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摘要:介紹土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，結(jié)合揚(yáng)州大學(xué)“混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，闡述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢、必要性以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為土木工程教學(xué)提供了新的教學(xué)方式，勢必成為未來土木工程教學(xué)改革的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:土木工程;仿真模擬;實(shí)踐教學(xué)

“土木工程”作為一個(gè)理論與實(shí)際緊密聯(lián)系的學(xué)科，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作與動(dòng)手能力方面發(fā)揮著重要作用。［1－2］目前，高校存在重理論學(xué)習(xí)、輕實(shí)驗(yàn)操作的現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象不能單純歸結(jié)于對教育方針理念的不重視，還得考慮到實(shí)驗(yàn)本身具有的特殊性，如時(shí)間跨度大、場地、機(jī)械要求苛刻、實(shí)驗(yàn)效果影響因素大等方面。隨著計(jì)算機(jī)硬件和技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)的普及，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生［3－10］。

1土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求越來越高，土木工程專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法已經(jīng)不能滿足要求，主要存在以下幾個(gè)方面的問題。1．1實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資力量不足在很多高校都存在實(shí)驗(yàn)教師相對較少的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)很難到位，難以在有限的時(shí)間內(nèi)對大批量的學(xué)生進(jìn)行精細(xì)的輔導(dǎo)，教學(xué)目標(biāo)難以完成，設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)難以開展。造成這種現(xiàn)象的主要原因有:學(xué)校對實(shí)驗(yàn)教師的崗位設(shè)置較少，對其關(guān)注度不夠高，以及大家片面地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教師地位低于教學(xué)科研教師。同時(shí)，學(xué)校對實(shí)驗(yàn)教師的職業(yè)發(fā)展政策較少，使實(shí)驗(yàn)教師的人員流動(dòng)加快，對實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的發(fā)展極其不利。實(shí)驗(yàn)教師是學(xué)校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要保障，因此，學(xué)校應(yīng)該注重實(shí)驗(yàn)教師的人才隊(duì)伍建設(shè)，從政策支持、人員培訓(xùn)、項(xiàng)目扶持等方面提高實(shí)驗(yàn)教師待遇，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，滿足土木工程專業(yè)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

1．2實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要購入費(fèi)用較高的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，不僅如此，實(shí)驗(yàn)室在后期也需要高額的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)會(huì)受到時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等很多因素的限制。

1．3缺乏實(shí)地的實(shí)踐教學(xué)

目前土木類專業(yè)實(shí)習(xí)公司考慮到現(xiàn)場安全和效益指標(biāo)的因素，不會(huì)接收大量的或者長時(shí)間的實(shí)習(xí)學(xué)生，有的公司甚至?xí)芙^學(xué)生去實(shí)習(xí)而變?yōu)閰⒂^學(xué)習(xí)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量嚴(yán)重下降。

1．4實(shí)習(xí)周期與現(xiàn)場實(shí)施周期不一致

在短短的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可能只會(huì)接觸到比較少的施工環(huán)節(jié)和專業(yè)過程，不能進(jìn)行一個(gè)比較完整的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致實(shí)習(xí)效果不好。

