土木工程虚拟仿真实验实训平台建设的分析与思考*

2019-12-02周宇王文仲张忠武佳木斯大学黑龙江佳木斯154007

建材发展导向 2019年4期

周宇，王文仲，张忠武（佳木斯大学黑龙江佳木斯 154007）

0 引言

对学生而言，实验实训教学在培养其逻辑思维能力、创新精神、动手操作能力方面有着推动性作用，这是其他教学方式无法企及的。尤其是对土木工程专业而言，要想适应时代发展，必须要建设虚拟仿真实验实训平台，以此保证教学活动落实到位。而怎样充分发挥平台优势和作用，成为教育领域重点研究主题。

1 平台建设的目的及意义

现阶段，伴随我国经济的飞速发展和科学技术的不断创新，土木工程愈发呈现出结构种类繁杂、空间体量庞大、施工周期久、监管系统化的特点。在以往土木工程专业实践教学里，施工现场生产学习与认知学习，是一种花费一周时间观看构架组装、花费一年时间观看基坑施工的状态。加上过去的校内实验经常被技术水平和设施所限制，实验方式过于单调，内容空洞，知识衔接不连贯，展现出一隅之见的弊端，无法顺应现代建筑领域飞速发展对人才塑造提出的严格要求。亟需进行虚拟仿真实验实训，不断扩充此方面的教学资源，打造出和现实实验相辅相成、长处互补、虚实结合的土木工程实验实训平台，以解决现实实验教学过程中出现的各种问题。

所谓虚拟实验技术，是一种需要计算机支持的虚拟现实技术在实验教学运用的先进教学技术，采用计算机硬件与软件设施模拟现实实验的情境、仪器设施、试验现象、操作环节，能有效解决现实实验时间久、高危险性、材料损耗多等问题，开展低投入、24小时在线的土木工程实验实训教学。利用此技术建设虚拟仿真实验实训平台，能良好的处理教学过程中的不足，有利于学生塑造动手实践能力、创新认识、现代信息技术应用能力以及独立学习能力[1]。

2 平台建设的方法及实施途径

2.1 建设多层次立体化的虚拟仿真实验实训平台

通过构建此平台，为学生创造学习理论知识和提高操作水平的实验环境，全方位优化教学效果，开拓学生视野，提高创新精神。土木工程虚拟仿真实验实训课程和练习项目中包括了各种等级难度，从基础定义上升到探究创新；涵盖了各种知识寓意，如施工、管理、建筑等等；展现了各种实现形式，如动手实践、认知体验、创新设计等等。

2.2 利用科研基地完成科研成果向教学内容的转变

依靠我国专业科研基地，主动把科研队伍的探究项目转变成土木工程专业的教学内容，研发出虚实结合的综合工程练习项目，把仿真、虚拟、设计集成一体，让学生可以在此平台上进行施工、设计等一系列实验实训环节，推动科研和教学的完美融合，为培养新时代人才奠定良好基础。

2.3 校企协作建设与真实工程相关的虚拟仿真实验实训平台

学校要依靠当地企业，和其加强协作，把各大企业成功建设的土木工程项目转变成虚拟仿真的实验实训内容，让学生可利用此平台去亲自感受和操作工程建设过程中的各个流程，感受工程实践的必要性，为其将来能胜任工作岗位创造有利条件[2]。

2.4 有效运用校内实践教学基础

平台在优化虚拟仿真实验实训资源的过程中，必须要重视师资团队的建设与管理系统的完善。积极引进企业教师团队，保证实验实训指导与专业知识教学能有序进行，学校师资和企业资深员工互相配合，专兼融合，内外联系，不断把虚拟仿真技术和科研创新成果和实践教学进行有机结合。针对管理工作而言，则可创建三维开放化体系，即内容、时间与空间三大维度，从而满足学生的各种实际需求。

2.5 合理应用校内网络化基础

虚拟仿真实验实训平台，为学生们供应了多样性的项目便于其挑选，能真正实现资源共享，改善了传统专业实验的弊端，更有助于塑造其创新意识与创造力。安排课程时要结合土木工程专业系统化、模块化和层次化的特征，确保实验实训系统的关联性，以此开拓学生知识视野。这些实验和实训项目能把实验室与施工现场纷纷带进课堂，为学生们进一步感悟知识要点，凭自己操作完成繁杂性高、危险性大、专业性高的专业技能供应了一目了然的、现代化的练习平台。从而让实践和教学能充分融合在一起，对塑造综合素养较高的复合型人才有着重大意义。

