土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建

赵群

（吉林大学，吉林 长春 130000）

虚拟仿真，别称为模拟技术，是主要依托于信息技术、互联网技术、电子信息技术、数据库等构建形成的一种仿真虚拟系统。仿真虚拟系统中，用户可通过视觉、听觉等感官系统体验虚拟的真实世界。智能化时代，虚拟仿真技术在土木工程实验教育教学中的应用有效弥补了传统实验教学不足，大幅提高了土木工程实验教学质量。土木工程实验教学特定鲜明，与人们日常生活息息相关，而又无法真正深入到生活实际。其弊端在于土木工程科学严谨，实践教学的不成熟性对土木工程的开展存在一定干扰[1]，同时也不能达到实验教学目的。基于现实实验教学需要，土木工程虚拟仿真实验教学体系走进大众事业，成为现阶段中国土木工程实验教学重点探索内容。

1 土木工程虚拟仿真实验教学现状分析

模拟仿真技术应用起源于西方国家，最早用以探究军事作战，通过军事作战模拟提升国防力量。伴随科技发展，模拟仿真技术逐渐融合到各个领域。目前，在全球范围内，模拟仿真技术已被广泛应用于医学、土木工程、信息技术、教育教学等系统。在教育系统，土木工程虚拟仿真实验教学的应用，能够有效培养学生应用、实践、创新等能力，是新工科背景下培养学生综合素养的重要教学方法之一[2]。虚拟仿真技术在土木工程实验教学中的应用旨在弥补传统教学不足，利用线上线下结合、虚拟现实结合、跨学科交融、行业协同、校际交流等方式，加强土木工程实验教学师资力量，提高土木工程实验教学质量，保证应用型人才的培养质量，为社会输出有用人才。同时，利用科技探究前沿技术反哺社会，做到科技创新与应用协同发展。对于土木工程虚拟仿真实验教学目的及愿景，土木工程虚拟仿真实验教学开展意义重大[3]。但从土木工程虚拟仿真实验教学现状分析，土木工程虚拟仿真实验教学尚处于探索阶段，且存在诸多不足。

1.1 土木工程虚拟仿真实验教学体系尚处于探索阶段

在中国，虚拟仿真实验教学项目开始于2018年。教育部为深入学习贯彻党的十九大精神，适应信息化时代背景下知识获取方式和传授的方式，深化信息技术与教育教学的深度融合，决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作。截至2019年，教育部先后认定了296个虚拟仿真实验教学项目。虽然，从国家级虚拟仿真实验教学项目看，中国目前已经存在近300个虚拟仿真实验教学项目，但从虚拟仿真实验教学项目开展情况看，中国虚拟仿真实验教学仍处于初级阶段。

1.2 技术体系搭建不成熟

分析土木工程虚拟仿真实验建设目标发现，土木工程模拟仿真实验体系的构建应充分融合行业、学校及其他学科。做好全面连横，学科交叉，以满足土木工程大类下各领域人才培养需要。但从目前中国土木工程虚拟仿真实验建设情况看，中国土木工程虚拟仿真实验教学各有千秋。如浙江大学土建类虚拟仿真实验中心主要包括工程设计于施工、工程力学基础、工程防灾与检测、工程规划与管理以及创新设计等。而西安建筑科技大学生虚拟仿真实验教学主要包含建筑工程、道路与桥梁、土木施工与管理、建筑工程及建筑职能信息技术5个虚拟仿真实验模块。相类似的，中国其他土木工程类等虚拟仿真实验教学包括内容同样不同，包括中国农业大学的水利工程、土木、农建虚拟仿实验教学模块。不同学校覆盖模块不同，不同模块间虽紧密相关，但均不能全面覆盖土木工程大类。此外，分析现今虚拟仿真实验教学软件发现，高校之间的土木工程虚拟仿真实验教学软件版本存在差异，导致高校间无法进行教学交流[4]，学生无法系统地学习知识。

1.3 虚拟仿真实验教学应用有限

体系构建等方面不成熟导致土木工程虚拟实验教学无法深入开展。现今，全球人才培养更重视实践环节。尤其对于土木工程这类实践性、专业性较强的学科，更需要以实践为主导，培养学生具备土木工程规划、设计、研究、施工、管理的基本能力。但从中国高校土木工程虚拟仿真实验教学看，中国高校土木工程虚拟仿真实验教学比例较小。没有以虚拟仿真实验教学为主，没有将理论与实践相结合，应逐步提升虚拟仿真实验教学比例[5]。很多高校土木工程虚拟仿真实验教学仍停留在基础实验教学上，传统实验教学的微弱延伸使虚拟实验教学全面培养学生创新能力的作用发挥有限。

2 土木工程虚拟仿真实验教学体系构建路径

开展国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作的深化和拓展，突出以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、持续改进的实验体系和科技创新的实验教学效果。

2.1 优化土木工程虚拟仿真实验教学

2.1.1 提升土木工程虚拟实验教学比例

新时代，土木工程教学应将重心逐渐转移到实验教学中。利用虚拟仿真实验教学，帮助学生切实体验在土木工程实践中如何进行工程设计、施工及管理，如何在工程施工中有效分析建筑结构受力性能，包括利用分析软件分析结构有限元理论、设计破坏系统等。利用虚拟仿真实验软件、系统、数据、技术，从实践角度开展课程教学。打造理论与实践相结合，而又侧重实践的新工科专业课程。

