應(yīng)用型地方高校土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)探索

蔣建清，　曹國(guó)輝，　陳東海，　賀　冉，　何　敏

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

0　引　言

應(yīng)用型本科是以培養(yǎng)高層次應(yīng)用型和技能型人才為目標(biāo)的高等教育形式。從20 世紀(jì)60 年代開始，基于德國(guó)“雙元制”應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教育理念，國(guó)外各高校陸續(xù)實(shí)施了重視和強(qiáng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)的模式，我國(guó)應(yīng)用型高校是在20 世紀(jì)90 年代末隨著高校擴(kuò)招和適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)應(yīng)用型人才需求而發(fā)展起來(lái)的[1]。在我國(guó)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的新形勢(shì)下，培養(yǎng)熟練掌握建筑業(yè)生產(chǎn)一線實(shí)踐技能并具備創(chuàng)新意識(shí)的土木工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才顯得非常迫切[2-4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用意識(shí)和增長(zhǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐技能，是其他教學(xué)形式難以替代的；實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生將理論知識(shí)在實(shí)踐中運(yùn)用的重要環(huán)節(jié)，在應(yīng)用型土木工程人才培養(yǎng)中處于重要地位。

目前，應(yīng)用型地方高校在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到了一些技術(shù)和管理難題，例如：①土木工程實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)、資源消耗大、設(shè)備體積大、成本高，而國(guó)內(nèi)土木工程建設(shè)活動(dòng)呈現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)往超高層、橋梁朝大跨度、地下空間向復(fù)雜地層發(fā)展的趨勢(shì)，但校內(nèi)實(shí)驗(yàn)受土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)安全、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等條件制約，使一些高危、大型、復(fù)雜但與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；②相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)選課學(xué)生多、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、教學(xué)任務(wù)繁重，且土木工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)耗材開支大、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備安排難度大； ③土木工程建造周期長(zhǎng)，但學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)時(shí)間有限，在專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生很難在實(shí)際項(xiàng)目的全部崗位和所有工程實(shí)施環(huán)節(jié)中受到完整地實(shí)踐能力訓(xùn)練，難以滿足土木工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的需求；④學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的自主性不強(qiáng)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已難以提高當(dāng)代大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣[5-11]。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一種現(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和配套的硬件設(shè)備模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作流程，可以克服實(shí)體實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大、材料消耗多等諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本、全天候的土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；谔摂M實(shí)驗(yàn)技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以較好地解決土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的技術(shù)和管理難題，是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)及室內(nèi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的彌補(bǔ)和創(chuàng)新，有助于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力及信息化技術(shù)運(yùn)用能力的培養(yǎng)[12-15]。

本文論述了應(yīng)用型地方高校土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)理念、思路和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能，提出 “多層次、模塊化”的應(yīng)用型土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和資源平臺(tái)，可為同類院校土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供參考。

1　建設(shè)理念和思路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律和應(yīng)用型人才成長(zhǎng)規(guī)律，中心緊密結(jié)合建筑行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家工程建設(shè)需要，適應(yīng)社會(huì)科技進(jìn)步，能勝任土木工程項(xiàng)目施工、檢測(cè)、設(shè)計(jì)、管理等工作，具有社會(huì)責(zé)任感和較強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用能力、繼續(xù)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)、組織協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)精神的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才[16]，開展土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)和豐富土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成與現(xiàn)有實(shí)體實(shí)驗(yàn)“相互補(bǔ)充、虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

(1)依據(jù)應(yīng)用型土木工程人才培養(yǎng)方案，以學(xué)生工程執(zhí)業(yè)能力培養(yǎng)為核心，突出創(chuàng)新應(yīng)用意識(shí)培養(yǎng)，緊密依托校內(nèi)和校企合作實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)基地、結(jié)合“縱向、橫向”項(xiàng)目，校企合作開發(fā)面向工程實(shí)際的“多層次、立體化、模塊化”的虛實(shí)結(jié)合虛擬仿真教學(xué)資源體系。

(2)大力推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)融合，依托土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、省基礎(chǔ)課示范實(shí)驗(yàn)室、普通高校特色專業(yè)、普通高校優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心、校企合作人才培養(yǎng)示范基地等平臺(tái)，利用多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)， 構(gòu)建“高度仿真、虛實(shí)結(jié)合、開放共享”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面改善實(shí)驗(yàn)條件，并進(jìn)行教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)手段等方面的改革研究與實(shí)踐探索，開拓學(xué)生專業(yè)學(xué)識(shí)視野，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生工程執(zhí)業(yè)能力。

