基于数字信息化的一流本科专业实践教学改革探索

谢明志 何畏 冯岚 杨永清 袁晶莲

［摘 要］为提升新工科背景下的人才培养效果，西南交通大学土木工程学院以培养学生创新实践能力为教学目标，积极探索适合一流本科专业人才的培养模式，大力开展土木工程专业实践教学研究。针对实践及实验教学面临的困难和限制，围绕实践教学方法、手段及过程，课题组以虚拟数字仿真平台为基础，构建了创新实践教学系统。实践及应用表明，教学改革加强了学生的主动学习能力，提升了其分析问题、解决问题的综合能力及创新实践能力。在此基础上，课题组还通过加强学科建设、人才培养、合作交流，积极推动高等教育信息化建设。

［关键词］一流本科专业；实践教学；土木工程；桥梁专业；教学改革

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）05-0060-05

教育部于2019年4月发布了《教育部关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》，为我国高等教育内涵式发展指明了方向，对促进高校聚力本科人才培养、提升人才培养质量具有重要影响[1]。新时代下信息化、数字化的革新进一步促进了工程技术的发展和人才需求的变化，也对高等教育一流本科专业建设，人才培养目标、定位提出了更高要求。土木工程桥梁专业内容广泛、知识面广，具有一定的广度和深度；其课程体系复杂，实践性强，涉及众多专业基础课程及专业课程，教学需要注重理论与实践的不断融会贯通。因此，结合高等教育信息化及新工科发展趋势和需求，探索土木工程桥梁专业实践教学改革，对提升高等教育质量、深化新工科实践教学改革具有重要的理论及现实意义，也将产生积极影响[2～3]。西南交通大学（以下简称我校）国家一流本科专业——土木工程桥梁专业依托国家级实验教学示范中心、土木工程绿智融创实验教学中心以及土木工程虚拟仿真实验教学中心（国家级），以“夯实基础、自强独立、能力培养、个性突出、提升创新精神和实践能力”为实践教学目标，开展土木工程桥梁专业课程实践教学改革研究，培养理论扎实、专业宽厚、创新突出、综合素养高的新工科工程技术人才及研究型人才。

一、实践教学数字信息化

近年来，在新工科背景下，众多高校对数字信息虚拟教学进行了深入研究及探索，为新工科背景下的专业课程实践教学提供了思路和改革方向。针对信息化技术在实验教学中的特点及适用性，国内外学者近年来开展了一些研究[4-5]。国外不少大学根据专业特点、课程体系设置、实践教学要求，搭建了虚拟化实验平台，并依托互联网，为实践教学提供实验条件，实现远程虚拟教学。2012年和2018年，我国分别颁布了《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》及《教育信息化2.0行动计划》，明确了高等教育信息化建设方向和目标；同时，国内各高校也积极搭建信息化实验平台，开展虚拟仿真实验教学，以期更好地推进有关专业改革、专业建设的教学数字信息化[6-8]。在这一时期，部分高校对数字信息实验室进行了资源建设、平台建设，与其他高校共享示范及实验技术提升，为基础课及专业课程实践教学奠定了坚实的基础，提高了学科建设水平，进一步拓展了人才培养方式，提升了人才培养效果[9-11]。2021年，教育部等六部门发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出以信息化为目标，以教育高质量发展需要为导向，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等教育新型基础设施体系，加快推进教育现代化，构建高质量教育支撑体系[12]。因此，持续推进并加快教育信息化和数字化建设，是新时代高等教育发展的重要保证，也为教学数字信息化技术转型提供有力保障，同时将助力护航一流本科专业实践教学改革。土木工程技术的发展、人才需求形势的变化、信息技术的革新，对高校桥梁专业的人才培养目标提出了新要求，工程教育中的实践教学必须积极适应这一改变。

二、以创新实践能力为目标的实践教学实施

土木工程桥梁结构复杂，建造工序多，因此，专业实践教学存在着资源消耗大、费用高、风险大等特征。尤其是破坏性试验，受场地、资金及时间等限制，在传统实践教学中，学生试错成本高，主观能动性弱，只能被动接收，试验中的不当操作难以达到理想试验效果。因此，在实验设计、模块设置及功能需求等方面应充分利用信息数字化优势，构建虚拟仿真实验平台，让学生能事先在该平台上独立或分组完成实验。利用该平台，可以有效整合线上、线下教学资源，让学生掌握实验流程的同时，理解实验重难点、关键环节等实验要点，避免现场实验因人为操作不当带来安全隐患和对实验结果产生不良影响。通过软件研发、资源配置及成果转化，我校土木工程桥梁专业目前已成功构建了钢筋混凝土简支梁静载破坏、钢桁三维非破坏静载及桥梁设计虚拟仿真实验系统，进一步结合“虚—实”教学方法，推进了实践教学数字信息化建设，增强了实践教学效果。

