新工科背景下岩土工程虚拟教学模式探索与实践——以防灾减灾课程为例

朱 锐，刘 恒，周 峰

（南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 211816）

新工科背景下的高等工程教育数字化教学模式探索日趋深入，教育工作者们在科技应用与智慧教育方面双向赋能，逐步形成了一系列纲领性文件，为新工科教学模式创新指明了方向［1-2］。

防灾减灾教学对岩土工程专业的科研型、创新型、实践性人才培养至关重要。长期以来，我国岩土工程防灾减灾教学的自主创新能力薄弱，学生难以直观准确地领悟灾害的震撼力以及防治的紧迫性，教学模式的创造性不足导致整体教学质量下降，进而使得教学过程中师生双方主观能动性下降。在新工科背景下，岩土工程专业防灾减灾的强实验性、强实践性特点更为突出，如何让岩土工程防灾减灾教学更加具有生动性、先进性、创新性，从而在促进理论吸收、融合学科优势、创新减灾技术以及提升工程意识等方面全面提升，是岩土工程防灾减灾教学的一大难题。

鉴于此，本文以岩土工程防灾减灾教学模式为导向，从平台建设、模式优化、资源建设三方面探索虚拟教学特征、模式与体系，提出案例式、情境式、启发式的多维虚拟教学方法，形成线上线下融合、虚实结合、校企联动、团队分工的混合式虚拟教学手段，构建虚拟教学多元协同评价体系，为岩土工程防灾减灾教学模式创新发展提供参考。

一、虚拟教学的特点

虚拟仿真教学项目依托虚拟现实技术，将虚拟现实技术应用于岩土工程防灾减灾，可以达到沉浸式虚拟防灾减灾仿真教学的目的，即在三维虚拟仿真情境下培养学生观察、分析和判断各类灾害特征的能力，通过模拟操作在真正参加防灾减灾实践前掌握基本技能［3］。

岩土工程防灾减灾虚拟教学具有以下三个特点。

（一）虚拟教学的绝对安全

除理论教学外，传统岩土工程防灾减灾教学另一重要手段之一为实地调研。而重大工程灾害现场常存在可变性危险，实地调研过程常常伴有不可测的风险，虚拟教学则规避了因这一因素造成人员伤亡、资源损坏的可能性，师生可以随时随地进入虚拟教学平台开展相应实验与模拟。

（二）虚拟教学的时空优势

教师凭借虚拟教学可视化、生动性、交互性的特点，赋予生硬板正的数据信息理论“生命化”特征，使学生从不同的方向和角度感受认知复杂的环境，由此突破传统课堂教学的时空限制。

（三）虚拟教学的经济性

传统岩土工程防灾减灾教学的模型实验或现场实验耗费巨大，而虚拟教学可使得系列重大工程灾害演化过程多次甚至无限次重现，解决了传统岩土工程防灾减灾教学实验的痛点。在实验教学设备紧张、经费不足的情况下，虚拟教学更彰显出其“用武之地”。

二、虚拟教学模式探索

（一）平台建设

虚拟教学平台建设的主要目的，在于发挥虚拟仿真技术特征，实现教育资源共建共享，解决因岩土工程专业建设经费不足、资金短缺及开发技术能力有限，所造成的防灾减灾教学质量下降等系列问题。平台建设过程中，学院应实时响应建好虚拟共享平台，积极对接国家智慧教育平台。学院充分整合学校以及学院现有资源，整合岩土工程专业重大工程数字化资源，扎实打造适合教师教学、学生实践的高质量创新平台，并对现有的技术系统软硬件进行升级改造，建成与岩土工程防灾减灾教学资源相匹配的虚拟仿真教学平台，使实验虚拟教学效果最优化，以数字化智慧手段助力教学模式探索与创新。

（二）资源建设

虚拟教学的重要影响因素是其内在资源的建设。故虚拟教学资源建设，要结合学校的办学定位、办学特色和专业发展统筹安排，将虚拟仿真资源与岩土工程防灾减灾教学有机结合，构建功能集约、资源优化、充分开放、运作高效、人机交互的虚拟仿真教学资源库。在资源库建设过程中，师生应以岩土工程防灾减灾为导向，汇总岩土工程灾害案例相关素材，与专业虚拟仿真技术人员合作，建设虚拟仿真实景资源库，涵盖桩基工程、边坡工程、冻土工程等方面经典灾害事故案例，通过虚拟实景的主观感受促进对客观知识的深入理解，让师生适应新工科的教学发展理念，同时充分调动学生的学习积极性。