(3)充分利用學(xué)校現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)條件，注重師資隊(duì)伍建設(shè)，不斷優(yōu)化師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)和水平，建設(shè)一支“雙師雙能型”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理與教學(xué)團(tuán)隊(duì)，并與國(guó)內(nèi)大型建筑企業(yè)加強(qiáng)合作，引入合作企業(yè)的設(shè)計(jì)、施工、管理等兼職教師，組織虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理人員到合作企業(yè)交流學(xué)習(xí)、合作開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不定期進(jìn)行信息化應(yīng)用技能培訓(xùn)，更新教學(xué)與管理理念，提高業(yè)務(wù)水平，確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利開展。

(4)依托數(shù)字化校園網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開放共享機(jī)制，構(gòu)建高度信息化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理體系，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源最優(yōu)配置。完善中心的組織機(jī)構(gòu)和開放運(yùn)行模式；健全實(shí)驗(yàn)室管理制度、崗位職責(zé)、工作績(jī)效考核辦法等一系列規(guī)章制度，保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全高效運(yùn)行；通過(guò)校內(nèi)外雙系統(tǒng)質(zhì)量分析評(píng)價(jià)機(jī)制，建立“學(xué)生、企業(yè)、社會(huì)三滿意”實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)跟蹤監(jiān)控機(jī)制，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量；通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放、信息發(fā)布規(guī)范、交流及時(shí)、信息遠(yuǎn)程共享，達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置的最優(yōu)化。

2　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

中心經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新積累，不斷豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，逐步加大校企合作力度和廣度，秉承“理論與實(shí)踐融合、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的基本原則，以培養(yǎng)學(xué)生工程執(zhí)業(yè)能力和創(chuàng)新意識(shí)為核心，面向土木工程、城市地下空間工程、交通工程、水利水電工程、工程造價(jià)與管理及其它相關(guān)專業(yè)等大土木類專業(yè)，構(gòu)建“三結(jié)合、三層次、十二模塊”的 “3+3+12”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系(見圖1)。

圖1　土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

其中，“3個(gè)層次”即按照應(yīng)用型人才成長(zhǎng)和培養(yǎng)規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)型、專業(yè)型及綜合型?！?2模塊”即按專業(yè)知識(shí)體系把各層次實(shí)驗(yàn)細(xì)分為材料與力學(xué)、工程測(cè)量、土工、建筑工程、橋梁工程、巖土及地下空間、道路工程、交通工程、水利水電工程、大學(xué)生創(chuàng)新性、BIM技術(shù)應(yīng)用虛擬、大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。“3個(gè)結(jié)合”為：①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合—“虛、理結(jié)合”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與專業(yè)基礎(chǔ)理論課程、專業(yè)核心理論課程、專業(yè)綜合訓(xùn)練課程配套，教學(xué)計(jì)劃中對(duì)理論課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程作統(tǒng)籌安排，使學(xué)生在掌握理論知識(shí)后通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握其應(yīng)用的領(lǐng)域和方法，提高學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)知識(shí)運(yùn)用能力。②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)(含校外工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn))相結(jié)合—“虛、實(shí)結(jié)合”。依托中心各個(gè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(包括校企合作現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)基地)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與土建類實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限性，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐技能。③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合—“虛、創(chuàng)結(jié)合”。依托綜合訓(xùn)練平臺(tái)、“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合應(yīng)用平臺(tái)等本科生課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中心開設(shè)綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在科研能力強(qiáng)的教師悉心指導(dǎo)下，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況自主選題，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究工作。

3　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)

