土木類虛擬仿真實踐教學(xué)現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展

王盛年　張鵬　陳新民

[摘 要] 土木類專業(yè)人才培養(yǎng)注重工程意識與工程實踐能力的提升，實踐教學(xué)是培養(yǎng)具有社會適應(yīng)性工程應(yīng)用型人才不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)。加強土木類虛擬仿真平臺建設(shè)可從源頭上解決實踐教學(xué)資源不足的困難，體現(xiàn)“應(yīng)用、實踐、技能”等人才培養(yǎng)內(nèi)涵，實現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)的高質(zhì)量發(fā)展。通過對國內(nèi)土木類專業(yè)實踐教學(xué)實情進行深入剖析，探討了建設(shè)和完善虛擬仿真專業(yè)實踐教學(xué)平臺的必要性及現(xiàn)存的問題，提出了平臺可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對策略，可為提升土木類專業(yè)實踐教學(xué)質(zhì)量與育人水平提供參考。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實踐教學(xué);可持續(xù)發(fā)展;土木類

[作者簡介] 王盛年（1987—），男，甘肅武威人，博士，南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院講師，主要從事虛擬仿真實驗教學(xué)與軟件開發(fā)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0037-04? ?[收稿日期] 2020-09-12

一、引言

經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)下的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革使得我國高等教育現(xiàn)代化面臨著規(guī)模結(jié)構(gòu)、社會需求、教育目標、實施主體、專業(yè)調(diào)整等眾多現(xiàn)實矛盾，其直接體現(xiàn)就是傳統(tǒng)工科專業(yè)建設(shè)與新工、新業(yè)態(tài)需求脫節(jié)，以及傳統(tǒng)工程教育與現(xiàn)代工業(yè)人才市場需求脫節(jié)[1]。如何定位和培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的工程應(yīng)用型人才，使學(xué)生在熟練掌握專業(yè)實踐技能同時兼具更強的就業(yè)、創(chuàng)業(yè)能力，是工程應(yīng)用型本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革面臨的關(guān)鍵問題[2]。2018年10月17日教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，要求高等教育應(yīng)以學(xué)生發(fā)展為中心，圍繞激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能重塑教育形式。2019年1月24日國務(wù)院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實施方案》指出，高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)應(yīng)以職業(yè)需求為導(dǎo)向、以實踐能力培養(yǎng)為重點、以產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合為途徑推進教育高質(zhì)量發(fā)展。這些文件的頒布說明，在新的高等教育形勢下，發(fā)展新的教學(xué)手段和教學(xué)方法，積極推進專業(yè)實踐教學(xué)改革，培養(yǎng)具有社會適應(yīng)性工程應(yīng)用型人才，是當(dāng)前迫切需要解決的重要任務(wù)。

二、土木類虛擬仿真平臺建設(shè)必要性

土木類專業(yè)是一個注重工程意識和工程實踐能力培養(yǎng)的專業(yè)。然而，受傳統(tǒng)教學(xué)觀念影響，人才培養(yǎng)模型長期側(cè)重理論教學(xué)，加之缺少實踐教學(xué)軟硬件設(shè)施以及充足的實踐教學(xué)經(jīng)費，專業(yè)實踐教學(xué)與理論教學(xué)比例失衡，實踐教學(xué)內(nèi)容與形式缺乏創(chuàng)新[3]。另外，由于缺少有效監(jiān)督，實踐教學(xué)存在實踐內(nèi)容不全面、評價機制模糊、標準不規(guī)范等問題，難以保障實踐教學(xué)達到最佳效果和實現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)目標[4]。

土木類專業(yè)工程教育認證要求人才培養(yǎng)目標應(yīng)定位于培養(yǎng)工程實踐能力強的應(yīng)用型、復(fù)合型高級技術(shù)人才，且這些高級技術(shù)人才需具有較強的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新精神，也即所培養(yǎng)畢業(yè)生須具備扎實理論功底、廣泛的專業(yè)知識、豐富的實踐能力、過硬的綜合素質(zhì)，以及兼具較強科技運用、推廣、轉(zhuǎn)換能力等職業(yè)特點[5，6]。顯然，實踐性教學(xué)應(yīng)是土木類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重中之重。

