對(duì)工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)的幾點(diǎn)探討

賈宏俊 李楠

摘 要：在中國(guó)高等教育迅猛發(fā)展的今天，定位于應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式的高校成為其中一大分支，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的水平是影響其發(fā)展的重要因素，實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和社會(huì)應(yīng)變能力培養(yǎng)的有效平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平也成為衡量應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵，在擴(kuò)大傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)工程仿真實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)必將會(huì)促進(jìn)高校教育水平的更大提升。本文結(jié)合校區(qū)實(shí)際情況，分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，并對(duì)工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了有益的探討。

關(guān)鍵詞：工程仿真模擬 實(shí)踐 平臺(tái) 建設(shè)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0127-01

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是衡量一所學(xué)校辦學(xué)條件、辦學(xué)定位和辦學(xué)水平的重要標(biāo)志之一。培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的力度和水平顯得極為重要。在工科傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上建立針對(duì)土木、采礦專業(yè)的工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)是一種有益的探索，不僅可以節(jié)約資源，并對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐水平的提高起到極大的促進(jìn)作用。

1 工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)必要性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，目前面臨各種各樣的問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴費(fèi)用高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，開(kāi)展過(guò)程受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法有效開(kāi)展，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量；（2）教師指導(dǎo)難以到位。有限的教師很難在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大批的學(xué)生，教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到。設(shè)計(jì)性和研究性試驗(yàn)難以開(kāi)展；（3）教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)。培養(yǎng)動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才是校區(qū)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)。但是目前學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，創(chuàng)新能力難以提升；（4）針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的教學(xué)方法單一、知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作相互分離、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性等問(wèn)題，建設(shè)高水平工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室是非常有必要的。

2 工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)容

工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)一般具有透明性、資源共享性、互動(dòng)操作性、用戶自主性、擴(kuò)展性以及安全性等特點(diǎn)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的，決定了它在科研、教學(xué)中的良好應(yīng)用前景。工程仿真模擬實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)可以采用多種手段，如計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、視頻、實(shí)物，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室硬件缺少的不足，在滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)的同時(shí)還能減少實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)投入，改善實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)的水平和層次。

2.1 土木工程仿真模擬平臺(tái)

該平臺(tái)相關(guān)的專業(yè)課程有：房屋建筑學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、建筑施工等。通過(guò)該平臺(tái)的建設(shè)運(yùn)行，學(xué)生能獲得直觀的學(xué)習(xí)效果。在建筑構(gòu)件認(rèn)知中，根據(jù)不同的工程類別對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行分解，在分解的過(guò)程中能顯示建筑構(gòu)件的名稱，使得學(xué)生能非常直觀地掌握某一構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的位置，同時(shí)，借助仿真軟件按照不同的部位提供各種構(gòu)件的三維模型，讓學(xué)生了解各種構(gòu)件的受力特點(diǎn)和具體的使用條件。系統(tǒng)提供繪圖功能，使學(xué)生在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)以后，能根據(jù)教師布置的作業(yè)要求，完成相應(yīng)的作業(yè)或者課程設(shè)計(jì)，并能實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)上提交給教師評(píng)閱，減少以往圖版繪圖的工作量。鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)試驗(yàn)克服以往提前預(yù)制試驗(yàn)構(gòu)件的困難，隨時(shí)都能為學(xué)生提供試驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生只要輸入構(gòu)件的幾何尺寸和混凝土標(biāo)號(hào)以及鋼筋的布置，系統(tǒng)即可進(jìn)行仿真試驗(yàn)，能顯示裂縫的變化和撓度的變化，使得試驗(yàn)更直觀，試驗(yàn)結(jié)果可以和學(xué)生在試驗(yàn)前的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代科研的能力，同時(shí)也能降低學(xué)校開(kāi)設(shè)傳統(tǒng)試驗(yàn)課程的費(fèi)用成本。教師能通過(guò)動(dòng)畫(huà)、錄像等形式進(jìn)行施工技術(shù)教學(xué)，克服傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片教學(xué)的弊端，使學(xué)生能快速、直觀地進(jìn)行施工技術(shù)的學(xué)習(xí)，為以后的實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)。