（三）实景实践

岩土工程防灾减灾教学具有理论更新快、实践性强等特点。教学模式应告别纯书本理论的传统教学模式，积极促成虚拟教学平台的建立，并发挥其“实景实践”的作用，借助虚拟仿真技术把工作重心放在模型实验与现场实验难以完成的演示性实验教学上。学生分小组进行岩土工程防灾减灾虚拟仿真学习，通过极具真实感和沉浸感的案例实景动态响应过程，加深对灾害实景相关结构位置及其空间毗邻关系的理解，进而从时空变化的角度明晰典型事故的灾变启动特征，通过交互式人机操作的方式探索关键参数对典型工程案例灾变的影响机制，使得岩土工程防灾减灾教学模式更加贴近工程实际情况。

三、多元化虚拟教学方法

（一）多维互动的案例式教学

在传统岩土工程防灾减灾教学中，教师往往单向输出理论知识，案例本身仅作为理论知识的一个输出载体，这并不符合新工科背景下教学改革的发展方向。多维互动的案例式教学即以学生为主体、教师为主导，案例则作为基础贯穿虚拟教学过程，使得过往的静态单向教学转变为基于虚拟仿真平台的动态互动教学。这种教学方法围绕防灾减灾虚拟教学主题设置基础理论讲授、虚拟资源学习、政策条例解读、师生研讨交流等系列教学模块，重构相关理论框架与教学体系，强化学生对虚拟教学内容的体验感和沉浸度，形成从细分的知识传授到综合性能力提升的多维互动虚拟教学实现路径。

（二）任务驱动的情境式教学

任务驱动的情境式教学，是充分利用任务驱使性来调动学生的主观能动性，融合认知活动和情感活动的教学方法。这种教学方法首先需创设真实任务情境，确立课程学习目标；随后，师生共同剖析任务需求，进而形成团队分工与合作，在此基础上，学生自主解决问题，教师给予必要的指导与帮助；最后，教师组织学生进行任务展示与成果总结。在任务驱动的情境式虚拟教学过程中，可设置选题与分组—分析问题和整理资料—虚拟仿真教学—灾害案例分析—考核评价的任务链。任务驱动的情境式教学应具有梯度性，任务设置应随教学过程动态调整，教学过程中教师应充当任务执行“引导者”的角色。

（三）问题导向的启发式教学

问题导向的启发式教学是一种强调学生为中心、教师为引导者的教学方法，遵循“问题—答案—讨论—新问题—讨论—总结”的主体教学模式。教师通过难度适中问题的设计、提出、讨论以及回答的过程，驾驭课堂并引导学生自我学习，用问题的出现与解决实现教学过程中的“启”与“发”。这种教学方法重在开放性的启发过程，有利于提高学生的主动性与创造性。在问题导向的启发式虚拟教学过程中，可以结合典型工程灾害案例虚拟资源，将重要知识节点以问题形式引出，创建“灵动式虚拟教学课堂”，破除传统课堂中“一言堂”的教学顽疾，实现虚拟教学生态的超越与虚拟课堂文化的重建。

四、混合式虚拟教学手段

（一）线上线下的融合式教学

线上线下的融合式虚拟教学通过整合线上教学与线下教学的特点，即融合虚拟教学资源与传统书本理论知识，形成全体系交互式教学新模式，实现教学深度与教学广度的融合拓展。目前，南京工业大学在线上线下的融合式教学方面已形成了一定的特色：（1）以疫情引发的线上教学新常态为契机，学校与学院层面积极推动软硬件升级，构建了面向未来的岩土工程防灾减灾融合式虚拟教学体系。（2）重建了岩土工程防灾减灾教学同步互动式虚拟课堂。师生可以在虚拟仿真平台上同步学习与实时交流，使之具备了物理空间与网络空间多维融合的形态特征。

