土木類專業(yè)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的探索與實踐

李炎鋒+杜修力+紀金豹+李振寶

摘 要：北京工業(yè)大學(xué)土木類專業(yè)圍繞實踐教學(xué)體系的建設(shè)，堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的理念建設(shè)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。利用虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體等技術(shù)完成多套虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了虛擬仿真平臺和校內(nèi)外實踐教學(xué)基地的相互補充、相互支持。實踐表明，虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)能有效地提高土木類專業(yè)實踐教學(xué)效果和強化學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；虛擬仿真；土木類專業(yè)；工程素質(zhì)

隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對土木類人才的需求日益增加，土木類專業(yè)辦學(xué)規(guī)模日益擴大。截至2013年，我國開設(shè)土木工程專業(yè)的高等學(xué)校達到439所，設(shè)置給水排水工程專業(yè)、建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)的高等學(xué)校分別有192所和181所，土木類專業(yè)在校學(xué)生近40萬人。專業(yè)擴招以及建筑企業(yè)安全管理等因素造成土木類專業(yè)在開展實踐教學(xué)環(huán)節(jié)過程中遇到了很多技術(shù)難題，主要包括：（1）土木類專業(yè)實驗綜合性強，設(shè)備體量大，實驗環(huán)境惡劣，資源消耗大，成本較高，特別是高危險、大型復(fù)雜但與實際工程結(jié)合緊密的實驗無法在實驗室內(nèi)讓本科生直接深入?yún)⑴c；（2）土木類專業(yè)相關(guān)教學(xué)實驗選課學(xué)生多，實驗操作復(fù)雜，實驗開支較大，實驗安排難度大，造成學(xué)生參與實驗自主性不夠；（3）受到場地和實習時間的限制，土木工程中施工周期長、一些隱蔽工程無法現(xiàn)場展示，一些大型實驗無法讓本科生動手參與。同時，在專業(yè)認識實習和生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)學(xué)生只能參觀構(gòu)筑物但無法通過實際操作了解建筑過程的整體工藝。隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合高等教育信息化建設(shè)開展土木類專業(yè)實踐教學(xué)改革是克服實踐教學(xué)環(huán)節(jié)技術(shù)困難的一個重要途徑[1]。

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[2]。2013年，教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作[3]。其目的是鼓勵高校采用多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值計算仿真技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并進行教學(xué)方法、實驗手段等方面的改革研究與實踐探索，使實踐訓(xùn)練及時跟上相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。為了有效解決土木類專業(yè)開展實踐教學(xué)遇到的技術(shù)困難，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，達到培養(yǎng)高素質(zhì)的工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的目的，北京工業(yè)大學(xué)土木類專業(yè)在國家級實驗教學(xué)示范中心——土木工程實驗教學(xué)中心的基礎(chǔ)上，利用多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值計算仿真技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并進行教學(xué)方法、實驗手段等方面的改革研究與實踐探索。2013年12月北京工業(yè)大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心入選國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念和思路

緊密結(jié)合土木類專業(yè)實踐性強、工程能力培養(yǎng)要求高的專業(yè)特點，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)始終堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的理念。在虛擬仿真平臺建設(shè)規(guī)劃過程中，明確了實體實驗和虛擬實驗的定位，確立了“能實不虛”的建設(shè)原則。以“實”為目標、“虛”為手段，揚長避短，以“虛”來加強理論知識與實踐動手操作的聯(lián)系，以“實”來提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。即將虛擬實驗手段融入課前預(yù)習、課上實訓(xùn)和課后實踐等環(huán)節(jié)中，用虛擬實驗對實驗現(xiàn)象進行展示、對實驗儀器設(shè)備的使用流程和注意事項進行說明。通過計算機虛擬環(huán)境進行交互性虛擬實驗使其成為理論和實踐教學(xué)的重要補充和有效輔助手段，從而最大限度提高學(xué)生的工程素質(zhì)。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)目標是采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體、人機交互等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，解決土木類專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的技術(shù)難題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力、自主學(xué)習能力以及獲取信息、運用信息的能力。

在虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，中心堅持“重點開發(fā)、積極引進、軟硬結(jié)合、適當超前”的基本思路。優(yōu)先選擇土木類專業(yè)實驗難度大、實驗花費高（如大型結(jié)構(gòu)破壞性實驗、重復(fù)次數(shù)多的混凝土梁加載實驗、大型水質(zhì)儀器分析實驗、建筑設(shè)備智能控制實驗、污水處理實驗等）、專業(yè)理論性較強的實驗項目進行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)試點，同時積極引進國內(nèi)外成熟的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，充分重視虛擬實驗環(huán)境的真實感、可操作性。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心面向?qū)W生采用“多層次”的開放模式。包括虛擬實驗不限時開放、教學(xué)實驗室預(yù)約開放（定期開放與網(wǎng)站預(yù)約開放相結(jié)合）和全天候開放創(chuàng)新基地三層次，使現(xiàn)有資源最大限度得到利用。

二、依托虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)積極開展土木類專業(yè)實踐教學(xué)體系改革

北京工業(yè)大學(xué)土木類專業(yè)堅持“實踐教學(xué)一條線”、“創(chuàng)新人才培養(yǎng)不斷線”的教改思路，將實踐教學(xué)體系分為三個層次：

（1）工程認識實踐與基礎(chǔ)訓(xùn)練層次。主要包括各課程教學(xué)大綱所規(guī)定的基本型實驗。

（2）專業(yè)應(yīng)用實踐層次。主要包括大綱中規(guī)定的綜合設(shè)計型及個性化創(chuàng)新型實驗（綜合知識的應(yīng)用、創(chuàng)新思維培養(yǎng)）。該層次整合了學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課及其綜合實踐環(huán)節(jié)等，目的是著力進行學(xué)科基礎(chǔ)技術(shù)研究方法的教育。

（3）工程實踐層次。以土木工程一級學(xué)科為平臺，發(fā)揮科研活動的支撐與引領(lǐng)作用，以工程為背景，實現(xiàn)學(xué)生真實工程環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，增強學(xué)生工程實踐能力，使學(xué)生從專業(yè)技能培養(yǎng)逐步進入學(xué)科前沿，在加強面上培養(yǎng)的同時實現(xiàn)點上的突破。

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心首先重點解決專業(yè)應(yīng)用實踐層次和工程實踐層次遇到的主要問題。依托虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，積極開展實踐教學(xué)體系的改革，主要包括：（1）圍繞虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)創(chuàng)新培養(yǎng)方案，包括在教學(xué)計劃中增設(shè)創(chuàng)新實踐課程和改革實驗環(huán)節(jié)的指導(dǎo)模式。（2）推進實踐教學(xué)內(nèi)容更新。實踐教學(xué)大綱必須明確提出“虛實結(jié)合、相互補充”的具體實施方案以及具體的培養(yǎng)目標。（3）將高層次的學(xué)科建設(shè)平臺、高水平的科研與工程技術(shù)項目以及高質(zhì)量科研成果融入虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設(shè)，擴大虛擬仿真實驗的范圍。（4）加強多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)多層次開放模式。（5）改革實踐環(huán)節(jié)評分考核模式。注重對學(xué)生利用平臺進行自主實驗、互動交流過程的考核，強化對學(xué)生分析實驗結(jié)果能力以及答辯的考評。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的功能

以國家級土木工程實驗教學(xué)示范中心硬件平臺為基礎(chǔ)，虛擬仿真實驗教學(xué)中心第一階段建設(shè)是基于Eclipse、WebBuilder、Visual Studio、Adobe Flash、LabVIEW等開發(fā)平臺和工具并結(jié)合主流的專業(yè)仿真計算軟件30余套（包括PKPM、ANSYS、ABAQUS、5D施工BIM等）開展實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的虛擬仿真建設(shè)。目前土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心下設(shè)10個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，即大型設(shè)備結(jié)構(gòu)實驗虛擬仿真平臺、混凝土梁靜載實驗虛擬仿真平臺、橋梁工程實驗虛擬仿真平臺、工程施工虛擬仿真平臺、工程測量虛擬仿真平臺、道路勘測設(shè)計一體化虛擬仿真平臺、樓宇自控系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺、空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試虛擬仿真實驗平臺、大型水質(zhì)分析儀器虛擬仿真平臺、水處理工藝運行虛擬仿真平臺，利用平臺建成了相應(yīng)的土木類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺主要功能包括：

