土建类专业虚拟仿真实验教学体系改革与实践

摘要：实践教学作为土建类人才培养的重要环节，新时代对工程实践和创新能力培养提出了新的要求，本文基于工程项目和创新能力培养的要求，开发了土建类专业虚拟仿真实验教学系统。该系统通过校企联合、开发虚拟仿真实验教学项目以及构建多层次、全类别工程实践虚拟仿真实验平台，推进线上线下混合式实验教学等方法培养学生的工程试验和创新能力。通过本次教学体系改革和实践可以整合资源，解决传统教学实践过程中周期长、具有一定危险性的特点，为学生培养工程试验和创新能力打下坚实的基础。

关键词：工程实践；创新能力；虚拟仿真；教学体系；改革与实践

中图分类号：G642文献标识码：A

进入21世纪，我国工程建设迅猛发展，大量学校开展工程专业人才培养，但学生实际工程实践却成为大问题，由于传统工程实践过程中存在危险性大、周期长等特点，许多高校就放弃学生进行工程现场实践，由此造成学生毕业后无法快速适应工程实际工作。

为应对此背景下的人才要求，需建设一批具有创新能力和工程实践背景下的复合型人才［12］。各大院校开始利用现代化信息技术，采用虚拟仿真的方法，对已有的教学体系进行改革与延伸［3］。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［45］。

采用虚拟仿真实验教学，可以解决实际工程实践过程中周期长、环境差、有危险等问题，同时使更多的学生在安全无污染的环境中了解工程实际实践［6］。中原工学院基于工程实践和创新能力培养，开展了土建类专业虚拟仿真实验教学体系改革与实践。

1发展起源

自2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，中原工学院积极参与相关建设，中原工学院建筑工程学院积极参与其中，于2013年获批首批河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心，依托该中心，学院组建了以教授和青年博士为骨干的虚拟仿真实验建设团队，探索了基于工程实践和创新能力培养的土建类专业虚拟仿真实验教学体系建设的新路径［78］。虚拟仿真实验教学手段的改革是信息技术与教育深度融合的体现，积极落实国家教育信息化战略，整合优化资源，构建虚拟仿真实验教学项目和平台，解决传统实验教学“做不到、做不了、做不上”的难题［9］。

为深化实践教学改革，提升教学质量，使学生能够在有限的实践课时内掌握学科前沿和最新工程技术，针对实践教学存在的问题，从学生工程实践和创新能力培养的目标出发，以河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心为依托，坚持“虚实结合，能实不虚”的基本原则，深度融合虚拟仿真实验教学与实践教学方法的特征优势，构建虚拟仿真实验教学平台，全面提升学生工程实践和创新能力［1011］。

经过多年的实践探索，中原工学院建筑工程学院将虚拟仿真实验教学项目融入一流本科专业建设工作之中，以深化基础教学、注重实践能力、鼓励创新思维作为指导思想，紧密结合产业发展和区域特色，强化土建类专业与学校核心学科融合发展，以虚拟仿真实验教学平台为依托，推进信息技术与高等教育实践教学深度融合，构建了多样化的土建类专业工程实践和创新能力培养的实验教学新体系和新模式。

2传统教学存在的不足

在“十四五”开启全面建设社会主义现代化国家新征程的大背景下，中原经济区城市化建设面临新的机遇和挑战。实践教学作为土建类专业人才培养的重要环节，在现代交通、土木工程建设人才培养体系中占有非常重要的地位；虚拟仿真实验是计算机信息技术与专业学科交叉融合的产物，能够与传统实体实验深度融合，当前主要存在以下不足。

2.1实体实验存在危险性高、周期长、不可逆、不可重复等问题

土建类专业人才工程实践和创新能力培养过程中，实体实验会给施工单位的正常施工和现场安全管理带来一些难题；施工周期长，现场教学无法实现全程跟踪；实体实验操作过程不可逆；经济成本过高且存在一定的安全风险。

2.2传统实践教学理念略显滞后，虚拟仿真实验定位模糊

传统虚拟仿真实验定位不够清晰，仅将平台定位为实体实验室的简单补充，未充分发挥平台对学生独立思考和创新能力的培养功能，与课程目标融合程度有待加强。

2.3高质量的探究型、开放型和综合型虚拟仿真实验教学项目有待加强

目前的虚拟仿真实验项目探索性环节设计不够深入，学生的创新能力、探索能力和科研素养提升不够显著。传统的教学理念，亦未将科研成果体现在理论教学和实践教学中。

3工程实践和创新能力培养举措

3.1基于虚拟仿真实验教学新理念，组建虚拟仿真实验教学和科研团队

建立虚拟仿真实验基层教学组织，探索虚拟仿真实验教学新理念；突破专业壁垒，组建了虚拟仿真实验基层教学组织。依托基层教学组织开展虚拟仿真实验集体教学研究和探讨，探索虚拟仿真实验教学新理念、新模式，推进虚拟仿真实验课程、教材、教学内容与方法不断优化，提升人才培养质量。