以新信息技術(shù)為本質(zhì)特征的虛擬仿真技術(shù)可為當(dāng)代大學(xué)生提供全天候、立體化、高效高保真的“頂峰體驗式”實踐學(xué)習(xí)資源。通過借助虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、多媒體和人機交互等先進技術(shù)手段構(gòu)建集聽覺、視覺、觸覺、嗅覺為一體的虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，實現(xiàn)無限逼真的虛擬實踐場景，以新的教學(xué)形式激發(fā)學(xué)生實踐興趣與積極性，使學(xué)生在具有強烈環(huán)境沉浸感的重復(fù)性互動學(xué)習(xí)中實現(xiàn)從理論到實踐、理論與實踐的交叉融合，不僅可突破傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的場地設(shè)施不足、時間短、成本高、手段匱乏、科技含量低、學(xué)生認知感差等困境，培養(yǎng)學(xué)生知識獲取與獨立思考的能力，彌補當(dāng)前實踐教學(xué)的不足，而且可通過虛擬教學(xué)資源的豐富性、可拓展性和強共享性等優(yōu)勢加快高等工科實踐教育與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，體現(xiàn)“應(yīng)用、實踐、技能”等人才培養(yǎng)內(nèi)涵，實現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展[7，8]。

因此，加強土木類虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)，擴充更廣泛、有難度、有深度、可互動、形象逼真的實踐教學(xué)資源，從源頭上解決實踐資源不足的困境，不僅可進一步保障畢業(yè)生達到行業(yè)認可既定質(zhì)量標準，實現(xiàn)培養(yǎng)人才能力和企業(yè)需求相一致，而且可凸顯實踐教學(xué)地位、降低實訓(xùn)成本，從而加速高等工科教育模式革新，提高新工科實踐教學(xué)質(zhì)量和育人水平。

三、土木類虛擬仿真實踐教學(xué)現(xiàn)狀

基于虛擬仿真技術(shù)的協(xié)作、共享實踐學(xué)習(xí)在未來將持續(xù)對高等教育教學(xué)產(chǎn)生重大影響，發(fā)展虛擬仿真教育教學(xué)是大勢所趨[9]。目前，國外許多高校已建立了內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源庫，并逐步形成了虛擬仿真教學(xué)過程管理的標準與體系。如英國開放大學(xué)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了用于地球科學(xué)實驗研究的虛擬顯微鏡，可觀察存放在世界各地博物館、大學(xué)、科研機構(gòu)中的地球表面巖石材料和數(shù)百種英國本土巖石樣本[ 10 ];美國、新西蘭等一些國家則先后利用虛擬仿真手段，實現(xiàn)了典型力學(xué)試驗的過程仿真與設(shè)計，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性[ 11 ]。

我國自2018年教育部下發(fā)《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》以來，已累計完成虛擬仿真教學(xué)實驗項目2079項。盡管這些虛擬仿真項目的實現(xiàn)為構(gòu)建我國高等教育虛擬仿真教學(xué)共享服務(wù)體系提供了強有力的支撐，但與美英等國家相比，不論是數(shù)量還是質(zhì)量均存在較大差距。單就土木類虛擬仿真平臺建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀來講，雖然我國目前已建成土木類虛擬仿真教學(xué)實驗119項（含國家級認定項目13項），但在資源豐富性、教學(xué)內(nèi)容完備性、技術(shù)標準與兼容性、建設(shè)運維保障體系等方面尚存諸多問題。

（一）資源豐富性與典型性有待提升

盡管現(xiàn)有虛擬仿真實驗可在一定程度上緩解實踐教學(xué)資源不足困境，然而土木類實踐教學(xué)種類及內(nèi)容遠不止于此，特別是一些實踐教學(xué)涉及大型貴重設(shè)備或者對場地有特殊要求，進一步擴充資源種類及典型案例數(shù)量具有重要意義。