同時(shí)，土木仿真實(shí)踐平臺(tái)注重工程實(shí)景及工藝配套模型的建設(shè)，在實(shí)驗(yàn)室先后配套了各類建筑結(jié)構(gòu)模型，如墻體構(gòu)造類、地下基礎(chǔ)類模、樓板及地面類、平屋頂構(gòu)造類、坡屋頂構(gòu)造類、幕墻構(gòu)造和門(mén)窗構(gòu)造類、建筑構(gòu)件配筋模型、鋼結(jié)構(gòu)類模型、建筑施工模板類模型等。通過(guò)這些建筑結(jié)構(gòu)模型來(lái)講解理論知識(shí)。學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣得到極大的提升，同時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)更易掌握和消化。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)類實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生最大程度開(kāi)放，收到很好的效果。

2.2 采礦工程仿真模擬平臺(tái)

近年來(lái)隨著煤礦生產(chǎn)管理現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，對(duì)圖形的可視化要求越來(lái)越高。煤礦生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中除了用“采掘工程平面圖”“井上下對(duì)照?qǐng)D”“工業(yè)廣場(chǎng)圖”等生產(chǎn)必備圖以外，越來(lái)越多地應(yīng)用到井上、下三維立體模型。這種三維立體圖在管理層生產(chǎn)指揮、技術(shù)人員生產(chǎn)管理、開(kāi)采優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，都能獲得了二維平面圖所無(wú)法比擬的效果，發(fā)揮著獨(dú)特作用。

全面構(gòu)建3D動(dòng)畫(huà)教學(xué)模型，制作礦井開(kāi)拓及延深三維模型，三維開(kāi)拓模擬包括立井開(kāi)拓、斜井開(kāi)拓、平硐開(kāi)拓等三維模型，模型中能夠反映不同開(kāi)拓形式井筒結(jié)構(gòu)差異、內(nèi)部設(shè)施差異；制作采區(qū)上下山開(kāi)采期間的生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型圖，在該模型中能夠反映各巷道的設(shè)備布置情況，能反映上山采區(qū)和下山采區(qū)各自的運(yùn)煤及通過(guò)路線；制作采煤工作面設(shè)備配置圖，包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)液壓支架及端頭支架的控制配置，能夠全面反映三機(jī)配套關(guān)系。

在煤礦開(kāi)采學(xué)中重點(diǎn)對(duì)巷道布置三維動(dòng)態(tài)模型開(kāi)發(fā)構(gòu)建，主要進(jìn)行煤礦中巷道布置的空間繪制、巷道以及工作面中關(guān)鍵場(chǎng)所內(nèi)設(shè)備的三維構(gòu)建和動(dòng)畫(huà)制作以及三維動(dòng)畫(huà)在教學(xué)課件中的交互式操作及演示問(wèn)題的研究和開(kāi)發(fā)，使學(xué)生通過(guò)全方位的三維動(dòng)態(tài)模型了解巷道布置的各向視圖，從而全面掌握煤礦開(kāi)采技術(shù)。

學(xué)校校內(nèi)建設(shè)有現(xiàn)代化教學(xué)礦井，近年對(duì)其硬件條件進(jìn)行了全面建設(shè)，這種仿真條件是其它礦業(yè)類院校所不具備的，也是學(xué)校采礦學(xué)科的亮點(diǎn)所在。校內(nèi)現(xiàn)代化教學(xué)礦井配備有地上總調(diào)度室及采煤、掘進(jìn)、提升、運(yùn)輸?shù)仁笙到y(tǒng)，全面展示了現(xiàn)代化礦井的構(gòu)成。學(xué)生在井巷中不僅能學(xué)習(xí)煤礦各大系統(tǒng)的組成和設(shè)備配置，最為重要的是學(xué)生能親自動(dòng)手體驗(yàn)各系統(tǒng)的操作和運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)這種實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)能夠更加直觀地理解。理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并重，在課程安排時(shí)將部門(mén)課程安排在礦井中講授，取得非常好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和社會(huì)應(yīng)變能力培養(yǎng)的有效平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平也成為衡量應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵，在擴(kuò)大傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)工程仿真實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)必將會(huì)促進(jìn)高校教育水平的更大提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖小峰.基于開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)土木工程仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和構(gòu)建[C]//重慶力學(xué)學(xué)會(huì)論文集.2009.

[2] 魏剛，魏新江，張世民.土木工程仿真模擬課程教學(xué)實(shí)踐[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)高校土木工程專業(yè)建設(shè)論文集.2010.