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摘要：開展虛擬仿真教學(xué)是國家教育信息化的具體體現(xiàn)，是未來高校實踐教學(xué)發(fā)展的必由之路。首先，本文總結(jié)土木工程專業(yè)課程相關(guān)教學(xué)實驗的特點，闡述進行虛擬仿真實驗平臺建設(shè)的必要性。其次，分析虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢及作用，并提出虛擬仿真實驗平臺用于土木專業(yè)教學(xué)的具體舉措。最后，闡述虛擬仿真教學(xué)存在的共性問題及解決策略，為今后高校土工工程專業(yè)課程開展虛擬仿真實驗平臺建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;教育信息化;土木工程;實踐教學(xué)

土木工程具有十分鮮明的行業(yè)背景和特點，隨著社會的發(fā)展和技術(shù)進步，工程結(jié)構(gòu)越來越大型化、復(fù)雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復(fù)雜的地鐵系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，滿足了人們的生活需求，同時也演變?yōu)樯鐣嵙Φ南笳鳌Ｔ谕聊竟こ虒I(yè)的人才培養(yǎng)中，實驗教學(xué)對學(xué)生實踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)占有非常重要地位，由于開展實習(xí)、實踐、實驗等教學(xué)活動所需場地、時間和經(jīng)費等諸多因素的制約，傳統(tǒng)的實驗形式單一、內(nèi)容較少、知識分散，不能很好地適應(yīng)工程建設(shè)快速發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的新要求，迫切需要開展虛擬仿真實驗，以彌補實體實驗教學(xué)的不足。同時，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以髙度重視”。為此教育部加強了對實驗教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，先后出臺《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《2017年教育信息化工作要點》《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》和《教育部關(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》等相關(guān)文件，旨在深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，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，其迫切性和重要性毋庸置疑。

一、土木工程專業(yè)實驗的特點

土木工程是基于實踐經(jīng)驗發(fā)展而來的學(xué)科，其核心課程如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》《橋梁工程》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理》《隧道工程》《基礎(chǔ)工程》《工程結(jié)構(gòu)抗震》等，所涉及的教學(xué)實驗普遍存在以下特點。

1.實驗構(gòu)件體量大、周期長

實體的房屋建筑、橋梁、隧道等工程，一般體量都很大，如高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻、大跨度橋梁的墩柱等，對這些大體量的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在實驗室完成其實體實驗幾乎是不可能的，同時，土木工程專業(yè)實驗還存在成本髙、實驗周期長等特點，如鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件實體實驗?zāi)Ｐ停瑥脑嚰O(shè)計，鋼筋下料、模板制作、混凝土澆筑、養(yǎng)護直至加載試驗不僅耗費大量資源，實驗周期也很長，制約了學(xué)生的全程直接參與。

2.實驗危險性高、消耗大

土木工程專業(yè)實驗一般都要進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞性實驗，而很多破壞性實驗都具有一定的突然性，實驗過程中的安全情況難以控制，特別是工程結(jié)構(gòu)抗震、抗火和抗風(fēng)等實體實驗項目，其危險性更高，加之實驗均為一次性破壞實驗，每次均要制作模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成實驗資源消耗較大。例如，地震模擬振動臺設(shè)備價值昂貴，實驗?zāi)Ｐ统杀靖摺①Y源消耗大；結(jié)構(gòu)抗火實體實驗除實驗條件限制外，實驗過程危險性高，資源消粍也大；風(fēng)洞實驗設(shè)備同樣昂貴，且利用率低，造成了極大浪費。這些都在一定程度上制約了實體實驗教學(xué)的開展。

3.缺乏全過程的實驗體驗

實驗教學(xué)課程一般包括試件設(shè)計、試件制作、實驗加載、實驗測試、數(shù)據(jù)處理，最后完成實驗報告。由于每項實驗學(xué)時及試件數(shù)量的限制，學(xué)生大多分為5～8人一組，每組負(fù)責(zé)一塊內(nèi)容，分工協(xié)作，以小組為單位共同完成，導(dǎo)致每個學(xué)生不能獨立系統(tǒng)地完成整個實驗工作，缺乏對試驗的整體認(rèn)知。

二、虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢及作用

1.虛擬仿真在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢

上述土木工程專業(yè)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在的不足，導(dǎo)致了學(xué)生專業(yè)理論學(xué)習(xí)和工程實踐能力培養(yǎng)的明顯不協(xié)調(diào)。虛擬仿真實驗是對真實實驗的重要補充，通過建立虛擬仿真實驗平臺，充分發(fā)揮仿真實驗教學(xué)的安全性、可重復(fù)性，學(xué)習(xí)時間和地域靈活性，節(jié)能綠色性，利用可視化的動態(tài)仿真幫助學(xué)生更直觀地認(rèn)識實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果，加深對理論知識的理解程度。以《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程為例，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，該課程針對“鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎實驗、斜截面受剪實驗以及鋼筋混凝土短柱偏心受壓實驗”等內(nèi)容，由于真實實驗滯后，多數(shù)情況下采用錄像視頻進行實驗教學(xué)，學(xué)生雖然在一定程度上理解了混凝土基本原理，但對混凝土基本構(gòu)件的受力性質(zhì)和破壞現(xiàn)象不能深入掌握。除此之外，該實驗屬破壞性實驗，實驗費用較高，危險性較大，且周期較長，實驗準(zhǔn)備工作煩瑣。例如，每組實驗時每個構(gòu)件成本約1000元，從材料準(zhǔn)備、澆筑到開始實驗至少需要一個月的時間，而且，從初始準(zhǔn)備到實驗實施粘貼應(yīng)變片，布置測試儀表，調(diào)整加載裝置，調(diào)試等過程，需要實驗輔助人員2～3天的時間，由于這些實體實驗存在的一系列問題，虛擬仿真實驗便展現(xiàn)了其先天的優(yōu)越性。基于虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生通過軟件操作，即可完成從試件設(shè)計到加載破壞整個實驗過程，內(nèi)容直觀形象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決了實物實驗消耗大，危險性高，過程不可逆等問題，滿足了新時代學(xué)生“求變求新”和“碎片化”的學(xué)習(xí)特點，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.虛擬仿真在土木工程教學(xué)中的作用