1．5缺少實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的復(fù)合型人才，但目前學(xué)生主要是通過學(xué)校發(fā)放的實(shí)驗(yàn)任務(wù)書來進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)踐訓(xùn)練不足，這就會(huì)使學(xué)生的創(chuàng)新能力無法被激發(fā)出來。當(dāng)前很多高校都在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，但是他們通常根據(jù)本校在土木工程學(xué)科某個(gè)領(lǐng)域的研究專長和特色，建立相應(yīng)的教學(xué)資源，這些資源無法實(shí)現(xiàn)共享，不能滿足土木工程專業(yè)在不同領(lǐng)域培養(yǎng)不同人才的需求;與此同時(shí)，由不同虛擬軟件制作公司研發(fā)制作了高校的各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間存在界面布局、軟件架構(gòu)、操作流程等差異，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書比較缺乏，學(xué)生在實(shí)際的學(xué)習(xí)中對知識(shí)理解得不夠具體和準(zhǔn)確，因此，建設(shè)豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和進(jìn)行較全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)是非常必要的。工程仿真實(shí)踐平臺(tái)具有透明性、資源共享、交互、用戶自治、可擴(kuò)展性和安全性等特點(diǎn)。它在許多方面都比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)實(shí)踐設(shè)備好很多，并具有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。其最終目標(biāo)是利用信息網(wǎng)絡(luò)、多媒體和人機(jī)交互等技術(shù)創(chuàng)建高度模擬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，彌補(bǔ)土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力，以及獲取和使用信息的能力。工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以解決實(shí)驗(yàn)硬件短缺、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐時(shí)間不夠等問題。目前，一些高校土木工程實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備條件很差，無法滿足學(xué)生科研要求;教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)的規(guī)則之間存在一定的差距。利用工程仿真實(shí)踐平臺(tái)，可以使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)制作過程視頻、動(dòng)畫，建立建筑模型，模擬物理對象等。可以在在滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)要求的同時(shí)通過減少實(shí)驗(yàn)資金的投入，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室硬件條件的不足，從而提高實(shí)踐教學(xué)的高效性，提高人才培養(yǎng)水平。學(xué)生實(shí)習(xí)受到時(shí)間和環(huán)境條件的限制，由于場地和施工周期的限制，學(xué)生只能在一定時(shí)間內(nèi)接觸到幾個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，很難深入了解專業(yè)知識(shí)。虛擬平臺(tái)的出現(xiàn)提供了一種新的有效的專業(yè)實(shí)踐方法，使學(xué)生能夠整合他們所學(xué)的課程，從而系統(tǒng)、全面地理解所有的專業(yè)工作，大大提高了實(shí)際應(yīng)用效果。

2土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)例

建筑抗震問題是土木類專業(yè)研究的重點(diǎn)問題之一，混凝土框架抗震實(shí)驗(yàn)是土木類等專業(yè)本科教學(xué)的重要支撐實(shí)驗(yàn)。以應(yīng)用最為廣泛的混凝土結(jié)構(gòu)為例，在對其整體結(jié)構(gòu)和單元框架進(jìn)行的抗震實(shí)驗(yàn)中，包含了混凝土設(shè)計(jì)原理、施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)抗震性能、結(jié)構(gòu)檢測、防災(zāi)減災(zāi)工程等多門土木類、水利類專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容。但該類試驗(yàn)成本高、周期長、試件體量巨大、加載設(shè)備昂貴，難以在本科教學(xué)階段開展。因此，揚(yáng)州大學(xué)開展了“混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施過程分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、試件制作、實(shí)驗(yàn)加載、實(shí)驗(yàn)觀測和分析。

2．1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的功能

用戶可靈活選用網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(PC、VR、平板、智能手機(jī))，訪問“混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，校內(nèi)學(xué)生通過身份認(rèn)證，即可進(jìn)入平臺(tái)開展混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn);校外用戶需要先進(jìn)行注冊，注冊成功后方可進(jìn)入混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?！盎炷量蚣芸拐鹛摂M仿真實(shí)驗(yàn)”采用的是沉浸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，用戶在進(jìn)行混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中配合使用VR頭盔等外置硬件，實(shí)驗(yàn)效果更好。用戶進(jìn)入線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)后，根據(jù)功能按鈕的指向說明，通過與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)里的虛擬人物對話等方式，可以依次有序地開展凝土試件的設(shè)計(jì)、制作、安裝、水平地震力加載等模塊的虛擬實(shí)驗(yàn)。