（一）钢筋混凝土简支梁静载破坏实践教学改革

结构受力性能分析是土木工程桥梁专业的重难点，荷载试验是学生验证结构计算理论、掌握专业知识的重要手段。钢筋混凝土结构构件实物体量大、成本高、构件不能重复使用，传统实验准备时间长、测试内容多、容错性低，易受到诸多限制，导致学生参与实验过程的局限较大。因此，应充分发挥计算机及网络信息技术的优势，構建虚拟化数字实验网络系统，通过合理的程序设计及高度的环境仿真，有效解决上述实物实验的缺点。通过虚拟仿真实践，学生对钢筋混凝土简支结构组成、工作原理、实验特点等方面有了较为全面的了解，进而掌握荷载实验技能。通过“沉浸式、高仿真、交互式”的三位一体培训，学生能系统地掌握实验理论计算、方案设计、安装调试、加载测试等完整程序，熟悉荷载实验的作业标准和规范，并对虚拟实验数据进行分析判断，了解结构在各加载阶段挠度、应变的变化规律，掌握其力学特性。再通过实体物理模型实验得到构件实测实验数据（包括挠度、应变、裂缝分布及宽带、开裂及极限荷载、破坏形态等），进而分析结构力学特性及安全性。虚拟仿真和物理实验的有机结合，使实验教学更具有创新性，教学效果更显著。

依据结构荷载试验的一般过程，钢筋混凝土简支梁静载破坏实践教学分为静载设计、虚实实施、实验分析三个模块，其中“虚—实”实施模块包括实验虚拟全过程操作、现场实验准备及实验操作，如图1所示，可以对学生在实验准备及实施环节的操作进行评分，能够清晰反映学生对结构荷载试验全过程的掌握情况。这三个模块涵盖了结构构件理论计算、加载方案设计、量测方案设计、构件制作过程视频演示、加载支承反力设备的安装、安全措施设计、材料实测强度获取、电液伺服加载系统操作、百分表及支架安装、位移挠度观测、应变片粘贴布置、静态应变仪连接、应变测试、裂缝观测、破坏形态分析等15项典型工作任务，学生通过各项虚拟仿真操作，基本具备了钢筋混凝土简支梁从理论计算分析到实验测试结果分析的综合能力。

（二）钢桁结构三维非破坏静载实践教学改革

针对钢桁架结构现场实物体量大、运用场地复杂（河流上的钢桁架桥梁、大型工业厂房的屋架等）、制作使用成本高等局限性，土木工程学院利用数字信息技术，构建了钢桁结构三维非破坏静载实践教学系统，将传统运用实物图片、视频进行课堂讲授的“以教师为主”的教学模式拓展为“以学生为中心”的自主模式，让学生通过虚拟操作掌握实验方法，然后开展实体物理模型实验，真正做到“虚—实结合”“虚—实互促”。该实践教学系统能让学生虚拟开展实验设计、安装设置、观测布设、分析评价；同时，内嵌的力学层能进一步让学生巩固所学的理论知识，并能加强学生理论与实践的融会贯通，使其知其然知其所以然。该实践教学系统具有良好的自主性、交互性及扩展性，如图2所示。

学生通过各项虚拟仿真操作，可以自主完成钢桁架从理论计算到实验测试全过程的各项工作。通过仿真实验，教师可以对学生在实验准备及实施环节的操作进行评分。虚拟仿真平台能够清晰呈现学生对结构荷载实验全过程的掌握情况；培养学生对钢桁架结构系统组成、工作原理、实验特点等方面的认知能力和实践技能；解决学生现场实验和实践难度大、风险大、任务重的难题。在“互动化、高仿真、沉浸式”的三维仿真训练中，学生可以掌握钢桁架实验的技术和流程、对实验数据进行采集及对比分析的手段，并熟悉钢桁架实验作业标准和规范。此外，该虚拟仿真实验系统还可以作为实物实验的预习环节，在虚拟仿真实验模拟完成后，学生再通过实体物理模型实验得到实测变形及承载力，从而更好地将理论与实践结合起来。

（三）桥梁设计实践教学改革

桥梁设计是一门连接专业基础与工程应用的重要实践课程，是学生必须通过前期基础课程和专业课程学习后方可参与演练的综合性课程。土木工程桥梁专业系统性较强，但由于学习时间跨度较大、内容较多，学生对前期所学知识会出现不同程度的遗忘，加之设计经验匮乏，在实战演练中常出现设计不合理、不合规等情况，导致学生试错时间长、效率低，难以高屋建瓴，不利于学生创新思维、综合能力的培养。为解决这些问题，我校土木工程学院构建了集知识预览、设计训练、案例演示、成果上传于一体的桥梁设计实践教学系统，其中知识预览系统涵括了桥梁工程、桥梁工程课程设计、毕业设计等课程的知识点，学生做设计前先通过该模块巩固基本概念，理解设计要点，将前面所学内容进行综合串联。在此基础上，再进行设计训练及案例演示，完成各个实验步骤，以提升学生的设计能力，培养学生创新思维。学生最后进行成果汇总及上传。该实验系统如图3所示。