2.6 土木工程虚拟仿真实验实训平台架构

2.6.1实验实训教学平台的构成

第一，情境建设模块。主要有真实感模型建设模块、虚拟环境建设模块以及3D模型引进接口。其中后者的作用是引进外界真实感模型，建设3D真实造型等；前者作用在于针对引进的3D模型展开真实感模型衬托。而虚拟环境建设主要是对地形、天空以及施工现场设备实体结构和施工情境进行布置。

第二，情境监管模块。重点控制虚拟环境、模型衬托、动态虚拟、漫游、视角等方面。其中模型衬托控制是按照实物的仿真数据，比如施工流程、状态等挑选衬托形式。环境衬托控制是按照提供的参数展开虚拟环境衬托，比如：天空、光照、施工情境以及地形等等。针对动态虚拟控制而言，是按照模型的行动信息展开动画衬托与动态模拟，例如塔吊的升降和旋转，要件的工序转变与汽车的运作等等。视角方面是指3D动态观看、不同视图阅览、窗口的缩小和放大等等。漫游方面则是根据固定线路转移视点，可以做到对模型进行不同视点的动态阅览。

第三，数据监管模块。完成平台对数据库的监管与访问，主要是用户权限分配、用户注册登录与认证、数据应用权限监管以及协同工作监管。其中协同工作监管是利用签入签出机制确保不同用户协同作用，以防数据并发应用。数据应用权限监管是按照用户分配的权限展开身份认证与状况反映，以防不良操作与越权操作[3]。

第四，交互模块。涵盖虚拟情境衬托结果的呈现、模型信息的呈现、情境建设和监管界面等等。

第五，对外接口。能和工程施工虚拟仿真体系展开信息沟通，此体系把进程数据与最终结果，利用接口传输到虚拟仿真平台上展开掌控与衬托，环境指数和情境模型数据同样能利用此接口传输到这一体系之中。

2.6.2 平台功能

一方面，教学功能。为有实验实训需求的土木工程专业课程提供支持，比如：资料式课件和流媒体、多媒体课件，教师能实时上传，学生能迅速搜寻。最关键的是，教师能在此平台上讲课，布置实验实训计划，留作业；学生则能参照课件展开自主学习，及时反馈教师传达的有效信息。实训功能。可展开人机交互与过程示范实验。有的实验必须要利用过程示范把其生动形象的呈现在学生眼前，让学生以三维动画模型的方式亲自实践，比如：围绕构造模型、剖析流程、数据处置、项目施工等进程展开各种视角的动态示范。此外，有的实验则必须要通过人机交互来实现，比如：结构参数运算，人工为系统添加需要的参数，让其能顺利进行实验工作，通过系统获得的结果有利于学生自学，进而达成实训目标。此模块伴随需求而逐渐优化，基于现阶段的仿真实验操作与实验示范，研究出更加合理的新功能，比如探讨、评优与预习评估等等[4]。

另一方面，远程教学功能。土木工程虚拟仿真实验实训教学体系是一个集远程观摩评价、远程实验实训互动、探讨、教学以及资源搜集和共享于一体的视频交流平台，把不同校区的实验实训结合在一起，让实验总控制室和实训点、试验室三方间能有效实现直播、点播与交互。通过相关软件拍摄教师讲课的PPT、视频展开互联网直播，画面资料会及时储存在服务器里，方便学生随时随地通过内网进行观看和学习。

还有一方面则是教学监管功能。利用此系统内的教学监管模块，能准确统计出总体教学网络里的所有实验数据。另外，还能展开学生实训报告监管、信息监管以及实训状况统计搜查等相关工作。

2.6.3中心资源分析

结合我国土木工程专业发展情况与现有专业模块种类考虑，可由专业模块课程与基础模块课程虚拟仿真实验实训两部分组成SETP。其中前者主要涵盖道桥工程、工程项目监管、地下和岩土构造工程、建筑构造工程等教学资源，为土木工程专业课程全方位锻炼提供服务。后者则主要涵盖力学和建材、土力学、房屋建筑学以及流体力学等仿真实验体系，为工程监管、环境工程、土木工程和建筑学等提供服务，实现基础课程的共享实训[5]。

2.6.4立体化的实训评价

所谓立体化的实训评价，具体是指针对不同方式的实训成果，各个方面的评价主体展开评判，重视实训进程与结果的全面审核。成果主要有工地影像、虚拟实训报告、小组现场实训报告等等。评价主体包括专业教师、学生、班级同学。对实习进程予以高度关注则是学生在实训中的各项表现均会在测评中有所展现。

与此同时，还要在虚拟仿真实训平台上实现师生有效互动，生生间互相分享学习心得和经验。不但有教师和个别学生、所有学生、小组成员之间的交流和互动，还要组和组之间的互动。加强学生对软件的使用，让其能在平台顺利完成学习任务，比如Ansys、Midas等等。