新工科背景下巖土工程虛擬教學模式探索與實踐
——以防災減災課程為例

朱 銳，劉 恒，周 峰

（南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816）

新工科背景下的高等工程教育數字化教學模式探索日趨深入，教育工作者們在科技應用與智慧教育方面雙向賦能，逐步形成了一系列綱領性文件，為新工科教學模式創新指明了方向［1-2］。

防災減災教學對巖土工程專業的科研型、創新型、實踐性人才培養至關重要。長期以來，我國巖土工程防災減災教學的自主創新能力薄弱，學生難以直觀準確地領悟災害的震撼力以及防治的緊迫性，教學模式的創造性不足導致整體教學質量下降，進而使得教學過程中師生雙方主觀能動性下降。在新工科背景下，巖土工程專業防災減災的強實驗性、強實踐性特點更為突出，如何讓巖土工程防災減災教學更加具有生動性、先進性、創新性，從而在促進理論吸收、融合學科優勢、創新減災技術以及提升工程意識等方面全面提升，是巖土工程防災減災教學的一大難題。

鑒于此，本文以巖土工程防災減災教學模式為導向，從平臺建設、模式優化、資源建設三方面探索虛擬教學特征、模式與體系，提出案例式、情境式、啟發式的多維虛擬教學方法，形成線上線下融合、虛實結合、校企聯動、團隊分工的混合式虛擬教學手段，構建虛擬教學多元協同評價體系，為巖土工程防災減災教學模式創新發展提供參考。

一、虛擬教學的特點

虛擬仿真教學項目依托虛擬現實技術，將虛擬現實技術應用于巖土工程防災減災，可以達到沉浸式虛擬防災減災仿真教學的目的，即在三維虛擬仿真情境下培養學生觀察、分析和判斷各類災害特征的能力，通過模擬操作在真正參加防災減災實踐前掌握基本技能［3］。

巖土工程防災減災虛擬教學具有以下三個特點。

（一）虛擬教學的絕對安全

除理論教學外，傳統巖土工程防災減災教學另一重要手段之一為實地調研。而重大工程災害現場常存在可變性危險，實地調研過程常常伴有不可測的風險，虛擬教學則規避了因這一因素造成人員傷亡、資源損壞的可能性，師生可以隨時隨地進入虛擬教學平臺開展相應實驗與模擬。

（二）虛擬教學的時空優勢

教師憑借虛擬教學可視化、生動性、交互性的特點，賦予生硬板正的數據信息理論“生命化”特征，使學生從不同的方向和角度感受認知復雜的環境，由此突破傳統課堂教學的時空限制。

（三）虛擬教學的經濟性

傳統巖土工程防災減災教學的模型實驗或現場實驗耗費巨大，而虛擬教學可使得系列重大工程災害演化過程多次甚至無限次重現，解決了傳統巖土工程防災減災教學實驗的痛點。在實驗教學設備緊張、經費不足的情況下，虛擬教學更彰顯出其“用武之地”。

二、虛擬教學模式探索

（一）平臺建設

虛擬教學平臺建設的主要目的，在于發揮虛擬仿真技術特征，實現教育資源共建共享，解決因巖土工程專業建設經費不足、資金短缺及開發技術能力有限，所造成的防災減災教學質量下降等系列問題。平臺建設過程中，學院應實時響應建好虛擬共享平臺，積極對接國家智慧教育平臺。學院充分整合學校以及學院現有資源，整合巖土工程專業重大工程數字化資源，扎實打造適合教師教學、學生實踐的高質量創新平臺，并對現有的技術系統軟硬件進行升級改造，建成與巖土工程防災減災教學資源相匹配的虛擬仿真教學平臺，使實驗虛擬教學效果最優化，以數字化智慧手段助力教學模式探索與創新。

（二）資源建設

虛擬教學的重要影響因素是其內在資源的建設。故虛擬教學資源建設，要結合學校的辦學定位、辦學特色和專業發展統籌安排，將虛擬仿真資源與巖土工程防災減災教學有機結合，構建功能集約、資源優化、充分開放、運作高效、人機交互的虛擬仿真教學資源庫。在資源庫建設過程中，師生應以巖土工程防災減災為導向，匯總巖土工程災害案例相關素材，與專業虛擬仿真技術人員合作，建設虛擬仿真實景資源庫，涵蓋樁基工程、邊坡工程、凍土工程等方面經典災害事故案例，通過虛擬實景的主觀感受促進對客觀知識的深入理解，讓師生適應新工科的教學發展理念，同時充分調動學生的學習積極性。