（1）利用平臺實現(xiàn)虛擬實驗儀器開展實驗和搭建典型的實驗項目。平臺建設(shè)緊密結(jié)合土木類專業(yè)實驗教學(xué)需求，使學(xué)生利用平臺進行虛擬儀器操作和動手搭建實驗系統(tǒng)并配置相關(guān)技術(shù)參數(shù)。如大型水質(zhì)分析儀器仿真與模擬操作系統(tǒng)對大型氣相色譜儀、TOC/TN、原子吸收光譜儀等的構(gòu)造及工作原理進行仿真模擬，同時將仿真模擬系統(tǒng)與儀器離線操作平臺偶聯(lián)，實現(xiàn)儀器的模擬操作與樣品分析仿真；利用鋼筋混凝土簡支梁靜載實驗?zāi)M系統(tǒng)可以自行設(shè)置梁的截面尺寸、配筋、長度等幾何參數(shù)和混凝土、鋼筋等材料參數(shù)形成自己的實驗對象，在虛擬場景中布設(shè)支座形式、分配梁、加載點等加載條件和設(shè)備，擴大學(xué)生能夠操作實驗工況的數(shù)目。

（2）利用平臺實現(xiàn)數(shù)字化工程設(shè)計和虛擬施工、調(diào)試及運行。工程施工虛擬仿真平臺充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling簡稱BIM）技術(shù)完成了土木工程關(guān)鍵施工過程模擬動畫30套，能夠基本實現(xiàn)對土木工程施工關(guān)鍵過程的模擬仿真；工程測量虛擬仿真平臺所建立的仿真系統(tǒng)能模擬校內(nèi)外實驗場地條件以及各種工程測量實驗儀器設(shè)備，可實現(xiàn)人機交互操作，形象地展現(xiàn)了工程測量課程中主要實驗環(huán)節(jié)的工作過程；道路勘測設(shè)計一體化虛擬仿真平臺利用當今國際道路勘測設(shè)計主流技術(shù)，將野外道勘實習基地和校內(nèi)道勘實訓(xùn)中心集成為數(shù)字化、一體化、可視化的虛實結(jié)合、內(nèi)外結(jié)合的教學(xué)平臺，主要功能是利用真實項目完成道路勘測與設(shè)計的綜合實訓(xùn)；樓宇自控系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺利用樓宇自控虛擬仿真系統(tǒng)制作的虛擬控制對象來代替真實對象，不僅接受控制器的控制信號，而且還能向控制器發(fā)出各種反饋信號，反映實際系統(tǒng)的響應(yīng)，從上位機控制界面上直接顯示控制過程和控制結(jié)果，給學(xué)生帶來“身臨其境”的感覺，為樓控系統(tǒng)的編程和調(diào)試帶來很大方便，有利于對空調(diào)系統(tǒng)控制原理的認識以及對樓宇自控技術(shù)的學(xué)習和應(yīng)用。

（3）利用平臺的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同支持教學(xué)。平臺構(gòu)建了作業(yè)、協(xié)同交流、答疑、留言、測試、文件存儲等模塊，中心網(wǎng)站具有友好的用戶界面，用于為師生用戶提供相對完整的實驗學(xué)習支持系統(tǒng)。在功能上包括提供實驗設(shè)計、背景知識、參考資料和課件等。針對學(xué)生用戶，記錄其實驗過程，包括實驗報告、數(shù)據(jù)、實驗結(jié)果統(tǒng)計、成績評定、教師評語等；針對教師用戶，提供實驗設(shè)計、分類實驗結(jié)果和內(nèi)容統(tǒng)計等。

（4）基于網(wǎng)絡(luò)的宣傳、交流和實驗展示功能。平臺具有信息發(fā)布、成果展示、專業(yè)介紹、實驗設(shè)計、教學(xué)名師、精品課程等宣傳和展示功能。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺體現(xiàn)了全天候開放性，隨時隨地可以訪問；體現(xiàn)了創(chuàng)新性，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)了低成本，高安全，運行維護方便，改進教學(xué)效果，積極革新教學(xué)模式的目的。

