地方院校土木工程虚拟仿真中心建设实践

舒志乐，刘保县，魏于航

(西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610039)

·实验室建设与管理·

地方院校土木工程虚拟仿真中心建设实践

舒志乐，刘保县，魏于航

(西华大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610039)

土木工程实践教学是对理论教学的一种补充和延续，仅靠传统的教学方法和实验设备无法达到预期的教学质量。该文从实验交互平台及教学与管理方面详细介绍了土木工程虚拟仿真实验教学体系的构建，形成了独自特色的实验教学体系、实验教学方法、实验室管理模式，提高了教学能力，拓宽了实践范围，并提出了相应的可持续发展方案。实践证明，虚拟仿真实验却能弥补传统实验教学所无法解决的如实验构件庞大，项目施工周期长，难重复之类的问题。

土木工程；虚拟仿真实验；教学体系；可持续发展

土木工程是建立在工程实践基础之上的学科，实验教学是专业教育必不可少的环节，是理论教学的一种延续，学生通过亲历实验过程，能够将所学的专业知识化为实践技能。但传统实验受制于工程结构体量大(迪拜塔建筑高度超过800 m)、类型多、成本高(大型地震振动模拟台造价上亿元)，且施工过程周期长(普通的住宅楼施工工期大多也在一年以上)、难重复等特点，严重制约着实验教学的顺利开展和有限优质教学资源的共享。 1989年美国弗吉尼亚大学威廉·沃尔夫提出了除理论和实验之外的第3种设计手段和形式——虚拟仿真实验，虚拟仿真实验通过虚拟现实技术仿真或虚构某些情景能实现长周期、危险性大、材料消耗多等项目的虚拟实践教学，展示不可视的结构和原理，有效加强了学生的实践能力、综合应用能力和创新能力。且其具有投入成本低、交互性好、操作安全、高度开放和资源共享等特点，已逐步成为现实实验的完美补充和完善[1]。

1 土木工程虚拟仿真实验教学体系的构建思路

土木工程专业实践性强、工程能力培养要求高，一些理论知识概括抽象，其基本原理难以在现实世界直观展示；或是理论体系缜密，关系脉络复杂，学生缺乏对知识体系整体的构建能力；抑或是实验构件大及加载设备体量大，操作困难，实验环境恶劣，缺乏让学生动手实践的条件。为有效解决抽象理论与学生工程化培养的矛盾，提高实验的安全性和实训效果，以网络、BIM技术、数据库和虚拟现实技术构建具有高度直观性、真实感和精确性的虚拟仿真平台有着其他教学环节所不能替代的独特作用。西华大学土木工程虚拟仿真中心秉承“科学规划，虚实结合，积极引进，重点突出，适当超前，持续发展”的建设理念，以促进学生创新能力和实践能力培养为宗旨，遵循土木工程类各学科专业教学规律和要求，择优选择实验难度大、实验环境恶劣、专业理论性强的实验项目，以建设信息化实验教学资源为重点，以创新性工程应用与研究型土木工程专业人才培养为根本，整合校内、校际、校企优质虚拟实验教学资源，构建大平台、大数据、跨专业共建、多学科协同创新的一体化实验中心设计框架，系统规划了“验证性实验”“综合、设计性实验”和“自主创新”3个层次的虚拟仿真实验教学资源，分设“建筑工程虚拟设计与建造虚拟仿真实验模块”“道路与桥梁工程虚拟设计与建造实验模块”“岩土与地下结构虚拟仿真实验模块”和“市政工程虚拟仿真实验模块”4个教学模块，分别从“理论教学”“实践教学”和“科研运用”3个方面，对学生进行课程教学，最大程度培养学生的创新能力，如图1所示。实现信息共享、数据互通、教学创新、技术领先、人才培养等目的，打造高水平实验教学和管理队伍，探索虚拟仿真实验教学保障机制和教学效果考核、评价、反馈机制，建成“大土木”特色鲜明的土木虚拟仿真实验教学中心，实现优质实验教学资源的高度共享，为土木工程人才培养质量的持续提升提供坚实保障[2]。