校企联合，组建虚拟仿真实验教学和科研团队。依托“三区一群”国家战略，结合中原经济产业发展优势和区域特色，中原工学院建筑工程学院以项目为载体，合作研发为平台，凝练具有地方特色的虚拟仿真实验教学项目，组建了一支经验丰富的虚拟仿真实验教学和科研队伍。

3.2开发虚拟仿真实验教学项目，提升学生工程实践和创新能力

将虚拟仿真实验项目凝练提升为与理论教学内容、实验课程体系和创新人才培养需求相适应的新形态教材，紧扣学科发展前沿、教学改革成果，及时更新教学内容，开发虚拟仿真实验项目，提升学生工程实践能力。

工程建设需求引导专业人才知识体系构建。（1）施工现场安全与防护虚拟仿真实验（2020年校级虚拟仿真实验教学项目），该虚拟仿真实验系统将土木工程施工过程中常遇到的施工安全与防护问题设计为独立的环节，每个学生都是一个施工人员，都可以切实体验施工安全事故（见图1）。（2）垃圾土室内沉降虚拟仿真实验（2018年省级虚拟仿真实验教学项目），针对城市垃圾填埋场工程填筑过程中出现的不均匀沉降问题，团队开发了垃圾土室内沉降虚拟仿真实验项目［12］（见图2）。（3）复杂环境作用下土的力学性质虚拟仿真实验（2019年省级虚拟仿真实验教学项目），针对路基、边坡和基坑等土质构筑物在炎热多雨和季冻气候等复杂自然环境作用下，开发了复杂环境作用下土的力学性质虚拟仿真实验（见图3）。

3.3构建多层次、全类别工程实践虚拟仿真实验平台，推进线上线下混合式实验教学

依托商业软件和自主开发的虚拟仿真实验教学项目，建立基础训练虚拟仿真平台，推进线上线下混合式实验教学。自主开发了多项虚拟仿真实验教学项目，采购了虚拟施工、虚拟力学和三维构造空间等虚拟仿真实训项目（见图4），实现了“线上线下、虚实结合”的混合式教学模式，使学生系统掌握了基本实验技能。

创建虚拟现实安全教育实践平台，提高了工程安全意识。为提高学生工程安全意识，学院虚拟仿真实验教学团队根据教学内容的需求，与企业合作开发了工程安全教育虚拟现实实验室（见图5）。

构建工程实践虚拟仿真实验平台，提升学生工程实践和创新能力。依托开放式、探索式工程实践综合虚拟仿真实验平台，鼓励学生参与纵横向课题研究；优化实践教学考核形式，形成多样化、全方位的实验教学新体系和开放教学新模式，培养学生创新意识、创新思维和创新实践能力。

4研究成效

（1）基于工程实践和创新能力培养的土建类专业虚拟仿真实验教学体系已列入对应课程教学大纲，且已在校内相关工科专业实现共享，覆盖学生两万余人次。在校内共享的基础上，计划将虚拟仿真实验教学项目在省内以及全国建筑类院校进行开放共享，扩大受益面，教学效果和学生反馈结果良好。结合工程技术发展，持续挖掘并优化虚拟仿真实验项目和教学方案，拓展实验深度，落实实验效果，有效提升工程实践和创新能力。

（2）通过实验教学体系的改革与实践，与相关企业进行资源共享，构建产学研协同育人长效合作机制，在建设思路、新技术应用和仪器设备、软件开发等多方面进行交叉合作，建立了多个校企合作基地和实习基地，并不断完善管理体制和运行机制，已初步形成地方示范效应。

结语

鉴于当前土木工程规模大、成本高、环境危险、操作不可逆、实践周期长等特点，传统实践教学难以满足工程实践创新能力培养的需求。依托河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心，坚持“虚实结合，能实不虚”的基本原则，基于虚拟仿真实验教学理念，组建了一支虚拟仿真实验教学和科研团队。自主开发了省级和校级虚拟仿真实验教学项目，引入虚拟施工、虚拟力学和三维构造空间等虚拟仿真实训系统，建立了基础训练虚拟仿真平台，推进线上线下混合式教学，实现了科教融合，提升了学生实践创新能力。通过校企联合，完成了多项教育部协同育人项目，将虚拟仿真实验教学纳入实践教学体系，构建了工程实践和创新能力培养模式，实现了学生工程实践创新能力质的提升。

参考文献：

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［12］惠存，边亚东.垃圾土室内沉降虚拟仿真实验教学探索［J］.实验技术与管理，2019，36（10）：135138.

项目来源：河南省研究生课程思政示范课程项目“大跨空间结构（YJS2024SZ15）”；河南省研究生精品教材项目“水泥基材料结构与性能（YJS2024JC20）”；中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目“基于工程教育专业认证的土木工程人才培养模式改革与实践（2021518）、新工科背景下土木类专业虚拟基层教学组织研究与实践（2021514）”

作者简介：惠存（1987—），男，汉族，河南南阳人，博士研究生，副教授，研究方向：钢混凝土组合结构研究。