四、注重利用“產(chǎn)、學(xué)、研”合作建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心

土木類專業(yè)教師的虛擬仿真技術(shù)開發(fā)能力、網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)水平是影響虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)水平的一個主要因素，軟件公司的技術(shù)人員對專業(yè)實踐教學(xué)要求的理解對平臺開發(fā)效果有重要的影響。為了提高中心下設(shè)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)水平，中心本著“優(yōu)勢互補、資源共享”的原則與建研科技股份有限公司、北京長筑工程軟件有限公司等近10家軟件開發(fā)單位開展校企共建共管的合作模式。一方面，企業(yè)參與土木類實踐教學(xué)計劃制訂，為中心建設(shè)提供各類技術(shù)資料、工藝規(guī)程和軟件，參與中心虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的研發(fā)工作、軟件維護和升級管理工作，確保了平臺良好的運行狀態(tài)并始終處于同類平臺的領(lǐng)先地位，服務(wù)于校內(nèi)人才培養(yǎng)；另一方面，校企合作共建的虛擬仿真實驗教學(xué)中心為企業(yè)軟件產(chǎn)品的市場推廣、人才培訓(xùn)提供支持，中心教師也積極為企業(yè)的研發(fā)工作提供技術(shù)支持。通過人才培養(yǎng)這個紐帶，學(xué)校和企業(yè)整合各自優(yōu)勢，結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，從而為土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的可持續(xù)發(fā)展提供了強大的技術(shù)研發(fā)支撐平臺。

五、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的效果

中心搭建14門實驗課程，其中設(shè)計型1門、創(chuàng)新型4門、綜合型9門。中心經(jīng)過第一階段建設(shè)，土木類專業(yè)能夠?qū)⑻摂M實驗和真實實驗結(jié)合的實踐環(huán)節(jié)的比例超過30%。虛擬仿真實驗教學(xué)中心直接面向于全校6個專業(yè)并對全校其他專業(yè)開放，年均直接受益人時數(shù)近60000（人·小時）。

通過三年實踐教學(xué)平臺的“虛實結(jié)合”建設(shè)以及實踐教學(xué)體系改革，中心對人才培養(yǎng)的教學(xué)效果主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）強化了“學(xué)生是主體、教師是主導(dǎo)”的教學(xué)理念，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生自主參與實踐環(huán)節(jié)的能力得到加強。

（2）實現(xiàn)了虛擬仿真平臺和校外實習基地建設(shè)相互補充、相互支持，提高了土木類專業(yè)校外實習環(huán)節(jié)的效果，強化了工程素質(zhì)的培養(yǎng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習興趣。

（3）通過“虛實結(jié)合”拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，提高了學(xué)生的自主學(xué)習能力，加強了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（4）“虛實結(jié)合”的實踐教學(xué)模式的開展促進了實驗教學(xué)管理體系的改革，促進了實驗教學(xué)隊伍水平的提高。

總之，土木類專業(yè)應(yīng)緊密結(jié)合行業(yè)的相關(guān)需求以及學(xué)校的發(fā)展定位來開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，要堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的理念，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主學(xué)習能力、工程實踐能力為目的開展工作。同時要積極與相關(guān)技術(shù)公司開展“產(chǎn)、學(xué)、研”合作來提高虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)水平。實踐表明，虛擬仿真實驗教學(xué)有助于解決由專業(yè)擴招以及建筑企業(yè)安全管理等因素造成的實踐環(huán)節(jié)中遇到的技術(shù)難題，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才和實現(xiàn)教學(xué)運行經(jīng)費高效利用。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺對提升土木類專業(yè)的整體實踐教學(xué)水平能起到良好的促進作用，對提升建筑行業(yè)單位的技術(shù)水平有明顯的促進作用。

參考文獻：

[1] 張敬南，張镠鐘. 實驗教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J]. 實驗技術(shù)與管理，2013（12）：101-104.

[2] 戴成梅，戴成建. 基于 LabVIEW 的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室研究與開發(fā)[J]. 實驗室研究與探索，2011（2）：74-78.

[3] 教育部高等教育司. 關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知（教高司函〔2013〕94號）[Z].

[本文工作得到2013北京工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究立項（ER2013B07）的資助]

[責任編輯：余大品]