中心虛擬仿真教學(xué)資源遵循跨越不同訓(xùn)練層次(由專業(yè)基礎(chǔ)應(yīng)用能力提高到綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng))、覆蓋大土木學(xué)科知識(shí)(包括建筑工程、橋梁及道路交通工程、巖土及地下空間工程、水利水電工程等領(lǐng)域的知識(shí))、體現(xiàn)不同實(shí)施方式(包括認(rèn)知感受、操作技能、施工、設(shè)計(jì)、管理仿真等)的開發(fā)思路，緊密聯(lián)系土木工程規(guī)范中提到的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，并積極將科研團(tuán)隊(duì)的“縱向、橫向”科研項(xiàng)目向虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，將實(shí)際的土木工程設(shè)計(jì)、施工、工程管理等項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)實(shí)操過(guò)程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目融于一體，校企合作開發(fā)形成一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目，模擬土建類工程設(shè)計(jì)、施工管理、工程造價(jià)等建筑行業(yè)一線職業(yè)崗位工作環(huán)境，訓(xùn)練復(fù)雜性高、專業(yè)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高的專業(yè)實(shí)踐技能，為土建類專業(yè)學(xué)生提供多樣化的實(shí)驗(yàn)方式，讓學(xué)生能夠基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成土木工程設(shè)計(jì)、施工和管理等綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，并結(jié)合虛擬仿真技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生參加各類學(xué)科競(jìng)賽，為土木工程高素質(zhì)應(yīng)用型人才的創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)提供重要支撐。

3.1　基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)

基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要面向低年級(jí)本科生的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，并模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的材料檢測(cè)、地基驗(yàn)收和施工測(cè)量等工程實(shí)踐項(xiàng)目，加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)在工程實(shí)踐中應(yīng)用的能力。該平臺(tái)包括3個(gè)模塊，即：材料與力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、工程測(cè)量模塊及土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

材料與力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要針對(duì)土木工程等土建類相關(guān)專業(yè)材料力學(xué)、彈性力學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土木工程材料等課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可設(shè)置：鋼材力學(xué)特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁力學(xué)性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、瀝青性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、混凝土抗壓強(qiáng)度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

工程測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要針對(duì)土木工程等土建類相關(guān)專業(yè)工程測(cè)量實(shí)習(xí)和工程檢測(cè)環(huán)節(jié)，可設(shè)置：測(cè)量?jī)x器認(rèn)知學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、導(dǎo)線控制測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、道路(房建、橋梁等)施工測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要針對(duì)土木工程等土建類相關(guān)專業(yè)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)項(xiàng)目原位測(cè)試試驗(yàn)，可設(shè)置：地基載荷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、旁壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、基樁靜載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、錨桿抗拔虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、靜(動(dòng))三軸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.2　專業(yè)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)

專業(yè)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要面向高年級(jí)本科生的專業(yè)課程和實(shí)踐課程學(xué)習(xí)，該平臺(tái)主要目標(biāo)在于拓展學(xué)生專業(yè)視野、激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生知識(shí)庫(kù)的更新和優(yōu)化，使學(xué)生能熟練運(yùn)用多種專業(yè)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)軟件(如Midas橋梁模擬分析、YJK房屋結(jié)構(gòu)仿真分析、Midas GTS NX巖土工程仿真分析、VISSIM交通仿真分析等)，提升學(xué)生從事大型工程施工、設(shè)計(jì)、管理的應(yīng)用能力和對(duì)大型工程技術(shù)問題的綜合解決能力。該平臺(tái)包括6個(gè)模塊，即：橋梁工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、建筑工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、巖土與地下工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、水利水電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。此平臺(tái)各模塊可設(shè)置如下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(典型的實(shí)驗(yàn)成果如圖2所示)。

(a) 某天橋有限元仿真模型圖

(b) 第6跨跨中截面撓度影響線仿真

(c) 某天橋靜載試驗(yàn)加載彎矩仿真

(1)橋梁工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。橋梁靜載試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、橋梁動(dòng)載試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、大跨徑橋梁施工控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、橋梁施工支架安全穩(wěn)定性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和橋梁施工過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2)建筑工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。多層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、多層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、建筑工程施工工藝實(shí)訓(xùn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、建筑工程項(xiàng)目造價(jià)管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和建筑工程三維可視化安全管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(3)巖土與地下工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三維邊坡穩(wěn)定分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、二維隧道襯砌分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、三維橋臺(tái)基礎(chǔ)施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、三維基坑施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、三維隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(4)道路工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。公路擋土墻設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)、公路路基路面造價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和道路工程施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(5)交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。交通基本路段虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、交叉口非機(jī)動(dòng)車和行人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、信號(hào)控制交叉口虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、立體交叉口虛擬仿真、城市干道信號(hào)協(xié)調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及公交優(yōu)先控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(6)水利水電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。溢流壩泄流模型三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、水輪機(jī)模型效率三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、壓力管道水擊三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及水電站調(diào)壓室水力學(xué)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.3　綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要引導(dǎo)高年級(jí)本科生充分利用各種數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目管理前期方案優(yōu)化和參數(shù)研究，延伸實(shí)體實(shí)驗(yàn)范疇，為拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐創(chuàng)新應(yīng)用能力提供新途徑。綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括3個(gè)模塊：大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K及BIM技術(shù)應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

