虛擬仿真實驗驅動土木工程人才培養模式創新的研究

龔泳帆 張又超

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

2018年6 月5 日，教育部發布了《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，通知中明確了將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，并且以應用為導向，以資源共享為依托，推動高質量實驗教學課程的建設。可見，虛擬仿真實驗是實踐國家信息化教育戰略的重要平臺，也是培養學生實踐與創新能力的重要基地。

土木工程包含基礎建設的計劃、 建造和維修等，是建造各類土地工程設施的學科。土木工程學科具有很強的實踐性，以培養具有理論知識、實踐能力、協作能力和創新能力的“復合型”工程技術人才為目標。目前，土木類專業仍存在實驗經費少、實驗周期長，設備要求高、實驗風險大等問題[1-3]，導致部分實體實驗在本科教學階段難以有效開展。虛擬仿真實驗具有學生自主設計、循環實驗、機理可見、破壞可逆等實體實驗不具備的優勢，對于培養學生的專業素養、動手能力、團隊精神等均具有重要意義[4-5]。 因此，通過虛擬仿真實驗驅動土木工程專業的人才培養模式創新將會是教育信息化應用模式創新的重大突破。

1 土木工程人才培養模式存在問題

長期以來，我國土木工程專業的人才培養模式都是重視課堂理論知識教學強于實踐操作教學，培養的學生具有理論知識豐富、實踐經驗匱乏的特點[6]。人才培養模式缺乏系統性的實踐應用教學體系，這與土木工程專業的“復合型”人才培養目標的定位格格不入，也阻礙了學生創新能力的培養。傳統的土木工程創新人才培養模式主要存在以下三個矛盾。

1.1 實踐教學與理論教學的矛盾

以全長55 千米的港珠澳大橋為例，從設計到建設前后歷時14年，僅主梁鋼用量就達到42 萬噸，相當于10 座鳥巢的重量，是世界上最長的跨海大橋。 因此，通過實體縮尺實驗來模擬結構荷載與環境狀況，存在實驗環境復雜、實驗設備要求高、實驗周期長和實驗費用高等問題，很難達到和實際情況一致。同時，由于很多土木工程實驗是破壞性試驗，大部分學生缺乏對危險的預判性和敏感性，在實驗過程中容易出現脆性破壞而引發安全事故。 因此，土木工程實驗難度大、危險性高，嚴重打擊了學生的參與度與積極性。

1.2 實踐教學與教學資源的矛盾

實踐教學在創新人才培養的過程中具有重要的作用，但是仍有部分高校無法提供必需的教學資源。首先，教學硬件資源匱乏，2018年全國高校本專科畢業生人數增加至820 萬，部分高校實驗室的設備、環境和空間建設并未緊跟時代發展的步伐，沒有能力承擔持續增長的實驗教學任務。 其次，教學優秀人才匱乏，新入職教師出于科研成果壓力，往往工作重心放在科研成果的產出上，忽視了實驗教學實操的重要性，甚至僅以演示的形式展示給學生。第三，教學課程資源匱乏， 部分高校的人才培養方案和教學大綱修訂工作嚴重滯后，教學手段和內容仍停留在原有水平未有進步，無法滿足新時期、新形勢下社會對人才的需求。

1.3 實踐教學與評價方法的矛盾

大部分高校堅持通過校-院兩級教學督導，對教師的課程教學質量和效果進行監督和考評，但是實踐教學的教學質量和效果卻缺乏切實有效的監督和考評，難以保證有序的實踐教學秩序、良好的教學效果。同時，部分教師并未重視土木工程實踐教學的難度，在探索實踐教學體系方面缺乏必要的精力投入，沒有探索出行之有效的創新人才培養對策。

綜上所述，為了解決創新人才培養傳統模式中實踐教學與理論教學、教學資源和評價方法之間的矛盾，盡可能拓寬實驗教學的深度與廣度，需要高校逐漸提高實踐教學的效果與質量，加強虛擬仿真實驗項目的建設和管理是一項重要的舉措[7]。

