土建類虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

劉玲玲 褚美玲

（江蘇省江都中等專業學校，江蘇 揚州 225200）

0 引言

信息技術的逐步成熟，使得虛擬仿真實驗教學成為了可能。高校為實現提升學生綜合素質、全面提高教學質量的教學目標，在課程設計中均加入了虛擬仿真實驗教學，并建設了專業化虛擬仿真實驗教學中心，取得了非常不錯的教學效果。本文以土木建筑及相關專業為例，分析虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐內容。

1 土木建筑虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性分析

土木建筑專業的傳統實驗教學模式為組織學生參加大型土木建筑工程實驗。但這種教學模式存在諸多的問題。一是實驗體量過大，導致經費高、設備復雜。二是在實驗過程中不能夠做到學生全覆蓋，一次實驗參加的人數有限。三是學生參與感不強，以至于主觀參與意愿不強，對實驗課程產生了抵觸心理，使得實驗課程設置目標不能夠完成。這些問題就與實驗教學培養綜合性、創造性、實踐性人才的目標背道而馳。虛擬仿真實驗教學為解決這一矛盾提供了有效路徑。通過信息技術構建虛擬仿真實驗環境，將原本必須要實際進行的實驗轉為在虛擬中完成，減輕了實驗體量和資金壓力。每個學生都可以在虛擬仿真實驗中進行操作，提升學生的實踐能力。同時，還可以激發學生主動參與實踐學習的積極性和主動性。學生在實踐教學中能夠主動建立問題、發現問題、解決問題，真正提升了作為實踐專業性人才所必須具備的基本素養。

2 虛擬仿真實驗教學資源建設

2.1 虛擬仿真實驗教學建設的基礎模式

虛擬仿真教學建設的基礎模式是為土木建筑相關專業的本科學生所設計的，設計目的是在打好專業基礎知識的基礎上激發學生對科研的熱情。具體設計模式為“3+19”模式，是指3大模塊加19項虛擬仿真實驗項目。3大模塊包括基礎力學、土木工程材料、工程測量。19個虛擬仿真實驗項目以金屬材料壓縮性能研究虛擬仿真實驗為例進行說明。通過虛擬仿真系統，學生在實驗中可以自行設置虛擬壓縮設備、被壓縮金屬材料種類、壓縮參數等，最終得到實驗結果。

2.2 虛擬仿真實驗教學建設的專業模式

虛擬仿真教學建設的專業模式是為高年級本科學生所設計，設計目的是通過模擬土木建筑領域在施工中實際存在的問題，達成“教研結合”的效果。提升高年級學生利用已學習的基礎理論知識，解決建筑工程中實際存在問題的能力。具體設計模式為“5+23”模式，也就是5大實驗模塊加23個虛擬仿真實驗項目。其中5大實驗模塊包括建筑工程、建筑構造、道路橋梁與交通工程、巖土工程和項目管理等。23個虛擬仿真實驗項目以鋼筋混凝土梁破壞性仿真實驗為例進行說明。學生可以通過該項目模擬鋼筋混凝土梁的結構、及受力后不同結構的鋼筋混凝土梁所產生的不同破壞性。

2.3 虛擬仿真教學建設的特色與創新模式

虛擬仿真教學建設的特色與創新模式分為兩大類，一般創新與特色創新。

其中虛擬仿真教學建設的一般創新模式是為學生參加創新大賽等競賽所設計的。其設計目的為專項培養學生的創新能力和實踐技能，培養出一批懂專業、會實踐、能創新的創新型技術人才。該項目比較有代表性的是博物館火災和人員逃生模擬仿真實驗，通過模擬真實的火災和人員逃生場景，讓學生對博物館的防火建設和安全通道建設有自己的設計和構思。

