虚拟仿真试验对土木工程专业实践教学改革影响实证研究

王秀丽

吉林建筑大学 吉林长春 130118

土木工程包含基础建设的计划、建造和维修等，是建造各类土地工程设施的学科。土木工程学科具有很强的实践性，以培养具有理论知识、实践能力、协作能力和创新能力的“复合型”工程技术人才为目标。目前，土木类专业仍存在实验经费少、实验周期长，设备要求高、实验风险大等问题，导致部分实体实验在本科教学阶段难以有效开展。虚拟仿真实验具有学生自主设计、循环实验、机理可见、破坏可逆等实体实验不具备的优势，对于培养学生的专业素养、动手能力、团队精神等均具有重要意义。因此，通过虚拟仿真实验驱动土木工程专业的人才培养模式创新将会是教育信息化应用模式创新的重大突破[1]。

1 传统实验存在的问题

二维相似材料模拟实验是《矿山压力与岩层控制》课程理论学习的基础上，在实验室利用细砂、碳酸钙、石膏等材料，依据煤岩赋存状况，按照相似材料理论和相似准则制作模型，然后进行模拟开采，观测覆岩运动情况及支承压力变化等，从而反推该条件下现场岩层运移规律等。传统的二维相似材料模拟实验，存在实验不可重复性，实验周期较长，学生工作量大等缺点。而且课内实验学时较少，很难完成整个实验过程。为弥补上述不足，通过引入虚拟仿真技术，建立虚拟实验场景，可以在短时间内再现实验的全部过程，达到实验教学的目的。

2 虚拟仿真试验对土木工程专业实践教学改革影响实证研究

2.1 虚拟仿真实验教学项目建设方案

通过对建筑材料课程实验教学项目的梳理，确立以水泥性能及水泥混凝土综合性能实验和沥青混合料综合性能实验为核心的虚拟仿真实验教学项目建设方案。水泥性能及水泥混凝土综合性能实验虚拟仿真实验教学项目包括水泥性能实验（标准稠度用水量、凝结时间、安定性）和水泥混凝土抗压强度、抗折强度实验等项目。沥青混合料综合性能虚拟仿真实验教学项目包括沥青混合料试件成型、车辙试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验等项目。针对传统实验过程中操作耗时长、微观过程难以观测、操作复杂等问题，采用3D动画展示、交互性虚拟仿真操作、微观反应过程机理可视化等手段，让学生掌握水泥水化反应、水泥及水泥混凝土性能和沥青混合料性能的基础知识与实验基本操作，为学习水泥混凝土及沥青混合料综合性能打好基础。

2.2 虚拟仿真实验步骤及要求

学生交互性操作步骤说明：实验步骤1：装配模板，安装底部三块模板。实验步骤2：材料调配。按设计好的配比，分别称重沙子、碳酸钙、石膏、水等材料，然后进行混合搅拌。实验步骤3：铺设传感器。铺设第一层传感器，位于煤层下方。实验步骤4：铺设第一层砂浆。实验步骤5：将砂浆整平压实。实验步骤6：在第一层模型上均匀撒上一薄层云母粉。实验步骤7：铺设其他材料层。按第一层模型的铺设过程依次铺设其他层至整个模型成型，并在过程中按设计位置铺设好第二层传感器。将材料层铺设至最顶层。实验步骤8：将垫木置于模型上方。实验步骤9：运行监测软件DH3816N软件、WLS软件。实验步骤10：加载负荷。开启油泵电源，启动油泵；在WLS软件上加载负荷到参考值，然后停止加载负荷。实验步骤11：拆除模板。在模型上布设观测网格线。实验步骤12：模拟煤层开采。先开切眼，然后分七天开采完成；开采过程中分别观察并记录岩层出现垮塌、裂缝和弯曲下沉的情况。实验步骤13：卸载负荷。关闭DHA816N静态应变测试分析系统主机电源；在WLS软件上卸载负荷；在DH3816N软件中保存应力曲线；停止油泵、关闭油泵电源。实验步骤14：实验结论。标注三带范围，进行实验总结，至此实验结束[2]。

2.3 改革与创新课程考核方式

土木工程专业虚拟仿真实验可以设计操作步骤考核、互动测评、实验报告三位一体的课程考核评价体系。首先，基于实验课程教学大纲要求，对步骤操作的正确性、规范性进行评价。其次，负责教师可以对学生设计思路和实验效果提出建议，并可与学生进行线上评测与实时交流。最后，基于实验目的要求，提供试件设计、加载设计等模块，以实验报告作为评价学生实验教学效果的数据支撑。由此可知，虚拟仿真实验作为理论教学的重要辅助手段，有效解决了老师借助PPT、板书等手段讲解相应的专业知识时，学生无法具象化相应结构或实验过程的问题。通过合理的考核评价方式，引导学生完成发现问题、分析问题、自主设计、解决问题、课程评价的完整交互性操作闭环。

2.4 虚拟仿真实验教学项目推动创新人才培养

土木工程专业虚拟仿真实验可以解决土木工程专业实验“成本高、周期长、人员安全风险”等难题，遵从“虚实结合、能实不虚”的原则，具有“损伤可见、过程可逆、自主设计”等传统实验不具备的优势。以此为基础的土木工程创新人才培养模式的研究与实践则以培养学生的实践能力、协作能力和创新能力为出发点，力求实现人才培养的灵活化、信息化、智能化和现代化。同时，土木工程专业虚拟仿真实验的持续建设是推动创新人才培养高质量发展的重要力量，有利于高校为地方经济建设和社会的发展提供更为坚实的人才支撑[3]。

3 结语

虚拟仿真实验坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，以优化共享优质教学资源、服务专业实验教学为目标，以提高学生实践能力和创新精神为核心，依托学院实验教学示范中心的建设，将虚拟仿真实验与课程教学、大学生创新创业训练计划项目深度融合，使其成为创新创业教育体系的有机组成部分，在同类专业课程中有重要的示范作用和推广价值。