虛擬仿真實驗?zāi)軌蛴行д细黝悓嶒灲虒W(xué)資源，建立有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)體系，其構(gòu)建技術(shù)先進、功能集約、資源優(yōu)化、開放共享、運行高效、具有虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺和貼近實際、高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐創(chuàng)造了條件。它能夠推動信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)的高度融合，加強實驗教學(xué)資源、管理和支持服務(wù)的信息化建設(shè)，深入探索信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，在信息技術(shù)支撐下改革實驗教學(xué)模式與方法。緊密結(jié)合教學(xué)與科研，將科研理念、成果及方法融入實驗教學(xué)，提高學(xué)生的科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗具有經(jīng)濟省錢、生動直觀、安全可靠、情景再現(xiàn)、客觀真實等優(yōu)越性，真正實現(xiàn)了資源開放。因此，虛擬仿真實驗為我國土木工程實踐教學(xué)指明了方向。

三、虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學(xué)中的具體應(yīng)用

在教學(xué)方法上，依托網(wǎng)絡(luò)，借助網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，登錄虛擬仿真實驗平臺，點擊相應(yīng)的實驗項目，通過在線互動操作、答題等方式，完成實驗教學(xué)內(nèi)容。首先，學(xué)生認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書，了解實驗?zāi)康摹⒃囼炘硪约皩嶒灢襟E，進行實驗前預(yù)習(xí)。其次，教師通過虛擬仿真實驗平臺進行實驗內(nèi)容講解，并演示操作。再次，學(xué)生進行本次試驗的虛擬仿真實驗操作，通過虛擬仿真管理平臺上傳實驗報告，供教師審閱。在評價體系上，設(shè)置針對學(xué)生的考核模塊，在線測試，學(xué)生通過虛擬仿真實驗操作后，對實驗結(jié)果加以分析，對實驗效果加以評價；同時形成實驗報告上傳，任課教師對實驗報告進行批閱，就學(xué)生的實驗質(zhì)量進行評價，形成多層次、多角度的評價體系。在資源共享上，實踐教學(xué)仿真平臺整合虛擬教學(xué)資源，形成教、學(xué)、做、評一體化的教學(xué)軟件系統(tǒng)；教師可以輕松地安排教學(xué)內(nèi)容，掌控實驗過程，進行成績統(tǒng)計；學(xué)生可以不受時間空間限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動手操作實驗。不僅可滿足校內(nèi)學(xué)生的使用，還可滿足其他高校師生及行業(yè)人員需求。

四、存在的問題及建議

在教育信息化的大背景下，全國各高校普遍重視虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)，現(xiàn)針對虛擬仿真實驗平臺建設(shè)過程中的存在的幾個共性問題，提出相應(yīng)解決策略。

1.虛擬仿真教學(xué)資源不夠豐富

土木工程是一門實踐性較強的學(xué)科，課程所涉及的相關(guān)實驗較多，虛擬仿真實驗教學(xué)優(yōu)勢獨特，但前期投入較大，特別是內(nèi)容制作花費昂貴。各高校普遍面臨的問題是在資金限制下虛擬仿真實驗資源不夠豐富或后繼實驗內(nèi)容拓展不夠。針對此現(xiàn)象，首先，加大經(jīng)費投入，對已有虛擬仿真實驗平臺進行擴展，收集分析學(xué)生對已有實驗項目的反饋意見，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，拓展新的資源，使平臺成為一個體系完善的在線實驗教學(xué)資源。其次，在虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)過程中一定要堅持“應(yīng)用驅(qū)動、能實不虛”的原則，一些簡單重復(fù)實驗在正常實驗課就能完成，完全沒必要虛擬化。

2.虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容同質(zhì)化

很多高校的虛擬仿真實驗平臺教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)、同質(zhì)化現(xiàn)象。有效的解決策略是全國資源共享，打破各虛擬仿真教學(xué)中心間的壁壘，讓大家都能享受到虛擬仿真教學(xué)的好處。在更多高校、專業(yè)及年級對本虛擬仿真實驗教學(xué)項目進行推廣，與高校進行戰(zhàn)略合作，以資源互換、遠(yuǎn)程共享、合作共建等方式進行推廣，進一步延長開放時間，擴大開放范圍，最終實現(xiàn)全面免費開放共享。

五、結(jié)束語

開展虛擬仿真教學(xué)是未來高校實踐教學(xué)發(fā)展的必由之路，只要我們在土木工程專業(yè)理論和實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，積極建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，不斷推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目，探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)體系，必將助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，實現(xiàn)我國的高等教育強國夢。

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作者:展猛 王社良 單位:黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院