计算机虚拟仿真技术在本科实验教学中的应用

林向宇

摘要：伴随着第四次工业革命的到来，土木工程作为高等院校的重点学科，对新科技的运用也达到了一个前所未有的高度。由于土木工程实验教学是培养工程实践应用型人才的重要手段和载体，自然离不开计算机虚拟仿真技术的支持，本文就结合计算机虚拟仿真技术和土木工程类实验教学本身的特点，浅谈计算机虚拟仿真技术在土木工程类本科实验教学的重要性以及应用设想。

关键词：计算机;虚拟仿真技术;社会发展;土木工程;实验教学

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2019）01-0147-02

当前我国建筑行业发展迅猛，但传统土木工程教学的弊端逐渐显现出来，其中实验教学不能够全部实现，土木工程类学生实验经验少，创新能力较弱等问题更为显著[1]。计算机虚拟仿真技术作为一种新型的学习模式应运而生，它不仅打破了空间、时间、地域的限制，更为教育节约了成本，更具有安全性。实现教育的可持续发展。

1 计算机虚拟仿真技术

1.1 定义

计算机虚拟仿真技术就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，它是随着计算技术的发展而慢慢形成的，伴随着社会信息化的极速发展，计算机技术越来越娴熟，虚拟仿真技术逐步自成体系，成为人们认识自然界的一种新的方法，一种新型的技术[2]。计算机虚拟仿真技术又可以称为模拟技术或者虚拟现实技术。

1.2 计算机虚拟仿真技术基本特性

虚拟仿真技术有以下四个基本特性：感知性，虚拟仿真技术能够让使用者获得身临其境的多种感觉;交互性，虚拟仿真技术能够使环境与使用者互相作用，互相控制;虚幻性，虚拟仿真技术所模拟出来的环境既可以是真实存在的，也可以把人们设想的环境模拟出来;逼真性，虚拟仿真系统所虚拟的环境与现实客观环境十分相似，并且使用者作用于虚拟环境时，也符合客观世界的规律[3]。

2 土木工程类本科实验教学

土木工程，是建造各类土地工程设施的科学技术地统称。土木工程是除了房屋建设以外的设计、规划、安装、维护等各项技术的工程实体。土木工程现在是国家的支柱行产业，我们国家正处于现代化发展建设期，需要的科学技术人才也会逐渐增加。土木工程是涉及知识与技术是方方面面，影响土木工程的因素也非常的复杂多样。

土木工程本科实验教学，在中国各大高校中，设有土木工程本科的专业非常多，地域分布也比较广泛。其中实验教学是土木工程本科教学中的重中之重，原來土木工程科学教学重视理论教学为主，老师教，学生背，大部分的精力都放在考试上，以应付考试为主[4]。由于实验操作复杂，开支大，安排难度大，导致对实验教学不重视，导致学生经验积累少。随着国家的不断发展，土木工程的专业人员需求量的增加，要求土木工程专业知识的掌握，实践知识的运用要求越来越高。

3 虚拟仿真技术是土木工程实验教学的重要手段

随着我国建筑行业的高速发展，土木工程的专业人才需求量也与日俱增，高校的土木工程专业的规模也越来越大。截止到目前，我国开设土木工程专业的学校达到几百所，在校的土木工程的学生达到几十万人。

土木工程专业的实验综合性是非常强的，在普遍的实验教学中，实验室的建成，实验室设备的完善，所需要的设备大及昂贵，不仅成本高而且每年还要承担高昂的耗材费用，所需要的实验环境也较为恶劣，安全性低，高危险，而且许多实验的周期是非常长的，并且一些大型复杂的实验许多本科学生都是无法直接参与的。实验的形式单一，知识点不集中，许多土木工程的本科学生只能见到施工的一小部分，许多经典的建筑物都是无法通过实际操作亲自了解其整体的工艺技术的，这种培养土木工程人才的方式方法，与我们所需要的土木工程的技术人员的实际要求大相径庭。

随着科学技术地发展，逐渐出现了计算机虚拟仿真技术，通过此技术的不断完善，虚拟仿真技术被充分地运用到实验教学中来，填补高等学校土木工程学科中的不足，发挥了巨大的作用。计算机仿真技术教学利用计算机的虚拟情境，坚持“虚实结合，相互补充，能实不虚”的理念的原则[5]。利用“虚”的手段来达到“实”的目标。使全部的学生都能切身参与到实验教学中来，利用虚拟的实验手段，将土木工程的大型实验进行演示及其操作，并融入土木工程本科学生的课前预习、课后实践的环节中来。土木工程的学生可以亲自操作虚拟仪器，得到实验教学的直接感受，更加系统的了解实验原理、实验步骤、实验内容，深刻体会实验的意义，得到及时的实验反馈。有效的帮助学生建立起局部到整体的直观的感性认识，改变原有实验教学中走过场的现象，提高教学和研究的效率。

4 虚拟仿真技术在土木工程类实验教学中应用的目的

当今社会人才的培养必须与当今社会的时代背景相结合，土木工程实验教学中运用虚拟仿真技术就是将二者紧密地结合起来，并加强了学生理论与实际之间的联系，充分发挥学生的创新能力。把培养具有实际操作能力的土木工程的专业人才作为根本目标[6]。通过在土木工程实验教学中对虚拟仿真技术的大量运用，建立一套能够突出土木工程类专业特点的人才培养方案。建立一个新型的，具有自身教学特点的，具有多层次的，不受空间，时间限制的，课内课外协调发展的，以提高学生的实际操作能力为重点的人才培养体系。虚实结合的计算机虚拟仿真技术的运用让土木工程类的本科学生能够更好拥有敏锐的思维，开阔自己的视野。不断推进土木工程类实验教学的改革，为社会培养更多的优秀的土木工程的专业性人才。