（三）實景實踐

巖土工程防災減災教學具有理論更新快、實踐性強等特點。教學模式應告別純書本理論的傳統教學模式，積極促成虛擬教學平臺的建立，并發揮其“實景實踐”的作用，借助虛擬仿真技術把工作重心放在模型實驗與現場實驗難以完成的演示性實驗教學上。學生分小組進行巖土工程防災減災虛擬仿真學習，通過極具真實感和沉浸感的案例實景動態響應過程，加深對災害實景相關結構位置及其空間毗鄰關系的理解，進而從時空變化的角度明晰典型事故的災變啟動特征，通過交互式人機操作的方式探索關鍵參數對典型工程案例災變的影響機制，使得巖土工程防災減災教學模式更加貼近工程實際情況。

三、多元化虛擬教學方法

（一）多維互動的案例式教學

在傳統巖土工程防災減災教學中，教師往往單向輸出理論知識，案例本身僅作為理論知識的一個輸出載體，這并不符合新工科背景下教學改革的發展方向。多維互動的案例式教學即以學生為主體、教師為主導，案例則作為基礎貫穿虛擬教學過程，使得過往的靜態單向教學轉變為基于虛擬仿真平臺的動態互動教學。這種教學方法圍繞防災減災虛擬教學主題設置基礎理論講授、虛擬資源學習、政策條例解讀、師生研討交流等系列教學模塊，重構相關理論框架與教學體系，強化學生對虛擬教學內容的體驗感和沉浸度，形成從細分的知識傳授到綜合性能力提升的多維互動虛擬教學實現路徑。

（二）任務驅動的情境式教學

任務驅動的情境式教學，是充分利用任務驅使性來調動學生的主觀能動性，融合認知活動和情感活動的教學方法。這種教學方法首先需創設真實任務情境，確立課程學習目標；隨后，師生共同剖析任務需求，進而形成團隊分工與合作，在此基礎上，學生自主解決問題，教師給予必要的指導與幫助；最后，教師組織學生進行任務展示與成果總結。在任務驅動的情境式虛擬教學過程中，可設置選題與分組—分析問題和整理資料—虛擬仿真教學—災害案例分析—考核評價的任務鏈。任務驅動的情境式教學應具有梯度性，任務設置應隨教學過程動態調整，教學過程中教師應充當任務執行“引導者”的角色。

（三）問題導向的啟發式教學

問題導向的啟發式教學是一種強調學生為中心、教師為引導者的教學方法，遵循“問題—答案—討論—新問題—討論—總結”的主體教學模式。教師通過難度適中問題的設計、提出、討論以及回答的過程，駕馭課堂并引導學生自我學習，用問題的出現與解決實現教學過程中的“啟”與“發”。這種教學方法重在開放性的啟發過程，有利于提高學生的主動性與創造性。在問題導向的啟發式虛擬教學過程中，可以結合典型工程災害案例虛擬資源，將重要知識節點以問題形式引出，創建“靈動式虛擬教學課堂”，破除傳統課堂中“一言堂”的教學頑疾，實現虛擬教學生態的超越與虛擬課堂文化的重建。

四、混合式虛擬教學手段

（一）線上線下的融合式教學

線上線下的融合式虛擬教學通過整合線上教學與線下教學的特點，即融合虛擬教學資源與傳統書本理論知識，形成全體系交互式教學新模式，實現教學深度與教學廣度的融合拓展。目前，南京工業大學在線上線下的融合式教學方面已形成了一定的特色：（1）以疫情引發的線上教學新常態為契機，學校與學院層面積極推動軟硬件升級，構建了面向未來的巖土工程防災減災融合式虛擬教學體系。（2）重建了巖土工程防災減災教學同步互動式虛擬課堂。師生可以在虛擬仿真平臺上同步學習與實時交流，使之具備了物理空間與網絡空間多維融合的形態特征。

