式及評分標準如表 1所示，其中虛擬仿真實驗成績占 5%，在此分值中又分為理論測試和實驗操作考評兩部分（各占2.5%）。在實驗操作中，分解為4個主要的操作步驟，由人機交互功能實現操作和自動評分，學生需要正確完成每個操作步驟才能得到該項的滿分。

目前僅為課程的虛擬仿真實驗設置 5%的分值，目的是減少學生因對在線實驗操作不熟悉而失分，鼓勵、引導學生參與和使用該系統，并對該系統提出改進建議。以后將合理提高虛擬仿真實驗環節的分值比例。

表1 “地下工程防水”課程考核方式及標準

3.2 虛擬仿真實驗教學初步實施效果

圖4是2018—2019學年第一學期的上、下半學期，2個教學班進行虛擬仿真實驗的評分分布情況，其中對教學2班的學生增加了在線測試的內容。

圖4 “地下工程防水”虛擬仿真實驗項目評分分布

教學1班80%的學生得到滿分5分，僅有6名學生在實驗考核過程中未能全部正確操作，未得到滿分。而教學2班僅有約50%的學生得到滿分，其原因是除了在實驗操作上有部分失分以外，理論測試部分未能全部正確作答也有一定的影響。

總體上，學生對于在線開放虛擬仿真實驗教學這一新生事物是持歡迎態度的。由于電腦端操作簡單、流程清晰，對于學生理解混凝土抗滲性能實驗的操作要求和方法起到了較好的作用。相比枯燥單調的課堂單向講授，或者周期較長、耗費較大的試樣制備和實驗周期，虛擬仿真實驗無疑是一種高效、節約的實驗實踐訓練方式，豐富了課程教學的內容和層次。但是學生也反饋了一些意見，例如應開發手機端使用界面、提供小組協作模式、增加實驗操作環節的時間限制等。對于這些意見，將在下一步的建設中逐步完善。

3.3 與課程其他教學環節的結合及配合開展情況

虛擬仿真實驗也是課程教學中的一環，需要考慮與其他教學環節的相互配合、協同開展，共同支持課程教學目標的達成。由于“地下工程防水”課程接近技術應用的末端，是對學生前期所學專業知識的一個綜合運用，因此比較重視對學生實踐能力的培養和訓練。

該課程為實踐環節設置了總分20%的分值，實踐開展形式包括虛擬仿真實驗、課程工程實踐、行業專家講座。目前教學環節按照以下順序安排：

（1）通過課堂講授、在線學習等方式給學生以防水理論和材料知識的鋪墊，并完成虛擬仿真實驗，了解常見防水材料性能檢測的要求和方法；

（2）安排專家講座，介紹常見工程類型的防水技術和材料的應用，以加深學生對防水技術和行業的認識，并理解防水材料性能檢測的必要性；

（3）安排學生進行工程參觀和實踐，將課程講授的理論知識、應用技術、實驗操作與具體工程實例有機聯系起來，嘗試將課程所學知識在實際工程中進行綜合的運用。

通過層次遞進、有機銜接地安排以上教學環節，通常能使學生得到深刻的學習體驗、提高思考問題的深度、綜合提升實踐創新能力起到較好的效果和作用。

4 結語

通過“地下工程防水”課程虛擬仿真實驗平臺的建設實踐得到以下體會和經驗：

（1）虛擬仿真實驗的建設應根據高等教育的發展，探討新的建設理念和實施路徑，以滿足新形勢下對工程專業人才培養的要求；

（2）依托具體課程的虛擬仿真實驗項目，應在課程教學目標的總體框架下，與其他教學環節（尤其是實踐實訓環節）有機結合和銜接，共同支撐課程教學目標的達成；

（3）混合式教學是課程建設和教學模式改革的一個熱點方向，虛擬仿真實驗項目的建設也應做好頂層規劃與設計，嵌入混合式教學中；

（4）合理的考評機制是混合式教學的重要保障，需要對虛擬仿真實驗的考評方式進行一定的研究和實踐。

“地下工程防水”虛擬仿真實驗項目的建設，將進一步深化虛擬仿真實驗與工程實際的結合，從個別基礎型實驗項目向綜合型實踐項目（設計、施工和檢測）及創新型實驗延伸，以加強對學生的實踐創新能力的培養，更好地支持課程教學目標的達成。