图1 土木工程虚拟仿真实验教学体系框架图

2 土木工程虚拟仿真实验教学体系的构建

2.1 以专业软件为支撑的实验项目交互平台的构建

以专业软件为支撑的项目交互平台主要涉及土木工程、给排水科学与工程、建筑环境与能源工程应用、风景园林、工程造价和工程管理6个专业的虚拟仿真实验教学任务。平台着眼于绿色产业现代化，以绿色建筑、建筑信息化、新型工业化等技术为向导，以促进学生创新能力和实践能力培养为宗旨，遵循土建类各学科专业教学规律和要求，内容涵盖4大模块，且每个模块下均设有子模块，构成完整的土木工程虚拟仿真实验教学体系[3]。

1)建筑工程虚拟设计与建造虚拟仿真实验模块。

该模块包含混凝土结构设计原理、工程测量实验、工程结构抗震与防灾、结构力学、土木工程材料和工程项目管理等课程，以PKPM、SAP2000、MIDAS、ANSYS、结构力学求解器及自主研发的结构拓扑优化等专业软件为基础，结合Revit、Naviswork、工程造价软件、项目管理等软件系统与中心自主建设的实验资源构建而成，其下设的子模块及其所设置的实验项目详细如图2所示[4]。工程测量仿真平台能模拟各种场地条件，能模拟场地平整、施工放样、竣工验收等多个环节，逼真地展现了工程测量课程中主要实验项目的操作过程。结构设计平台从概念设计到虚拟仿真计算，并根据计算结果对概念设计进行优化，加强对结构整体受力特性的把握，不断提高学生比较、观察和综合分析问题的能力。土木工程施工及项目管理平台改变了传统的实验教学模式，仿真模拟建筑工程施工全过程，特别是施工周期长、难度大、隐蔽性高的项目过程。

图2 建筑工程虚拟设计与建造虚拟仿真实验模块的组成

2)道路与桥梁工程虚拟设计与建造实验模块。

该模块主要包括公路勘测设计、城市道路设计、桥梁工程、土木工程施工、桥梁结构抗震与防灾、工程项目管理等课程，以BridgeMaster、Dr.Bridge、MIDAS、ANSYS等专业软件为基础，以图库管理和工程数据管理两个模块为核心，由地形图处理、路线设计、交叉设计、工程结构物设计、工程量统计模块、图表生成与管理等组成，如图3所示。道路勘测设计平台将地形、地质资料集成为数字化、一体化、可视化界面，根据规范符合性检验和方案合理性分析等测试结果，在众多个比选方案中选择出最优的方案，并可同步生成三维可视化的模型效果，给学生带来“身临其境”的感觉。施工平台可以让学生对暗浜处理、水泥稳定碎石施工、沥青混凝土施工和井道路附属结构施工、桥面铺装层施工有较为深入的认识，在虚拟环境中操作可直观全面掌握施工过程，对墩台、板梁、路基防护与支挡、沥青混凝土路面和路桥附属结构施工过程有较为清楚的认识，为后续参加相关的课程理论学习和实践学习打下坚实的基础[5]。

图3 道路与桥梁工程虚拟设计与建造实验模块的组成

3)岩土与地下结构虚拟仿真实验模块。

该模块主要包括土力学、基础工程、原位测试与监测、地下结构设计原理、地下工程施工等课程。用计算机模拟的智能仪器代替构件大、成本高、易损坏、难重复的试验仪器，通过虚拟仪器来代替常规的、扩展的仪器的功能，基于虚拟现实思想开发三轴试验仪器，利用基于参数化的动态实时仿真过程来演示土木工程施工过程和工程建设项目管理过程等，如图4所示。使学生能够更加有效地把控整个项目实施流程，并可以实时调整项目参数，将理论知识与项目操作实时结合起来[6]。

图4 岩土与地下结构虚拟仿真实验模块的组成

4)市政工程虚拟仿真实验模块。

该模块主要包括空气调节、制冷技术、建筑环境学、给排水工程等课程，由CFD模拟软件(Fluent及FDS)、能耗分析及采光软件Designbuilder、系统动态仿真模拟软件Trnsys组成，如图5所示，不仅可以让学生更多的了解建筑微气候，空调系统的运行状况，掌握相关的专业软件的应用技能，对绿色建筑有更直观的认识，还能对自己在未来工作中扮演的角色有更深刻的理解[7]。