桥梁设计实践教学的改革依托智能化集成设计软件，学生可充分利用数字化信息资源，在虚拟设计环境中开展设计训练，培养工程师的设计素养，并开展实战演练，最终完成各项设计任务。相对于传统桥梁设计课程教学，利用虚拟数字化平台的实验及实践教学更加高效、直观、清晰，可快速搭建全桥及构件3D模型，显示三维成果，实现数据智能检查、错误精准定位、数据并联更新，呈现更加直观及丰富的设计成果，学生也能尝试设计图纸的智能绘制。桥梁设计实践教学的改革增强了学生分析问题、解决问题、实践技术的综合能力，在巩固理论知识的同时也加强了学生局部到宏观的大局意识，取得了良好效果。

三、实践教学效果

我校以土木工程国家级实验教学示范中心以及土木工程虚拟仿真实验教学中心（国家级）为平台，进行了以培养创新实践能力为目标的一流本科专业实践教学改革，改革成效显著。

（一）教学方法拓展

基于虚拟数字仿真平台构建的实践教学系统有力地支撑了土木工程桥梁专业土木工程试验与量测技术、混凝土结构设计原理、钢结构设计原理、桥梁工程、钢桥及组合结构桥梁、桥梁工程课程设计和毕业设计等课程实践及个性化创新实验。学生可多路径、多通道地优化实验方案，有效进行现场试验，加深了对专业课程的理解，在技术手段上实现了“由虚入实，虚实结合”，在教学效果上体现了“由浅入深，层层递进”。该教学模式拓展了传统的教学方法、思路和手段。

（二）主动学习培养

搭建的虚拟数字仿真平台实现了网络数字化，消除了空间和时间障碍。搭建的校内实验资源共享平台，为教学改革拓展了新思路、新方法。网络虚拟仿真、远程实验、时空沉浸式虚拟仿真、数字仿真等教学方式强化了学生的自主学习能力，加深了对實验教学内容的掌握。学生通过深度参与实验设计、实验操作、实验计算、实验分析、报告撰写等工作，不断加强理论与实践的融会贯通。同时，该平台能够进一步巩固学生对实验课程核心知识的理解，使得学生真正做到学以致用、知其然知其所以然，有利于学生端正学习动机和创新能力的培养。

（三）科创合作交流

学生充分利用虚拟数字仿真平台参与全国结构设计大赛、四川省大学生结构设计竞赛及大学生课外创新实验等活动，获得了更好、更有效的服务。同时，通过此类比赛，我校与国内多所高校通过师生互访、实验竞赛合作组建学生科研实践团队，积极推进优质实验教学资源共享，受益人数每年7000多人。校际活动的开展，增强了高校间的联系，完善了资源共享机制。

四、结语

一流本科专业建设及实践教学改革应遵照教育部“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的要求和指导思想。新时代高等教育信息化建设为推动教育现代化、高质量发展提供了新的路径、新的思路，也将进一步推进一流本科专业内涵式发展。基于虚拟数字仿真平台的土木工程桥梁专业实践教学具有高效性、便利性、安全性及经济性，能够弥补传统教学的不足，可克服时间及空间限制，在提升教学效果的同时，强化了学生主动学习性，提高了其创新创造能力。由于土木工程桥梁学科的专业性、社会性、实践性、周期性及系统性，对实践教学提出了更高标准和要求，而切实践行“以实为本、虚实结合、相互补充、能实不虚”的指导原则，将对进一步推进我国高等教育虚拟仿真实践教学持续发展起到积极作用，并为教育信息化的实践教学改革提供新思路。

［ 参 考 文 献 ］

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[3］ 吴宏岐，李小斌，刘霞.“新工科”背景下的电气专业虚拟仿真实验室建设研究[J].大学教育，2022（6）：97-99.

[4］ 刘振峰，郭为忠.虚拟仿真实验教学课程资源设计及教学过程的改革与探索：以上海交通大学“设计与制造Ⅱ”课程为例[J].教育理论与实践，2022，42（9）：51-54.

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[12］ 教育部，中央网信办，国家发展改革委，等. 教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见[EB/OL]. （2021-07-08）[2023-06-19]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202107/t20210720_545783.html.

［责任编辑：钟 岚］