土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系探索與構(gòu)建

趙群

（吉林大學(xué)，吉林 長春 130000）

虛擬仿真，別稱為模擬技術(shù)，是主要依托于信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)建形成的一種仿真虛擬系統(tǒng)。仿真虛擬系統(tǒng)中，用戶可通過視覺、聽覺等感官系統(tǒng)體驗虛擬的真實世界。智能化時代，虛擬仿真技術(shù)在土木工程實驗教育教學(xué)中的應(yīng)用有效彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)不足，大幅提高了土木工程實驗教學(xué)質(zhì)量。土木工程實驗教學(xué)特定鮮明，與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，而又無法真正深入到生活實際。其弊端在于土木工程科學(xué)嚴謹，實踐教學(xué)的不成熟性對土木工程的開展存在一定干擾[1]，同時也不能達到實驗教學(xué)目的。基于現(xiàn)實實驗教學(xué)需要，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系走進大眾事業(yè)，成為現(xiàn)階段中國土木工程實驗教學(xué)重點探索內(nèi)容。

1 土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

模擬仿真技術(shù)應(yīng)用起源于西方國家，最早用以探究軍事作戰(zhàn)，通過軍事作戰(zhàn)模擬提升國防力量。伴隨科技發(fā)展，模擬仿真技術(shù)逐漸融合到各個領(lǐng)域。目前，在全球范圍內(nèi)，模擬仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、土木工程、信息技術(shù)、教育教學(xué)等系統(tǒng)。在教育系統(tǒng)，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用、實踐、創(chuàng)新等能力，是新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的重要教學(xué)方法之一[2]。虛擬仿真技術(shù)在土木工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用旨在彌補傳統(tǒng)教學(xué)不足，利用線上線下結(jié)合、虛擬現(xiàn)實結(jié)合、跨學(xué)科交融、行業(yè)協(xié)同、校際交流等方式，加強土木工程實驗教學(xué)師資力量，提高土木工程實驗教學(xué)質(zhì)量，保證應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量，為社會輸出有用人才。同時，利用科技探究前沿技術(shù)反哺社會，做到科技創(chuàng)新與應(yīng)用協(xié)同發(fā)展。對于土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)目的及愿景，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)開展意義重大[3]。但從土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)尚處于探索階段，且存在諸多不足。

1.1 土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系尚處于探索階段

在中國，虛擬仿真實驗教學(xué)項目開始于2018年。教育部為深入學(xué)習(xí)貫徹黨的十九大精神，適應(yīng)信息化時代背景下知識獲取方式和傳授的方式，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，決定開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作。截至2019年，教育部先后認定了296個虛擬仿真實驗教學(xué)項目。雖然，從國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目看，中國目前已經(jīng)存在近300個虛擬仿真實驗教學(xué)項目，但從虛擬仿真實驗教學(xué)項目開展情況看，中國虛擬仿真實驗教學(xué)仍處于初級階段。

1.2 技術(shù)體系搭建不成熟

分析土木工程虛擬仿真實驗建設(shè)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，土木工程模擬仿真實驗體系的構(gòu)建應(yīng)充分融合行業(yè)、學(xué)校及其他學(xué)科。做好全面連橫，學(xué)科交叉，以滿足土木工程大類下各領(lǐng)域人才培養(yǎng)需要。但從目前中國土木工程虛擬仿真實驗建設(shè)情況看，中國土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)各有千秋。如浙江大學(xué)土建類虛擬仿真實驗中心主要包括工程設(shè)計于施工、工程力學(xué)基礎(chǔ)、工程防災(zāi)與檢測、工程規(guī)劃與管理以及創(chuàng)新設(shè)計等。而西安建筑科技大學(xué)生虛擬仿真實驗教學(xué)主要包含建筑工程、道路與橋梁、土木施工與管理、建筑工程及建筑職能信息技術(shù)5個虛擬仿真實驗?zāi)K。相類似的，中國其他土木工程類等虛擬仿真實驗教學(xué)包括內(nèi)容同樣不同，包括中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的水利工程、土木、農(nóng)建虛擬仿實驗教學(xué)模塊。不同學(xué)校覆蓋模塊不同，不同模塊間雖緊密相關(guān)，但均不能全面覆蓋土木工程大類。此外，分析現(xiàn)今虛擬仿真實驗教學(xué)軟件發(fā)現(xiàn)，高校之間的土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)軟件版本存在差異，導(dǎo)致高校間無法進行教學(xué)交流[4]，學(xué)生無法系統(tǒng)地學(xué)習(xí)知識。

