新工科背景下土木类专业核心课程虚拟仿真实验探索研究

王英杰　孙玉周　边亚东

摘 要：在新工科理念指导下，促进理论教学与实践教学的进一步融合是教育教学改革的重要方向。在土木工程专业的人才培养过程中，课程理论教学团队与实践教学指导团队紧密合作，针对现场实验实验周期长、成本高、场地要求高以及操作难度大等问题，构建开发了虚拟仿真实验系统。通过虚拟仿真实验操作实践，学生得以真正掌握土工合成材料的适用范围和使用方法，培养了学生独立解决工程实际问题的能力。同时，实现了过程性考核与结果性考核相结合的教学目标，达到了开展虚拟仿真实验的预期目标。

关键词：新工科；土木类；虚拟仿真；土工合成材料；土木工程施工

土工合成材料在国际上被称为继钢材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”，主要包括土工格栅、土工格室、土工布、土工膜、土工网、土工保温材料及其相关土工复合材料等。在实际工程应用中，土工合成材料的应用领域广泛，如软土地基加固、旧路堤加宽、堤坝边坡加筋和加筋挡土墙等，具有提高路基路堤承载力、降低路基厚度、河流边坡防护、隔离防水防渗、集水排水以及延长基层结构使用寿命等作用。

一、土工合成材料应用及实验教学现状

目前，土工合成材料已被广泛应用于各类岩土工程和大量的水利及堤防工程中。在土工合成材料的实验教学中，能够进行的室内实验只有样品测重、垂直渗透率测定、抗剪切实验、抗拉伸实验以及摩擦实验等，这些实验均是研究材料试样的基本物理力学特性实验。然而，关于土工合成材料在使用方面的实验和练习，却难以在室内环境下进行。其主要原因有：一是场地要求高。以路堤加固为例，即使仅设置三组对比实验，所需的实验场地总面积也至少近千平方米。二是实验周期长。路堤加固涉及土体的固结、沉降及稳定性等问题，时间跨度最长可达一年以上。这使得课程的理论学习与实验教学难以同步进行，进而影响了授课质量。三是经济成本高。除了大面积的合成材料费用，实验中还需考虑基层处理成本、大型机械租赁费、人工费及养护成本等，这些费用大大增加了实验预算。此外，土工合成材料的室外实验还容易受到环境的影响，如日晒、降雨等不易控制的因素，这些都会导致实验误差增大，进而对实验结果产生影响。

为了克服现场实验条件的限制，提高课程的教学质量和学生的操作能力，围绕土工合成材料的虚拟仿真实验教学系统进行构建和研发，为学生提供交互式的虚拟仿真实验平台。该平台不仅融合了室内实验的理论基础和操作要求，还能提供室内实验无法进行的合成材料制作、铺设方法、铺设效果检测以及时间跨度大的蠕变实验等重要内容。

研究团队选取了三种具有代表性的土工合成材料——土工布、土工格栅及土工膜，以及它们在实际工程中对应的三类典型应用——路基加筋、边坡防护以及水库、河流、垃圾填埋場、污水处理等，通过采用虚拟仿真技术，对土工合成材料实施从加工制作到铺设检测的全过程进行仿真模拟，以期解决实验场地要求高、实验周期长、原材料价格昂贵等限制因素的影响，为学生提供一个随时随地、可以反复操作的虚拟仿真实验平台，切实提高学生的实践操作能力。

二、虚拟仿真实验系统功能构建及开发

课程教学团队与实践教学指导专家团队紧密合作，充分利用虚拟仿真系统平台的优势，将实验场地要求高、实验周期长、经济成本高的室外土工合成材料现场实验转化成三维可视化系统平台。通过该平台实现了合成材料的合成、检测、铺设、检查等全过程的仿真模拟，实现了土工合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕变及循环受载等实验的仿真模拟。此外，还实现了土工合成材料的铺设方法、焊接工艺等的模拟。这一创新举措不仅提升了学生对理论知识的掌握程度，还显著增强了他们的实际操作技术能力。