图5 市政工程虚拟仿真实验模块的组成

2.2 实验教学与管理平台的构建

2.2.1 虚拟仿真实验教学队伍的搭建

2.2.2 虚拟仿真实验教学中心的管理体系

1)组织建设。

虚拟仿真实验教学平台的运行离不开一个好的管理体系，本文将此平台模式分为校、院两级，如图6所示。学校资产与设备管理处负责常规业务，同时对平台进行宏观指导等。建筑与土木工程学院负责人事，行政管理，教学计划制定并对各项计划进行定期考核等。仿真实验教学平台中心在完成自身规划发展同时，还应包括制定近期教学任务、长期发展计划等，同时负责自身师资力量建设。教学中心工作人员均需通过公开招聘上岗，择优录用。组建专门的管理会，对中心实验教学项目开展进度，新的创新项目组织规划，实验设备仪器建设等事项等情况进行监督考核[9]。

图6 土木工程虚拟仿真实验教学中心管理模式

2)制度建设。

实验中心应根据国家相关部门指导规则制定一系列除了教学质量，还要针对实验教学中心的环境与安全、仪器设备的维修、报废等管理制度，使教学中心不仅在教学质量上越来越高，同时在制度建设上也要做到有章可循，越来越规范化和科学化。

3)管理规范建设。

为落实教学中心管理规章的执行效果，首先需设立教学监督组，同时制定针对教学体系和教师质量详细的考评办法，形成一套完善的教学质量监督体系[10]。

教学监督组由在职教师或有相关工作经验教师组成，负责对教学质量的监督，可以现场征求教师及学生对教学体系，教学方法等工作的看法，并形成报告，最后可对报告相应情况提出评价和意见。教学考评，主要是明确各个岗位的职责和目标，要求对所以岗位工作人员都要进行年考制度。教师测评制度主要包括教师互相听课、定期抽查、期末总结和教学反馈等。年终由监督组对全体教师及工作人员进行年终考核，对优秀工作者进行评优奖励。

3 土木工程虚拟仿真实验教学体系的可持续发展

3.1 加强实验项目交互平台的创新建设

以专业软件为主的实验项目交互平台作为土木工程虚拟仿真实验教学体系的载体，是该教学体系得以可持续发展的根本。故若要实现教学体系的可持续发展，则必须时刻保持该交互平台的与时俱进，从软硬件设施、功能、内容等各方面加强创新性建设。具体可从以下3个方面着手。

1)拓展实验内容。

在现有的实验项目基础上，根据自身特点和条件，创新和完善实验教学内容，保证实验教学课程的全面性和与时俱进。

2)加强资源的自主研究与创新建设。

如今高校实验教学资源匮乏，教学资源渠道主要来源于市场购买，这对教学目标所倡导的长期发展存在着一定的差异，所以需要加强对教学资源的自主研发和创新，丰富教学内容，提升自身水平，做到从源头的可持续发展。

3)增强校企合作。

发挥学校学科专业优势，建立校企联合培养体，探索与土建行业信息化软件标杆企业、设计标杆企业和施工标杆企业的合作，提供更多的教学途径和方式。积极寻找更高效的校企可持续合作模式，充分利用企业平台和教学资源，最终达到提高教学能力，拓宽实践范围。

3.2 深化资源共享的建设

要使得虚拟仿真实验教学体系得到更长久的发展，并最大限度地发挥其在教学上的作用，实现可持续发展，则必须加强各个地区高校之间的资源交流，建立一个可以实现资源共享和共同管理的教学平台，真正地实现资源共享，满足虚拟仿真教学体系建设的各方面对理论、软件和仪器等的需求。

1)提高资源建设的协调与协作。

目前，我国资源评价与协调体系缺乏，使得高校之间没有更多的交流平台和体系，据有关资料显示，很多高校存在着教学机制不完善，教学质量达不到仿真实验教学要求的现象，相互之间缺乏协调与交流，这又造成了重复建设、创新点少、进步较慢的现象。故建立高效的互助协作管理机制，是提高资源建设的协调与协作，加快资源转换效率的有效途径。

2)构建统一的技术标准和规范要求。

目前虚拟仿真实验教学管理体系上没有统一的标准，其中的组织构架、项目模块等均有各个的特点，相互对接存在障碍。这对各高校之间的资源共享铸成了一道难以突破的屏障，从而导致资源无法最大限度地实现共享，间接导致了资源的重复建设及资源的浪费，故建立资源开发和开放统一标准是实现资源共享及虚拟仿真实验教学可持续发展的一项基础性建设工程。

3)加强行业内高校间资源共享。

地方院校缺乏虚拟仿真教学中心建设和管理经验，可以与已经发展成熟的虚拟仿真教学中心院校(如北京邮电大学、天津大学等)建立长期合作项目(如参加并积极主办教学研讨会，邀请国内外专家参加本中心示范教学，开放本中心研究成果和精品教学资源等)[11]。