1.3 虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用有限

體系構(gòu)建等方面不成熟導(dǎo)致土木工程虛擬實驗教學(xué)無法深入開展。現(xiàn)今，全球人才培養(yǎng)更重視實踐環(huán)節(jié)。尤其對于土木工程這類實踐性、專業(yè)性較強的學(xué)科，更需要以實踐為主導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生具備土木工程規(guī)劃、設(shè)計、研究、施工、管理的基本能力。但從中國高校土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)看，中國高校土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)比例較小。沒有以虛擬仿真實驗教學(xué)為主，沒有將理論與實踐相結(jié)合，應(yīng)逐步提升虛擬仿真實驗教學(xué)比例[5]。很多高校土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)仍停留在基礎(chǔ)實驗教學(xué)上，傳統(tǒng)實驗教學(xué)的微弱延伸使虛擬實驗教學(xué)全面培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用發(fā)揮有限。

2 土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建路徑

開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的深化和拓展，突出以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實驗教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、持續(xù)改進的實驗體系和科技創(chuàng)新的實驗教學(xué)效果。

2.1 優(yōu)化土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)

2.1.1 提升土木工程虛擬實驗教學(xué)比例

新時代，土木工程教學(xué)應(yīng)將重心逐漸轉(zhuǎn)移到實驗教學(xué)中。利用虛擬仿真實驗教學(xué)，幫助學(xué)生切實體驗在土木工程實踐中如何進行工程設(shè)計、施工及管理，如何在工程施工中有效分析建筑結(jié)構(gòu)受力性能，包括利用分析軟件分析結(jié)構(gòu)有限元理論、設(shè)計破壞系統(tǒng)等。利用虛擬仿真實驗軟件、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、技術(shù)，從實踐角度開展課程教學(xué)。打造理論與實踐相結(jié)合，而又側(cè)重實踐的新工科專業(yè)課程。

2.1.2 創(chuàng)新實驗教學(xué)方式方法

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)突出以學(xué)生為中心，鼓勵學(xué)生個性化發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力、工程統(tǒng)籌能力、管理及相關(guān)專業(yè)能力。因此，基于信息技術(shù)、模擬仿真技術(shù)支持的土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)在教學(xué)方式方法方面進行創(chuàng)新。以學(xué)生為中心，提升學(xué)生綜合素養(yǎng)。

虛擬仿真實驗室開放化。虛擬仿真實驗室的開放時間、空間、實驗設(shè)備等應(yīng)自由。與此同時，鼓勵學(xué)生進行自主立項，自主開展實驗探究。在學(xué)生進行實驗項目探究時，給予足夠的支持。必要情況下，可聯(lián)合社會組織給予資金、材料等方面的支持，以協(xié)助學(xué)生自主開展實驗及項目探究。

開展多級課題研究活動。邀請學(xué)生參與課題研究，允許學(xué)生發(fā)表意見。在課題立項、開展、研究、結(jié)項過程中，給予學(xué)生決策權(quán)，對具有探究意義的課題意見進行采納。給學(xué)生自主設(shè)計、自行實驗的機會，發(fā)揮學(xué)生主體作用。

線上與線下教學(xué)相結(jié)合。目前，全球已有多所知名高等院校相繼增設(shè)了虛擬仿真實驗實踐教學(xué)內(nèi)容，其主要形式包括個性化自主實驗、遠程交互實驗及移動斷交互實驗。而中國基于國際在線教育發(fā)展需求，同樣鼓勵高等院校開展“慕課”與虛擬仿真實驗教學(xué)項目相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)開放課程。這使得全球范圍內(nèi)教育資源實現(xiàn)了共享，為土木工程方向?qū)W生提供了大量實驗項目[6]。線上與線上結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(xué)項目使土木工程課程傳統(tǒng)課堂成為理論構(gòu)想實驗室，而虛擬仿真實驗成為了施工現(xiàn)場。通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可完成復(fù)雜性高、專業(yè)性強、危險性高的實驗，進而體驗到工程生產(chǎn)實踐的全過程，大幅推進了土木工程專業(yè)“卓越工程師”培養(yǎng)進程[7]。