5 虚拟仿真技术在土木工程类本科实验教学的应用的规划

计算机仿真技术在土木工程实验教学中的越用越来越为广泛，建设仿真实验教学中心也就成为必然产物。仿真实验教学中心的建立可实现土木工程本科生信息化资源共享[7]。虚拟仿真实验教学中心，任何时间都可以为实验者提供学习、研究的场所—虚拟实验室，满足了实验者学习的要求，同时不存在设备磨损，仪器故障等干扰，大大提高了学习研究的效率。人们慢慢认识到虚拟仿真技术实验中心在教育方面的价值，因此，建设仿真实验教学中心已然成为国家重视的项目之一。

5.1 “虚实”结合，加强实验教学平台建设

虚拟仿真技术在土木工程类的实验教学，主要分为两大类，一类是基础项课程，它主要包括房屋建筑、建筑施工技术等许多共享基础课的实训;一类是专业模块课程，它主要包括的是地基与基础、建筑结构等虚拟仿真教学。

“虚实”结合就是将土木工程的虚拟仿真技术试验教学与土木工程综合实训项目有机地结合起来，给土木工程的学生创造更多的动手实践的实验环境，使学生能将理论知识运用到实验中来，即加强了理论知识的理解、运用，又能全面体验实验结果，开阔学生的眼界。就现在而言，许多高校已经开始转变思路，对于土木工程的教学内容和教学方法已经有了很大的转变，不仅仅局限于书本、考试，而是将“虚实”结合起来，教学与虚拟仿真技术有机的结合，让学生可以根据实验平台完成实验环节，为培养高端人才提供重要的基础。

5.2 虚拟仿真实验教学中心建设理念

土木工程专业是一门实践性比较强，对于专业能力和实际操作能力比较高的专业，土木虚拟仿真教学中心在建设过程中要牢牢把握这一根本特点，把明确实体实验和虚拟实验整个主线贯穿于整个虚拟仿真平台规划的始终，以实验室建设实体为目标，虚拟为基本手段，相互结合，从而加强整个理论与实践动手的联系，从而让学生拥有更强的工程实践能力。

5.3 土木工程类虚拟仿真实验教学中心建设步骤

虚拟仿真实验教学在土木工程类的运用和开发上，始终坚持的基本思路——“重点开放、积极引进、软硬结合、适当超前”。虚拟仿真实验教学现在面向学生的开放模式主要有不限时开放、预约开放、全天开放，确保资源得到最大限度的利用[8]。土木工程类在运用虚拟仿真实验教学的时候主要选择实验难度大、实验费用高、实验场地不易选择、危险性高的项目为实验试点，同时也要引进国内外成熟的虚拟仿真实验教学系统，充分实现虚拟仿真实验的可操作性、真实性。

5.4 完善体系，建立土木工程虚拟仿真实验教学中心

各部门经过不断完善体系，加强平台建设，使得自身有力足够的能力建设虚拟仿真实验教学。土木工程类虚拟仿真实验教学中心要求我们要根据实际情况来聘请专业的教学名师，专业的教学团队，来充实我们的师资力量。同时我们还要引进土木工程类企业中的优秀者、佼佼者来加入我们的教师队伍，使得我们的虚拟仿真中心的教师校内师资力量与企业佼佼者，强强联合，为我们的土木工程的学生提供更为全面的教学，与此同时，土木工程的学生除了对所学知识进行虚拟仿真实验，还要多注重将专业的虚拟仿真成果运用的实验教学中。虚拟仿真实验中心的建成为我们土木工程专业的学生提供了更为丰富的实验项目选择，让学生身临其境地参与到实验当中，更有利于我们培养具有创新能力和创新精神的专业的土木工程人才[9]。

5.5 土木工程虚拟仿真实验教学中心建设的效果

虚拟仿真中心的建立，可以促使土木工程的学生更多地参与实验活动，实践能力也会大大提高，提高了学生自主学习的能力，也进一步地实现了我们所提倡的在实践中学习，在实践中成长的教学理念，实验教学的水平也在不断地提高，提高教学质量。

国家级虚拟仿真中心的成立，促进了高等院校实验教学管理体系的发展，进一步加强了资源共享，为学生到校外学习、参加实践等活动奠定了基础，拓宽了学生的专业视野，强化了工程素质的培养。大大提升了土木工程专业学生学习的积极性、创新性。

6 结束语

随着信息技术的不断深入和发展，以虚拟仿真技术为代表的计算机技术也逐渐进入学校，这也为学生充分运用高科技，推动技术的进步提供了很好的机会。在今后计算机仿真技术必将不断推进土木类实验教学的发展，将实际工程与仿真实验相结合，二者扬长避短，促使计算机虚拟仿真技术在培养创新型、实践型，专业型的土木工程人才上贡献一份力。

參考文献：

[1] 邓远美.培养制度人性化.多样化人才培养的必然选择[J].广西民族大学学报（哲学社会科学版），2007（6）.

[2] 郑超美.本科教育按大类招生及培养模式探析[J].重庆科技学院学报，2006（5）.

[3] 徐明，熊宏齐，吴刚.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：139-142.

[4] 张敬男，张廖忠.实验教学中虚拟仿真技术应用的研就[J].实验技术与管理 2012（12）：101-104.

[5] 唐艳芝.土建类专业教学中虚拟仿真技术的应用研究[J].2014（32）.

[6] 高职旅游类专业校企合作人才培养的应用与实践———以安徽工商职业学院旅游管理系为例[J].滁州学院学报，2013（1）.

[7] 黄波.仿真技术在课程教学中的应用[J].广东水利电力职业技术学院学报，2012（3）.