（二）虛實結合的實驗式教學

虛實結合的實驗式教學，即借助虛擬仿真平臺，開展系列巖土工程防災減災實驗教學，實現傳統線下實操實驗與線上虛擬仿真實驗的有機融合。教師首先將相關數字化材料通過虛擬仿真平臺發布，學生在虛擬場景內完成防災減災實驗內容的學習與云操作，加深對實驗內涵的理解，隨后轉入線下實驗室進行實操訓練，達到提升綜合實驗能力的目的。虛實結合的實驗式教學具備以下優點：（1）巖土工程防災減災實驗不再受制于時空因素，在時間與空間上均得到了延伸；（2）對于一些存在可變性危險因素的環境災害實驗，可以以“虛”補“實”，解決了傳統巖土工程防災減災系列實驗的弊端；（3）用虛擬仿真實驗替代傳統線下實驗，可以有效節約巖土工程實驗教學資源，豐富綠色實驗室的內涵。

（三）校企聯動的實踐式教學

校企聯動的實踐式教學是針對專業課程實踐的側重點差異，結合專業特色與行業需求，以校企聯動的方式賦能虛擬教學，從而完善、豐富實踐教學內容與模式。校企聯動的實踐式教學應注重兩個方面：一方面是依托校企聯動獲取虛擬技術資源與優質實踐項目；另一方面是依托校企聯動開展對外交流、推廣工作，進而共享教改成果、實驗平臺以及教學資源等。同時，教師應加強與行業領軍企業的技術交流與項目合作，通過外部前瞻性的數字化技術優勢，建全現有重大工程災害案例虛擬資源庫。在豐富資源庫的過程中，學生可以充當實踐者的角色，教師可以扮演教學者與校企聯動橋梁的角色，企業則是協同育人的角色，以校企合作帶動三方聯融共贏，從而促進新工科實踐性人才的培養與成長。

（四）團隊分工的競賽化教學

團隊分工的競賽化教學，即圍繞團隊競爭與合作共存的理念，主要以團隊合作的形式完成虛擬課程的學習，輔之以團隊競爭的形式促進虛擬教學成效遞增，進而達到學生課程水平提升與教師教學質量提高的目標。這種教學手段的特征在于：（1）團隊競爭與合作可以有效激發學生的積極性與好奇心，通過提升學生在虛擬教學過程中的參與度，生生之間形成利益共同體，利于學生主體意識的形成。（2）在虛擬教學過程中，團隊的形成往往是以小組為單位，由此賦予了學生在組內的分工與目標。虛擬教學活動使得組員之間既是相互合作也是相互競爭，利于團隊競爭合作意識的形成。（3）學生沒有接觸過實際工作崗位，虛擬教學可以顯著提升學生的綜合實踐能力與社會適應能力，利于形成社會意識。

五、虛擬教學多元協同評價體系

虛擬教學評價體系要貫徹以學生為主體的教學設計思路，摒棄單一的虛擬教學評價體系，創建以教師引導、學生自評與互評為特色的虛擬教學多元協同評價體系。在巖土工程防災減災虛擬教學過程中，學生以小組為單位對巖土工程防災減災問題進行深入剖析，結束后小組間自評與互評。隨后，各小組成員將自己負責的災害案例分析結果上傳至虛擬仿真平臺，供其他小組成員學習與評價。最后，教師對每個學生在教學過程中的表現從多維度進行評價。

虛擬教學多元協同評價體系的主體是師生雙方，其評價過程更為看重發展性和過程性，從而引導學生掌握良好的學習方法，深化學生對巖土工程防災減災的認知，培養學生的綜合素質，實現多樣化的考核方式。通過這一評價體系，師生、生生之間更顯平等，不僅能發揮教師把控教學效果的作用，還能充分發揮學生的主觀能動性，進而促進巖土工程防災減災虛擬教學的良性發展。

結語

新工科背景下巖土工程防災減災教學具有很強的實踐性與經驗性，必須突出數字化實踐教學的特點。虛擬教學過程需從以建為主轉為以用為主，從平臺建設、資源建設、實景實踐三個方面推進虛擬教學模式改革，通過多維互動式、任務驅動式、問題導向式的多維虛擬教學方法與線上線下融合、虛實結合、校企聯動、團隊分工的混合式虛擬教學手段，構建巖土工程防災減災虛擬教學新模式，創新發展虛擬教學多元協同評價體系，突出教學過程的案例性、情境性、啟發性特征，引導學生發展高階思維，形成良性的知識遷移，大幅提升師生在虛擬教學過程中的主觀能動性，最終形成知識結構、教學素養、學術思想上的交叉復合效應，為巖土工程防災減災教學模式創新發展提供參考。