4)加强社会资源共享。

对行业内相关专业集团公司开放共享资源学习，提供职工教学培训，并可对集团公司项目建设提供技术支持。对同等发展中院校提供相应的参观交流，以及师资队伍培训，开放学术研究成果。

3.3 加强保障性资源的建设

虚拟仿真实验教学的运行离不开好的管理机制作为其得以施行的保障，故若需实现教学体系的可持续发展就必须不断加强对管理平台的建设，还需要对资源管理体系进行不断优化。

要实现虚拟仿真实验教学的可持续发展，其中对外教学资源共享是关键的一步，而一个强大的资源共享平台不仅需要资金的投入，还需要维护和发展人员作为人才保障。故在此基础上还要建立相应的经费和人员机制，尽最大可能利用社会资源、社会服务、高校资源，共同发展教学体制的建设。

4 虚拟仿真实验教学中心特色与创新

西华大学虚拟仿真实验教学中心在建设发展过程中，通过不断的探索和完善，形成了独自特色的实验教学体系、实验教学方法、实验室管理模式，具体体现在以下4个方面。

1)构建了多专业、多层次的虚拟仿真教学模块，适应不同专业、不同层次人才培养需要。

2)构建了新型完整的建筑与土木工程专业虚拟仿真实验教学模式，如BIM实验室教学。

3)构建了“开放式、创新型”的虚拟仿真实验教学平台。

4)实验中心充分利用学院科研条件，在科教融合方面形成了自身的特色。中心建立教学与科研互补共享机制，形成虚拟仿真教研共享平台。

5 结束语

土木工程虚拟仿真实验教学体系可承担土木工程及相关6个专业的实验教学任务，内容涵盖建筑工程虚拟设计与建造、道路与桥梁工程、岩土与地下工程、市政工程4大模块。但现行的土木工程虚拟仿真实验教学仍处于起步阶段，尚需在建设过程中发现问题，深入思考，积极探索，方可不断推进虚拟仿真实验教学体系的可持续发展。

[1]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].[2016-02-11].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/ 201506/t20150618_190671.html.

[2]李萍，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-825.

[3]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[4]冯峰，孙聪，曲先强.船海虚拟仿真实验教学中心的建设与发展[J].实验技术与管理，2014，31(12):11-14.

[5]李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，31(2):5-8.

[6]蒲丹，周舟，任安杰.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建 设 经 验 初 探[J].实验 技 术 与 管 理，2014，31(3):5-8.

[7]许秀云，张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索，2011，30(5)：130-132.

[8]黄金鲁克.2013 地平线报告：信息技术挑战催生高教变革[N].中国教育报，2013-05-10(2).

[9]吴世华，杨光明，王秋长，等.加强实验教学示范中心建设，提高人才培养质量[J].实验技术与管理，2012，29(1):4-6.

[10]王基生，于平太，李莹.虚拟实验平台开发和应用的理性思考[J].现代教育技术，2010(2)：136-139.

[11]马文顶,吴作武,万志军,等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理,2014(9):14-18.

ConstructionPracticeofVirtualSimulationCenterofCivilEngineeringinLocalCollegesandUniversities

SHU Zhile,LIU Baoxian ,WEI Yuhang

(Architectural and Civil Engineering of XHU University，Chengdu 610039,China)

The practice teaching of civil engineering is a supplement and continuation of theoretical teaching，experimental teaching is a necessary means to combine theory with practice，relying on traditional teaching methods and experimental equipment can not achieve the expected quality of teaching.This paper introduces the construction of virtual simulation experiment system of civil engineering from experimental interactive platform and teaching and management.Formed a unique experimental teaching system，experimental teaching methods，laboratory management model，improve the teaching ability，broaden the scope of practice，and put forward the corresponding sustainable development program.The virtual simulation experiment can make up for the problems that the traditional experiment teaching can’t solve，such as the huge experimental components，the project construction period is long，difficult to repeat the problem.

civil engineering;virtual simulation experiment;teaching system；sustainable development

2016-03-16；修改日期:2016-05-18

四川省教育厅教改项目(05020670)；西华大学“教学师资支持计划(21050013)。

舒志乐(1976-)，男，博士，副教授，主要从事土木工程方面的教学与研究。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.040