虛擬仿真教學建設的特色創新模式，是針對本科生特色發展和高校特色辦學所設計的。設計目的在于拓寬學生的國際視野、增強學生的綜合素質，培養出國家需要的特殊人才。河南工業大學在建設虛擬仿真教學方面走在了前沿，為滿足國家糧食安全的戰略需求，河南工業大學土木建筑學院和河南工業大學設計研究院共同設計并參與建設了七大特色學科平臺，形成了“3+17”的項目模式，也就是3大教學模塊，加上14個虛擬仿真實驗項目。典型的是食品物流園區總體規劃仿真實驗，通過對食品物流園區進行3D化建模，對食品物流園區總體規劃建設進行模擬。學生可以通過系列設置，實現各項功能設施如物流周轉中心、物流集散中心、運輸裝載中心等實現物流園區的真實運轉。一旦各項規劃不合理，那么模擬物流園區也就無法正常運行。

3 開放共享與展望

虛擬仿真實驗中心的開展依托于以桌面云技術為載體的虛擬仿真實驗系統。通過桌面云技術可以集中利用資源并方便統一管理。桌面云將服務器系統映射出來，可以提高服務器的運行效率，并且有利于數據的集中。避免因為數據分散在學生電腦上而無法集中存儲和備份。通過桌面云技術，可以讓虛擬仿真實驗系統更好的服務于土木建筑相關專業，在實踐教學課程中能更方便、高效的完成教學任務，并對學生開放多渠道的共享。

3.1 開放共享渠道多元化

一，校內共享。可以通過校內網、校園實驗室、圖書館、學校網站等方式將虛擬仿真實驗室向校園內所有師生進行開放，實現全專業全覆蓋。同時，學生可以在實驗教學中心操作實驗，提高資源共享效率。

二，校外共享。通過實驗中心網站管理平臺，實現將實驗室的資源共享至校外。將校外共享的教學資源進行分級分類，針對不同的資源設置不同的訪問權限，不同目標群體訪問限制不同。注意對教學資源的知識產權保護，在資源共享的同時形成良性循環。

三，校企共享。虛擬仿真教學實驗中心的宗旨是提高學生的實踐能力，而企業可以提供學校所不具備的生產實踐中的數據及問題，因此，與企業進行合作是十分必要的。在高校完成教學任務的同時，企業也可以通過這套系統完成員工培訓、商務合作等企業發展需求。

3.2 虛擬仿真中心實驗教學的效果

一，理論課程、實踐教學和虛擬資源相緊密結合。在教學的過程中，任何一種教學模式都不應該是孤立的，而是相互融合、相互促進的。要想有效利用虛擬實驗資源，就需要將之與理論課程、實踐教學有機的聯系在一起。與理論課程的聯系可以通過應用程序完成，授課教師在講授理論課程的同時，將校內的虛擬資源告知學生。學生就可以根據個人興趣，在應用程序中自行檢索相關的虛擬資源，以達到通過虛擬資源鞏固理論知識的效果。與實踐課程的聯系，是通過提前預習課程實驗和課后鞏固完成的。學生可以在虛擬資源網站獲取每一種實驗的全套流程、注意事項、學習重點等內容。學生既可以在上課之前提前了解實踐課程的內容，還可以在課程之后利用資源進行復習鞏固。

二，實驗教學中心建立實驗教科書、教學方案、測試題庫的網絡訪問途徑。實驗中心可以將實驗教學全程錄像，以供學生在網絡上下載瀏覽實驗視頻。打破學習環境的空間限制，讓有興趣的學生可以隨時隨地對實驗教學進行自學。選修該課程的學生也可以通過網絡瀏覽進行鞏固學習。

三，全方位共享實驗資源。開創網絡虛擬仿真、遠程實驗、空間沉浸式仿真、數字仿真等教學模式，讓全校、全專業的學生都能夠自主學習實驗教學內容。

4 結語

土木建筑虛擬仿真實驗教學中心建設為土木建筑專業的發展提供了巨大的助力，本文立足于學科建設實際，結合當前優秀的仿真教學中心建設現狀，對土木建筑虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐進行了分析，希望能夠為國內高校土木工程專業的發展與建設提供有效的參考意見。