（一）系统功能构成

该虚拟系统主要分为专业基础知识考查、课程知识考查、检测试验知识考查、土工合成材料铺设知识考查以及实验报告填写五部分。在学生充分掌握专业基础知识的基础上，重点考查学生对不同类型土工合成材料适用范围的判断、原材料的选取与配比、合成材料的试验检测以及铺设的注意事项等内容。同时，学生还需要结合虚拟仿真实验的全过程完成最终的实验报告。

（二）系统操作流程

学生在进行实验之前，需要具备一定的理论知识，理解和掌握土工合成材料的属性、应用条件及适用范围等关键要素，并根据实验要求确定实验对象的工程类型。进入虚拟仿真实验系统后，学生需依次完成以下内容：工程实验合成材料的选择—原材料的选取—土工合成材料的制作—土工合成材料的物理力学特性测试（确保测试合格后才可进入下一步）—铺设前的检查—土工合成材料的铺设—铺设后的检查—在线测评—确认实验完成等。

该虚拟仿真实验系统涵盖了18个详细的操作步骤，总计超过100个操作项，全面模拟了土工合成材料从选取、制作、检测到铺设使用的全过程。该系统能够记录并保存学生的每一个操作过程和实验数据，并可在系统后台进行查看。这样既可以精准评估学生在实验过程中各个环节的表现，又可以对学生的实验结果进行分析和考核，实现了过程性考核和结果性考核的有机结合。

（三）系统特色

该虚拟仿真实验项目构建了“一人一工程”的实验教学方法。每个学生面对的都是不同的工程实际，或不同工程类型，或工程尺寸不同，或工程要求标准不同，给学生增加了实验难度。因此，学生需要根据自己的实际工程情况来确定实验参数、材料尺寸及实施方案。这让学生完整地经历了从工程模型建立、原材料制作到合成材料的测试、铺设以及铺设效果监测等实验全过程。同时，学生可以通过设定不同的温度、荷载、湿度等变量，在虚拟仿真系统中实现对合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕变及循环受载实验。此外，学生还可以选择合成材料的搭接方式、缝合和焊接方式等。这使得学生在短时间内能熟悉实验的整个操作过程，并能对阶段性结果和实验报告结果进行整理和分析。这种方式有效弥补了传统实践教学的不足，提高了学生的实验兴趣和主动性。学生可以通过相互沟通、合作讨论的方式完成实验，从而真正掌握土工合成材料的适用范围和使用方法，培养他们解决工程实际问题的能力。

三、虚拟仿真实验系统应用及发展

该虚拟仿真实验项目是为配合土木工程类专业核心课程土木工程施工的教学要求而开发的，主要面向土木工程及其相关专业的大二或大三学生。它有效解决了传统课堂教学中重理论轻实践的问题，通过虚拟仿真实验系统的全流程操作，学生能够将理论知识与工程实践相结合。同时，虚拟仿真实验突破了实验场地、周期、经济性等因素的限制，极大地提高了学生对课程知识的掌握程度。自系统构建开发以来，深受学生的欢迎，并取得了良好的应用效果。此外，该虚拟仿真实验的系统还可以为各个院所的科研人员、工程从业者以及土工合成材料行业的设计和生产商提供服务，进而促进土工合成材料的整体发展和进步。

今后，研究团队将继续发挥虚拟仿真实验教学的优势，不断优化和升级实验项目。深入开展校企合作交流，使虚拟仿真实验教学内容更加贴近工程实际，并紧跟土工合成材料行业的最新发展成果。持续补充包括原材料、制作工艺、产品升级、机具更新以适用工程类别等内容的数据库，逐步实现理论指导实践、实践促进理论的良性发展。

参考文献：

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责编：应 图

基金项目：河南省高等教育教学改革研究与实践项目“‘智能+时代本科高校虚拟基层教学组织研究与实践”（编号：2021SJGLX226）；中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目“新工科理念下土木类专业人才实践教学模式研究”（编号：2021BKJGLX520）；中原工学院教学改革研究与实践项目“以立德树人为根本任务的‘土木工程施工课程思政建设与实践”（编号：2023ZGJGLX071）

作者简介：王英杰（1990— ），男，中原工学院讲师，研究方向为土木工程材料、岩土工程；孙玉周（1974— ），男，中原工学院教授，研究方向为多尺度力学和工程数值仿真；边亚东（1975— ），男，中原工学院教授，研究方向为新型土木工程材料、边坡工程与支挡结构。