（二）教學(xué)內(nèi)容與軟件設(shè)計存在偏差

專業(yè)教師可根據(jù)實踐教學(xué)目的、知識點及要求設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，但專業(yè)教師本身往往不具備虛擬仿真開發(fā)能力;軟件公司雖在開發(fā)技術(shù)方面具有優(yōu)勢，但不了解學(xué)科專業(yè)實踐要義，開發(fā)的軟件多存在缺陷，無法滿足教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[ 12 ]。建設(shè)專門從事虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)的教師隊伍，設(shè)計多層次、分等級的漸進式實踐教學(xué)模式十分必要。

（三）用戶參與不足與反饋改進滯后

國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺的建成為優(yōu)質(zhì)實踐教學(xué)資源的開放共享和充分使用提供了便利，但孤立的在線教學(xué)平臺及泛在化的教學(xué)資源屬于孤立的知識，如果沒有面對面引導(dǎo)、輔導(dǎo)、總結(jié)和討論環(huán)節(jié)，學(xué)生容易處于“無人管理”狀態(tài)。如何提升用戶參與度，并充分利用平臺資源實現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)是進一步挖掘虛擬仿真實踐教學(xué)資源潛力并充分開放的關(guān)鍵。另外，盡管現(xiàn)有共享平臺已建立評價反饋機制，但體系過于簡單，且大多數(shù)平臺存在在用戶做出反饋意見后無響應(yīng)或改進滯后問題，究其緣由主要還是平臺的管理者與開發(fā)者多分屬不同獨立機構(gòu)，信息傳遞與響應(yīng)遲緩。

（四）虛擬仿真項目建設(shè)缺乏標準且資源兼容性差

目前，常用于虛擬仿真項目建設(shè)的工具有Unity、BIM、Virtools、clut3D等，其所開發(fā)的平臺在系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫支持、功能擴展接口等方面各不相同，相互對接困難，極大的阻礙著平臺后期功能的完善與資源的擴充。

（五）建設(shè)運維保障不足

盡管目前通過高校、地方政府和教育部等部門的經(jīng)費支持完成了初具規(guī)模的平臺建設(shè)，但要建成滿足教學(xué)大綱要求的虛擬仿真軟硬件平臺，后期仍需要充足經(jīng)費支持，特別是平臺軟件功能完善、資源擴充以及后期運維等，均需要長期持續(xù)經(jīng)費投入。

四、虛擬仿真實踐教學(xué)可持續(xù)發(fā)展

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的蓬勃發(fā)展為專業(yè)人才培養(yǎng)與職業(yè)教育提供了網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化的實踐環(huán)境。虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)是國家職業(yè)教育改革的重要推力，其可持續(xù)發(fā)展將直接影響我國高等教育教學(xué)質(zhì)量和育人水平。綜合應(yīng)用各種技術(shù)手段改進、完善平臺設(shè)計理念與功能是實現(xiàn)虛擬仿真實踐教學(xué)平臺可持續(xù)發(fā)展的基本內(nèi)容，持續(xù)有效的管理制度和社會參與則是虛擬仿真實踐教學(xué)平臺可持續(xù)發(fā)展的必要保證。因此，保障虛擬仿真實踐教學(xué)平臺可持續(xù)發(fā)展可從以下方面著手。

（一）加強頂層設(shè)計，強化資源開發(fā)

虛擬仿真實踐教學(xué)平臺的建設(shè)不能為求新而求新，良好的頂層設(shè)計是推動虛擬仿真平臺可持續(xù)發(fā)展的前提。建設(shè)或完善擴充虛擬仿真實踐教學(xué)平臺功能與資源時，應(yīng)以構(gòu)建專業(yè)群為目標，強調(diào)教學(xué)資源的共享性，減少物資的重復(fù)投入，同時也應(yīng)充分考慮各專業(yè)在資源需求上的差異性，保障各專業(yè)的實踐教學(xué)需求的特殊性。