2 虛擬仿真實驗教學項目推動創新人才培養

土木工程專業虛擬仿真實驗可以解決土木工程專業實驗“成本高、周期長、人員安全風險”等難題，遵從“虛實結合、能實不虛”的原則，具有“損傷可見、過程可逆、自主設計”等傳統實驗不具備的優勢。以此為基礎的土木工程創新人才培養模式的研究與實踐則以培養學生的實踐能力、協作能力和創新能力為出發點，力求實現人才培養的靈活化、信息化、智能化和現代化。 同時，土木工程專業虛擬仿真實驗的持續建設是推動創新人才培養高質量發展的重要力量，有利于高校為地方經濟建設和社會的發展提供更為堅實的人才支撐。

2.1 完善與豐富課程教學內容

以混凝土結構設計課程為例，課程中涵蓋了混凝土結構設計、土木工程材料、施工技術、土木工程測試技術等多門專業課程知識。土木工程專業虛擬仿真實驗通過“虛實結合”環節設置，不僅可以讓學生在實體實驗室中完成混凝土配合比設計、 混凝土強度測試、鋼筋混凝土梁抗彎性能實驗、鋼筋混凝土梁抗剪性能實驗，還可以讓學生感性認識大型構件的大型構件制作、安裝以及實驗加載等過程。 由于學生沒有實際操作的經歷，虛擬仿真實驗可以通過改變參數重復多次實驗及強化構件的結構測試過程，完善與豐富學生的實驗教學內容、拓展學生的視野和知識面。

2.2 研究與探索課程教學方法

以混凝土配合比設計為例，學生在課余時間可以根據設計需求，利用PC、手機、平板等終端設備，改變實驗參數，多次循環實驗過程、對比分析實驗結果，讓學生在探索性研究的過程中構建理論知識體系，激發學生主動思考的意識和探究性思維。土木工程專業虛擬仿真實驗可以充分利用現有的信息化教學方法，強調以學生為中心，將混合式教學方法、驅動式教學方法和探究式教學方法等教學方法應用于虛擬仿真實驗教學中。學生可在虛擬仿真實驗中自主完成試件設計、混凝土施工制作、結構檢測方法、抗震破壞特性等全部實驗環節，實現全實驗過程的交互式操作。

2.3 改革與創新課程考核方式

土木工程專業虛擬仿真實驗可以設計操作步驟考核、互動測評、實驗報告三位一體的課程考核評價體系。首先，基于實驗課程教學大綱要求，對步驟操作的正確性、規范性進行評價。其次，負責教師可以對學生設計思路和實驗效果提出建議，并可與學生進行線上評測與實時交流。最后，基于實驗目的要求，提供試件設計、加載設計等模塊，以實驗報告作為評價學生實驗教學效果的數據支撐。 由此可知，虛擬仿真實驗作為理論教學的重要輔助手段，有效解決了老師借助PPT、板書等手段講解相應的專業知識時，學生無法具象化相應結構或實驗過程的問題。通過合理的考核評價方式，引導學生完成發現問題、分析問題、自主設計、解決問題、課程評價的完整交互性操作閉環。

3 結論

本文依托土木工程專業虛擬仿真實驗的建設與持續服務，提出土木工程專業創新人才培養模式存在的問題。 立足于國家信息化教育戰略的新要求，探索土木工程專業創新人才培養模式，改革與創新教學內容、教學方法、考核方式等人才培養方案。通過運用虛擬現實技術，扎實推進虛擬仿真實驗的建設與持續服務，可以更為靈活、生動及高效的將土木工程內部結構、結構破壞形式等難以具象化的教學內容呈現給學生，拓展了實驗教學內容的深度與廣度，為地方經濟建設和社會的發展提供堅實的人才支撐。