2.1.2 创新实验教学方式方法

土木工程虚拟仿真实验教学突出以学生为中心，鼓励学生个性化发展，培养学生的创新能力、实践能力、工程统筹能力、管理及相关专业能力。因此，基于信息技术、模拟仿真技术支持的土木工程虚拟仿真实验教学应在教学方式方法方面进行创新。以学生为中心，提升学生综合素养。

虚拟仿真实验室开放化。虚拟仿真实验室的开放时间、空间、实验设备等应自由。与此同时，鼓励学生进行自主立项，自主开展实验探究。在学生进行实验项目探究时，给予足够的支持。必要情况下，可联合社会组织给予资金、材料等方面的支持，以协助学生自主开展实验及项目探究。

开展多级课题研究活动。邀请学生参与课题研究，允许学生发表意见。在课题立项、开展、研究、结项过程中，给予学生决策权，对具有探究意义的课题意见进行采纳。给学生自主设计、自行实验的机会，发挥学生主体作用。

线上与线下教学相结合。目前，全球已有多所知名高等院校相继增设了虚拟仿真实验实践教学内容，其主要形式包括个性化自主实验、远程交互实验及移动断交互实验。而中国基于国际在线教育发展需求，同样鼓励高等院校开展“慕课”与虚拟仿真实验教学项目相结合的网络开放课程。这使得全球范围内教育资源实现了共享，为土木工程方向学生提供了大量实验项目[6]。线上与线上结合的虚拟仿真实验教学项目使土木工程课程传统课堂成为理论构想实验室，而虚拟仿真实验成为了施工现场。通过虚拟仿真实验，学生可完成复杂性高、专业性强、危险性高的实验，进而体验到工程生产实践的全过程，大幅推进了土木工程专业“卓越工程师”培养进程[7]。

2.1.3 创新实验教学设计

土木工程虚拟仿真实验体系构建中，应准确适宜地设计实验内容，深入掌握虚拟仿真实验的优势及不足。充分利用虚拟仿真实验弥补土木工程的实践优势，设计实验课程。例如，设定极限参数设计破坏性实验，通过破坏性实验结果帮助学生了解实验对象的损伤及破坏程度。

伴随着科技的发展，可通过参数设定和条件约束得出不同的土木工程虚拟仿真实验结果。因此，土木工程虚拟仿真实验设计同样可增加探索性实验内容[8]。在设定探索性实验内容时，一旦出现错误或实现设定不允许发生的情况，系统将强制终止实验或报错。在培养学生创新能力的同时，培养学生的严谨性。

2.2 虚拟仿真实验教学体系构建模式

虚拟仿真实验构建模式探索如图1所示。吉林大学虚拟仿真实验教学体系的搭建基于新工科发展，创新科技人才培养需要、土木工程虚拟仿真实验教学行业环境，设定了虚拟仿真实验教学目标。并结合土木工程传统教学内容，对土木工程虚拟仿真实验体系进行模块划分，包括基础课程模块、专业课程模块和创新模块。最后构建出完整全面的虚拟仿真实验教学体系，以虚拟仿真实验教学形式呈现，包括基础课程虚拟仿真实验、专业课程虚拟仿真实验、自主创新课程虚拟仿真实验、产教研协同创新虚拟仿真实验、本校特色（探索）虚拟仿真实验。在此基础上，采用多元创新的教学模式培养学生的创新创业能力，提高学生学习兴趣，提升学生的实践能力和综合素养，促进学生个性化发展。

图1 虚拟仿真实验构建模式探索图

2.3 产教研协同探索新技术

虚拟仿真实验教学不仅可提高学生的创新能力，同样可在解决实际问题的基础上为社会贡献科技创新力量。基于此，土木工程虚拟仿真实验教学可协同企业探究科技创新、共同开展。在校企联合中，将国家重大工程项目模拟仿真成虚拟土木工程实验[9]。构建虚拟仿真工程情景，解决工程问题，学习工程知识，完成虚拟仿真工程实验项目设计和管理。依托企业工程研究中心、科技创新实验室，利用科技创新手段，将科技创新成果向虚拟仿真实验转变，以扩大学生学习范围，拓宽学生科技创新视野[10]。

此外，应聚焦目标，整合虚拟仿真实验技术，进行科学研究，协同探索创新工程技术，解决重大工程问题。发挥虚拟仿真实验教学的前瞻性、专业性、创新性、发展性优势和实际作用。

3 结束语

土木工程虚拟仿真实验教学体系的探索与构建是具有现实意义的教育课题，是符合时代发展需要的科技创新课题，是具有里程碑式的具有时代标志性的教学科技创新课题。土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建课题研究值得引起工科教育工作者、工程领域工作者的高度重视，以在日后工科育人、工程科技创新实践中，不断提升科技水平。

新时代，基于信息科技的优势，充分利用土木工程虚拟仿真实验教学探索科技创新，培养学生的创新能力、自主学习能力，促进学生个性化发展已势在必行。这也是中国国家战略规划对工程人才培养提出的要求，对于中国实行科教兴国、培养创新型人才具有重大意义。