（二）健全共享機制，提升社會參與度

平臺管理制度清晰、知識產(chǎn)權(quán)歸屬明確、技術(shù)開發(fā)標準統(tǒng)一、經(jīng)費投入充沛持續(xù)，是平臺資源開放共享和充分使用的重要保障。虛擬仿真實踐教學(xué)平臺應(yīng)健全、完善管理體系，并建立有效的激勵機制，鼓勵加大虛擬仿真平臺利用程度。在教師方面，可考慮將平臺使用情況列入年度教學(xué)考核，鼓勵教師利用平臺開展教學(xué)改革、提升教學(xué)理念等;在學(xué)生方面，積極提倡學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，開展探究性實踐學(xué)習(xí)，并將虛擬仿真學(xué)習(xí)過程納入實訓(xùn)考核內(nèi)容等。

（三）挖掘平臺潛力，改革教師隊伍

虛擬仿真平臺實踐教學(xué)資源的在線開放性決定了其不僅可為每一個用戶提供既有泛在化又分層次的優(yōu)質(zhì)資源環(huán)境，開展自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)，而且可打破不同專業(yè)的壁壘，優(yōu)化各個專業(yè)實踐教學(xué)資源，增強復(fù)合專業(yè)知識。教師應(yīng)充分借助實踐教學(xué)平臺與學(xué)生線上線下互動，挖掘、釋放平臺潛力，提升教學(xué)質(zhì)量。同時，通過潛移默化地拓展學(xué)生的復(fù)合專業(yè)技能，促進學(xué)生綜合能力的發(fā)展[ 13 ]。另外，虛擬仿真資源的開發(fā)和應(yīng)用需要專業(yè)教師的持續(xù)設(shè)計與更新，這就要求必須加強師資隊伍的建設(shè)，優(yōu)化師資隊伍的結(jié)構(gòu)與水平，從而為平臺的可持續(xù)發(fā)展提供原創(chuàng)力。

（四）健全長效管理，完善評價體系

虛擬仿真實踐教學(xué)平臺管理應(yīng)做到使用時間和開放日程的合理規(guī)劃，避免造成使用沖突，同時，應(yīng)制定合理引導(dǎo)策略與獎勵政策，如制定合理的虛擬仿真平臺實踐教學(xué)績效評價體系，提升平臺資源認可度并設(shè)置相應(yīng)科研獎勵等，從而促進平臺的利用率及資源開發(fā)。當(dāng)然，為持續(xù)改進平臺的口碑與可使用性，建立高效評價反饋體系，并依據(jù)反饋意見對平臺的功能與資源進行不間斷的質(zhì)量改進，擴大輻射示范作用，是虛擬仿真實踐教學(xué)平臺可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

五、結(jié)語

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，虛擬仿真實踐教學(xué)已成為國家信息化教育戰(zhàn)略實施的重要支撐，建設(shè)、完善虛擬仿真實踐教學(xué)平臺不僅可加快高等工科實踐教育與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，而且可促進新工科教育模式革新，提升教學(xué)質(zhì)量和育人水平。

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Abstract： Talents training for majors related to civil engineering focuses on the improvement of engineering consciousness and practical ability. Practice teaching is an indispensable teaching content for cultivating applied talents with social adaptability. Strengthening the construction of virtual simulation practice teaching platforms for majors related to civil engineering can solve the difficulties in the shortage of practice teaching resources， embody the talents cultivation connotations such as application， practice， skills， and realize the high-quality development of talent training in knowledge， ability and quality. Based on the current practice teaching situation of majors related to civil engineering， the necessity and existing problems of constructing and improving the virtual simulation practice teaching platforms are analyzed， and the strategies for the sustainable development of the virtual simulation practice teaching platforms are discussed. The results can provide a reference for improving the teaching quality and education level of practice teaching.

Key words： virtual simulation; practice teaching; sustainable development; civil engineering related