2.1.3 創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)計

土木工程虛擬仿真實驗體系構(gòu)建中，應(yīng)準(zhǔn)確適宜地設(shè)計實驗內(nèi)容，深入掌握虛擬仿真實驗的優(yōu)勢及不足。充分利用虛擬仿真實驗彌補土木工程的實踐優(yōu)勢，設(shè)計實驗課程。例如，設(shè)定極限參數(shù)設(shè)計破壞性實驗，通過破壞性實驗結(jié)果幫助學(xué)生了解實驗對象的損傷及破壞程度。

伴隨著科技的發(fā)展，可通過參數(shù)設(shè)定和條件約束得出不同的土木工程虛擬仿真實驗結(jié)果。因此，土木工程虛擬仿真實驗設(shè)計同樣可增加探索性實驗內(nèi)容[8]。在設(shè)定探索性實驗內(nèi)容時，一旦出現(xiàn)錯誤或?qū)崿F(xiàn)設(shè)定不允許發(fā)生的情況，系統(tǒng)將強制終止實驗或報錯。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的同時，培養(yǎng)學(xué)生的嚴謹性。

2.2 虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建模式

虛擬仿真實驗構(gòu)建模式探索如圖1所示。吉林大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系的搭建基于新工科發(fā)展，創(chuàng)新科技人才培養(yǎng)需要、土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)行業(yè)環(huán)境，設(shè)定了虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)。并結(jié)合土木工程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，對土木工程虛擬仿真實驗體系進行模塊劃分，包括基礎(chǔ)課程模塊、專業(yè)課程模塊和創(chuàng)新模塊。最后構(gòu)建出完整全面的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，以虛擬仿真實驗教學(xué)形式呈現(xiàn)，包括基礎(chǔ)課程虛擬仿真實驗、專業(yè)課程虛擬仿真實驗、自主創(chuàng)新課程虛擬仿真實驗、產(chǎn)教研協(xié)同創(chuàng)新虛擬仿真實驗、本校特色（探索）虛擬仿真實驗。在此基礎(chǔ)上，采用多元創(chuàng)新的教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的實踐能力和綜合素養(yǎng)，促進學(xué)生個性化發(fā)展。

圖1 虛擬仿真實驗構(gòu)建模式探索圖

2.3 產(chǎn)教研協(xié)同探索新技術(shù)

虛擬仿真實驗教學(xué)不僅可提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，同樣可在解決實際問題的基礎(chǔ)上為社會貢獻科技創(chuàng)新力量。基于此，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)可協(xié)同企業(yè)探究科技創(chuàng)新、共同開展。在校企聯(lián)合中，將國家重大工程項目模擬仿真成虛擬土木工程實驗[9]。構(gòu)建虛擬仿真工程情景，解決工程問題，學(xué)習(xí)工程知識，完成虛擬仿真工程實驗項目設(shè)計和管理。依托企業(yè)工程研究中心、科技創(chuàng)新實驗室，利用科技創(chuàng)新手段，將科技創(chuàng)新成果向虛擬仿真實驗轉(zhuǎn)變，以擴大學(xué)生學(xué)習(xí)范圍，拓寬學(xué)生科技創(chuàng)新視野[10]。

此外，應(yīng)聚焦目標(biāo)，整合虛擬仿真實驗技術(shù)，進行科學(xué)研究，協(xié)同探索創(chuàng)新工程技術(shù)，解決重大工程問題。發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)的前瞻性、專業(yè)性、創(chuàng)新性、發(fā)展性優(yōu)勢和實際作用。

3 結(jié)束語

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的探索與構(gòu)建是具有現(xiàn)實意義的教育課題，是符合時代發(fā)展需要的科技創(chuàng)新課題，是具有里程碑式的具有時代標(biāo)志性的教學(xué)科技創(chuàng)新課題。土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系探索與構(gòu)建課題研究值得引起工科教育工作者、工程領(lǐng)域工作者的高度重視，以在日后工科育人、工程科技創(chuàng)新實踐中，不斷提升科技水平。

新時代，基于信息科技的優(yōu)勢，充分利用土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)探索科技創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力，促進學(xué)生個性化發(fā)展已勢在必行。這也是中國國家戰(zhàn)略規(guī)劃對工程人才培養(yǎng)提出的要求，對于中國實行科教興國、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重大意義。