（二）虚实结合的实验式教学

虚实结合的实验式教学，即借助虚拟仿真平台，开展系列岩土工程防灾减灾实验教学，实现传统线下实操实验与线上虚拟仿真实验的有机融合。教师首先将相关数字化材料通过虚拟仿真平台发布，学生在虚拟场景内完成防灾减灾实验内容的学习与云操作，加深对实验内涵的理解，随后转入线下实验室进行实操训练，达到提升综合实验能力的目的。虚实结合的实验式教学具备以下优点：（1）岩土工程防灾减灾实验不再受制于时空因素，在时间与空间上均得到了延伸；（2）对于一些存在可变性危险因素的环境灾害实验，可以以“虚”补“实”，解决了传统岩土工程防灾减灾系列实验的弊端；（3）用虚拟仿真实验替代传统线下实验，可以有效节约岩土工程实验教学资源，丰富绿色实验室的内涵。

（三）校企联动的实践式教学

校企联动的实践式教学是针对专业课程实践的侧重点差异，结合专业特色与行业需求，以校企联动的方式赋能虚拟教学，从而完善、丰富实践教学内容与模式。校企联动的实践式教学应注重两个方面：一方面是依托校企联动获取虚拟技术资源与优质实践项目；另一方面是依托校企联动开展对外交流、推广工作，进而共享教改成果、实验平台以及教学资源等。同时，教师应加强与行业领军企业的技术交流与项目合作，通过外部前瞻性的数字化技术优势，建全现有重大工程灾害案例虚拟资源库。在丰富资源库的过程中，学生可以充当实践者的角色，教师可以扮演教学者与校企联动桥梁的角色，企业则是协同育人的角色，以校企合作带动三方联融共赢，从而促进新工科实践性人才的培养与成长。

（四）团队分工的竞赛化教学

团队分工的竞赛化教学，即围绕团队竞争与合作共存的理念，主要以团队合作的形式完成虚拟课程的学习，辅之以团队竞争的形式促进虚拟教学成效递增，进而达到学生课程水平提升与教师教学质量提高的目标。这种教学手段的特征在于：（1）团队竞争与合作可以有效激发学生的积极性与好奇心，通过提升学生在虚拟教学过程中的参与度，生生之间形成利益共同体，利于学生主体意识的形成。（2）在虚拟教学过程中，团队的形成往往是以小组为单位，由此赋予了学生在组内的分工与目标。虚拟教学活动使得组员之间既是相互合作也是相互竞争，利于团队竞争合作意识的形成。（3）学生没有接触过实际工作岗位，虚拟教学可以显著提升学生的综合实践能力与社会适应能力，利于形成社会意识。

五、虚拟教学多元协同评价体系

虚拟教学评价体系要贯彻以学生为主体的教学设计思路，摒弃单一的虚拟教学评价体系，创建以教师引导、学生自评与互评为特色的虚拟教学多元协同评价体系。在岩土工程防灾减灾虚拟教学过程中，学生以小组为单位对岩土工程防灾减灾问题进行深入剖析，结束后小组间自评与互评。随后，各小组成员将自己负责的灾害案例分析结果上传至虚拟仿真平台，供其他小组成员学习与评价。最后，教师对每个学生在教学过程中的表现从多维度进行评价。

虚拟教学多元协同评价体系的主体是师生双方，其评价过程更为看重发展性和过程性，从而引导学生掌握良好的学习方法，深化学生对岩土工程防灾减灾的认知，培养学生的综合素质，实现多样化的考核方式。通过这一评价体系，师生、生生之间更显平等，不仅能发挥教师把控教学效果的作用，还能充分发挥学生的主观能动性，进而促进岩土工程防灾减灾虚拟教学的良性发展。

结语

新工科背景下岩土工程防灾减灾教学具有很强的实践性与经验性，必须突出数字化实践教学的特点。虚拟教学过程需从以建为主转为以用为主，从平台建设、资源建设、实景实践三个方面推进虚拟教学模式改革，通过多维互动式、任务驱动式、问题导向式的多维虚拟教学方法与线上线下融合、虚实结合、校企联动、团队分工的混合式虚拟教学手段，构建岩土工程防灾减灾虚拟教学新模式，创新发展虚拟教学多元协同评价体系，突出教学过程的案例性、情境性、启发性特征，引导学生发展高阶思维，形成良性的知识迁移，大幅提升师生在虚拟教学过程中的主观能动性，最终形成知识结构、教学素养、学术思想上的交叉复合效应，为岩土工程防灾减灾教学模式创新发展提供参考。