道橋專業虛擬仿真實驗教學建設探索

文/王曉琳 艾建杰 王戈 王丹丹 田斌（.西南科技大學城市學院；.北京睿格致科技有限公司）

一、道橋專業虛擬仿真實驗教學的建設背景

（一）國家政策背景

為深入貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想、黨的十九大精神以及全國教育大會精神，以提高人才培養質量為核心，加快形成高水平人才培養體系。2019年教育部啟動一流本科專業雙萬計劃，明確虛擬仿真實驗教學一流課程的建設是解決真實實驗條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。國家計劃完成1500門左右虛擬仿真實驗教學一流課程認定，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學體系。

（二）道橋行業人才就業供需差異

隨著我國社會經濟發展，道橋工程行業對人才質量要求越來越高，具備扎實專業知識能力的同時，還要具備應對國際工程項目的技術能力與管理水平，但當前道橋專業人才培養與行業實際需求是存在差距的，針對應屆畢業生群體對用人單位調研，數據結果顯示出很多問題，如圖1-2所示。

圖1 畢業生應具備的重要能力統計調查結果

分析上述調查結果的原因，主要有以下幾個方面：

1.學生社會適應能力的培養與提升有待進一步加強

目前高校側重培養學生專業技能，忽視社會能力培養。學生在面對競爭激烈、復雜多變、就業壓力大的社會環境中無法以良好狀態快速進入社會。

2.傳統教學存在較多弊端

傳統教學普遍存在重理論輕實踐現象，學生對工程實體、工作環境及工作崗位認知不足，另外隨著基建行業的快速發展，新技術、新材料、新設備、新工法層出不窮，高校在教學內容、專業設置方面與行業實際情況有差異，所培養的專業人才與崗位需求不匹配。道橋專業實踐教學具有高成本、高消耗、難度大、局限大、學位有限、高危險性等特點，從而造成學生工程規范操作意識薄弱、動手能力差、缺乏施工全過程操作經驗，制約學生系統地掌握實際工程施工工藝和處理工程技術問題能力。

（三）虛擬仿真實踐教學的優勢

隨著信息技術的日新月異，虛擬仿真技術已在全國高校及科研部門得到應用和推廣，適應新興產業、新時代經濟需求，助力創新型人才培養。結合目前虛擬仿真在實踐教學應用中的現狀，其主要優勢如下：

（1）成本較低：實驗不消耗器材、不受場地限制、可重復性操作。

（2）實驗完成多樣：復雜、危險性、極端破壞性、較長周期性等實驗均能完成。

（3）教學效果良好：教學內容完成過程帶有逼真、立體屬性，趣味性較強，能夠吸引學生自主學習，注意力集中的時間也比較長。

（4）實踐教學效率較高：學生通過虛擬仿真實踐可以快速掌握教學內容和目標，資源更新率較高。

二、道橋專業虛擬仿真實驗教學建設的基本思路

我校道橋專業人才培養側重施工、檢測、管理崗位，如何將課堂理論向實踐轉化是培養的難點，目前主要是通過校內實訓基地、校外實踐基地采用參觀實踐的模式完成實踐學時學習，但是僅解決學生對道橋實物的感官認知，無法達到生產實踐環節的學習需求，道橋專業虛擬仿真實驗教學的建設旨在形成以虛促實、虛實結合的開放性試驗教學，培養具有創新性的道橋專業人才。

（一）虛擬仿真實驗教學平臺建設

我校道橋專業建設有工程識圖與繪圖實訓室、道路建筑材料實驗室、土工實驗室、混凝土實訓基地、校內測量實訓基地、信息化與虛擬仿真實驗室以及6個校外實踐實訓基地，已能基本滿足道橋專業基礎性課程的課程設計、實驗、識圖與繪圖技訓、測量技訓等教學。但是對于培養學生對道橋工程復雜性構造物識讀與繪制、設計、關鍵性施工工序等能力的培養只是“紙上談兵”，無法有效將理論轉化為實踐。圍繞道橋專業基礎課程及實驗、實訓等環節，學校與“產教融合、協同育人”合作單位建設道路工程三維仿真系統、橋梁工程三維仿真系統、BIM專項技能實訓系統。