2．2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟具體步驟見圖1。

2．3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果

應(yīng)用“混凝土框架抗震虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生在仿真空間實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)抗震的實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作，克服傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)開展難的問題，使學(xué)生對混凝土構(gòu)件的抗震特性具有直觀感受。同時(shí)，這樣的教學(xué)方法還具有很多實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢:能夠讓學(xué)生更好地參與到混凝土框架設(shè)計(jì)，從“透視視角”展現(xiàn)內(nèi)部破壞過程等。突出了以學(xué)生為中心的沉浸式、探索式的教學(xué)模式，將傳統(tǒng)課堂上的教學(xué)要求、教學(xué)目的更好地與實(shí)驗(yàn)融合，達(dá)到了完善課程教學(xué)、優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源共享的目的。虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目可以有效完成學(xué)科專業(yè)教學(xué)大綱的相關(guān)教學(xué)任務(wù)，是低年級(jí)學(xué)生通識(shí)實(shí)驗(yàn)向?qū)I(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過度的重要環(huán)節(jié)，也是高年級(jí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課程“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有利于學(xué)生通過直觀感受加深對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)抗震性能、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)檢測等知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知和理解，對于培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)、動(dòng)手實(shí)踐能力，以及滿足行業(yè)工作需要等均具有重要意義。除了解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)開展難的問題，學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)可以通過透視化的手段，觀察混凝土結(jié)構(gòu)破壞特征、鋼筋在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)產(chǎn)生的變形等，具有學(xué)生參與設(shè)計(jì)、循環(huán)快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、鋼筋損傷可見、破壞過程可逆等實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢。仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)教學(xué)課程的契合度較高，能夠很好地與傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行對接并延伸拓展，通過4個(gè)學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)，可以直接與原有實(shí)驗(yàn)觀摩課程相結(jié)合，完成相關(guān)教學(xué)大綱的要求;在課堂以外，拓展了更為靈活、生動(dòng)以學(xué)生為中心的課外學(xué)時(shí)模式，高效完成原有課程的教學(xué)內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索和科技創(chuàng)新的能力。在部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟中采用“虛實(shí)結(jié)合”的方法，以混凝土配合比制備為例，將小型試塊的實(shí)測實(shí)驗(yàn)與大體量混凝土的仿真制備結(jié)合起來，學(xué)生可以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行配合比試塊的制作，并操作實(shí)驗(yàn)機(jī)檢測其強(qiáng)度，同時(shí)大體量混凝土制備可以在虛擬系統(tǒng)中完成，做到“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)意義

3.1改革現(xiàn)有土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念

通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，原來的教學(xué)理念被升級(jí)改革。改變實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營理念及建設(shè)模式，將實(shí)驗(yàn)室改造成一個(gè)開放的、流動(dòng)的、不平衡的綜合性平臺(tái)，不斷地與外界交流、交換信息，實(shí)驗(yàn)質(zhì)量螺旋式不間斷提升，改變原有的陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，使實(shí)驗(yàn)室成為真正意義上的校內(nèi)聯(lián)動(dòng)、校際共享、內(nèi)外兼?zhèn)涞囊苿?dòng)平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還有以下優(yōu)勢:(1)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。通過開放式的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，本專業(yè)、本校學(xué)生甚至是校外個(gè)人及團(tuán)體，均可自由地進(jìn)行跨專業(yè)、跨行業(yè)的資源共享，自由地提出自己的構(gòu)想及思路，互相碰撞、互相交流，最大化發(fā)揮平臺(tái)作用;(2)科研平臺(tái)。搭建科研平臺(tái)能夠創(chuàng)造并誘導(dǎo)出新的社會(huì)需求，通過需求來引導(dǎo)資金、技術(shù)的介入，從而促進(jìn)科研的進(jìn)步。(3)社會(huì)服務(wù)。學(xué)校不僅要履行好教書育人的職責(zé)，也要發(fā)揮好其在社會(huì)服務(wù)方面的職責(zé)，通過社會(huì)服務(wù)的導(dǎo)入，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外的優(yōu)點(diǎn)及不足，總結(jié)成果，改正問題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步和自籌資金，進(jìn)而不斷更新和發(fā)展。

3.2創(chuàng)新土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人才培育模式

現(xiàn)階段，各學(xué)校現(xiàn)有的資金、技術(shù)、平臺(tái)、設(shè)備很大程度上僅著眼于學(xué)校內(nèi)部的需求與服務(wù)，對校外需求重視不足，但通過建立開放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，不論校內(nèi)校外，都可享受開放式平臺(tái)帶來的資源共享、信息交流。學(xué)生通過平臺(tái)實(shí)時(shí)了解社會(huì)動(dòng)態(tài)與需求，社會(huì)通過平臺(tái)找到了解決問題的技術(shù)支持，并可在線獲得提升技能的資源，促進(jìn)了工程技術(shù)的革新與發(fā)展，縮短了理論與實(shí)際的距離，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)、共同進(jìn)步。

4結(jié)語

為更好服務(wù)于土木工程科學(xué)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)要求，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是有效手段。在土木工程專業(yè)課程教學(xué)體系中加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此打造虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建專業(yè)的新型虛擬仿真教學(xué)體系，借助現(xiàn)代信息化技術(shù)達(dá)到教學(xué)目的，真正做到與時(shí)俱進(jìn)。

作者:葛文杰 湯蓉 宋婉蓉 單位:揚(yáng)州大學(xué)