1.道路工程三維仿真系統

基于《路基路面工程》《道路建筑材料》等相關課程，以實際道路工程為背景，開發解決道路工程中各種施工環節及工藝工法重點難點的教學互動系統。該系統分別從路基工程、路面工程、附屬工程三個知識模塊設置4D微課、3D仿真實訓互動、資源庫。4D微課從人物材料機具入手，力爭給學生還原一個最真實的施工場景，如圖3所示。

圖3 普通混凝土路面施工場景

2.橋梁工程三維仿真系統

基于《橋梁工程施工》等相關課程，以實際橋梁工程為背景開發橋梁工程中各種施工環節及工藝工法重點難點的教學互動系統。開發設計T梁橋、懸索橋、斜拉橋、拱橋等全部類型橋梁施工工藝展現界面，涵蓋蓋梁施工、梁拱組合橋施工、索塔施工、掛籃施工等橋梁工程上涉及的常見的施工工藝工法，類似道路工程仿真系統，特別設置構件認知、場景漫游等模塊全面深化提升學生識圖能力。（如圖4-5所示）

圖4 橋梁施工場景

3.BIM專項技能實訓系統

順應行業發展，培養學生將理論知識轉化分析問題、解決實際問題的能力。在道橋施工技術課程基礎上加入BIM動畫模擬應用環節，將理論與實踐結合，注重考核與實戰，檢驗學生道橋施工技術相關專業能力。開發道橋BIM虛擬施工模擬實訓系統，虛擬施工系統參照各施工手冊、規范、文獻及圖紙等，進行模擬施工，還原真實施工現場下相關工藝施工過程，并以視頻形式進行成果輸出，如圖6所示。

圖2 畢業生在實際工作中主要存在的問題

（二）虛擬仿真實驗教學與研發隊伍建設

虛擬仿真實驗教學團隊是由專業教師構成，指導培養學生規范性操作、科研塑造、探索創新等能力。專業教師和合作單位技術骨干共同參與虛擬仿真教學系統的制作，為了提高專業教師虛擬仿真實驗教學建設能力，教師參加培訓、虛擬仿真實驗教學建設的學術會議、學科競賽以及開展虛擬仿真實驗教學改革研究工作。

目前我校在教育部產學合作協同育人契機上，于2020年與北京睿格致科技有限公司建立校企合作關系，在系統固有的模塊上增加個性化開發，聯合不同院系組建虛擬仿真實驗教學系統研發隊伍，根據道橋專業課程特點，研發適用于我校道橋專業應用的虛擬仿真實驗教學系統。

（三）虛擬仿真實驗教學與科研建設相結合

以教學促進科研、科研反哺教學是民辦高校創新人才培養的重要舉措。根據學科方向推進科研發展，轉化四新技術研究成果，在橋梁智能建造與安裝技術、結構物智能感知及預警技術、智慧管控平臺等方面將研究成果轉化為教學案例，形成以虛輔實的實驗教學模式，提升實驗教學效果。推動學生了解前沿技術并開展相關自主創新實驗，培養學生開展探索性試驗的信心和科研素養。

（四）虛擬仿真實驗教學平臺管理

目前，規劃建設的虛擬仿真實驗教學平臺以承擔實驗教學為主，系統角色設定有管理員、教師、學生、工作人員，管理員負責權限開放和系統維護，教師負責任務發布、過程指導、成績評定、資料存檔等，學生負責查詢課程信息、開展虛擬仿真操作、技能考核、成果提交，工作人員主要負責虛擬仿真實驗教學系統中的操作環節共享資源等。

虛擬仿真實驗教學建設應結合中遠期總體規劃，做好可持續發展的長遠規劃，使虛擬仿真實驗教學在運行中不斷完善管理制度、創新管理模式、引進和穩固人才、開放共享教學資源等。

三、結束語

虛擬仿真實驗教學凸顯出教育教學改革優勢和重要性，提升民辦高校辦學條件的同時，提高專業教師教學能力，為培養高質量人才奠定基礎。目前，我校已初步完成虛擬仿真實驗軟硬件基礎設施的建設，但在教學資源的創新、管理體系的完善、仿真新興技術的應用、人才隊伍的鞏固、對外共享平臺的運行等方面仍需進一步探索，加強相關高校、企業之間的交流合作，吸取新觀念、了解新技術、借鑒新模式，積極推進教育信息化建設。