(1)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊主要引導(dǎo)學(xué)生充分利用數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)建立以“項(xiàng)目和課題”為核心的學(xué)習(xí)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)其創(chuàng)新思維，提高其面對(duì)工程技術(shù)難題的創(chuàng)新解決能力，可面向開放性試驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練試驗(yàn)及科研成果轉(zhuǎn)化等項(xiàng)目中的仿真分析建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2)大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊是服務(wù)大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽的虛擬仿真平臺(tái)，基于學(xué)科競(jìng)賽中有關(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“實(shí)驗(yàn)面廣、耗費(fèi)大、高危險(xiǎn)、不可逆”，用以輔助學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)中實(shí)體實(shí)驗(yàn)的部分或全部任務(wù)，與實(shí)體實(shí)驗(yàn)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分發(fā)揮實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)。比如，服務(wù)于土木工程結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽，開發(fā)了竹制結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、空間桁架橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、兩跨渡槽結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、沖擊荷載下薄殼容器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、單跨空間木質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及大跨度空間竹質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等(典型的實(shí)驗(yàn)成果見圖3)。

(3)BIM技術(shù)應(yīng)用虛擬仿真模塊。該模塊主要將BIM技術(shù)應(yīng)用于土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練及土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綜合認(rèn)知訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)綜合實(shí)訓(xùn)中難以完成的建筑環(huán)境認(rèn)知、建造模擬、構(gòu)造分解及項(xiàng)目管理等項(xiàng)目的有效替代和拓展，提高學(xué)生熟練運(yùn)用BIM虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、協(xié)同施工、虛擬建造、工程量計(jì)算、創(chuàng)新工程項(xiàng)目管理應(yīng)用的能力，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新能力，可設(shè)置如下實(shí)驗(yàn)：① BIM協(xié)同應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。基于產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目，學(xué)生利用BIM軟件，進(jìn)行土建模型翻模、形成鋼筋工程計(jì)算文件、土建工程量計(jì)算文件和土建招標(biāo)控制價(jià)文件；利用BIM施工現(xiàn)場(chǎng)布置軟件，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、主體、裝飾三個(gè)階段的虛擬三維現(xiàn)場(chǎng)布置；利用BIM模板、腳手架設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目模板、腳手架的虛擬搭設(shè)實(shí)驗(yàn)；利用BIM進(jìn)度計(jì)劃編制軟件，編制施工進(jìn)度計(jì)劃表，虛擬實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度管理；基于BIM5D平臺(tái)，開展項(xiàng)目施工虛擬建造實(shí)驗(yàn)和碰撞規(guī)避虛擬實(shí)驗(yàn)；最終形成涵蓋建筑設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算、工程項(xiàng)目施工招(投)標(biāo)、協(xié)同施工、虛擬建造和工程造價(jià)管理的BIM協(xié)同應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。② 土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)BIM模型綜合認(rèn)知仿真實(shí)驗(yàn)。建立土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu) 的BIM 虛擬信息模型，剖析其內(nèi)部的各個(gè)系統(tǒng)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中完成工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解和組裝等實(shí)際動(dòng)手操作訓(xùn)練，從而認(rèn)知包括建筑結(jié)構(gòu)、電力、給排水、暖通等各個(gè)專業(yè)工程的系統(tǒng)構(gòu)成原理，并提高應(yīng)用BIM工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的能力。

圖3竹制結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

4　中心發(fā)展歷程與教學(xué)成效

土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心發(fā)展始于1984年開始招生的工業(yè)與民用建筑專業(yè)實(shí)驗(yàn)室；1991年組建土木建筑系實(shí)驗(yàn)室；2003年，整合原有的建材、力學(xué)、土工等實(shí)驗(yàn)室，成立土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，由建筑工程實(shí)驗(yàn)室、結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室和道路交通工程實(shí)驗(yàn)室等建制實(shí)驗(yàn)室組成；2006年建筑工程實(shí)驗(yàn)室批準(zhǔn)為湖南省普通高?；A(chǔ)課示范實(shí)驗(yàn)室，2009年通過(guò)評(píng)估驗(yàn)收；2015年1月獲批國(guó)家級(jí)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；2016年9月獲批省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。通過(guò)近年的建設(shè)和改革，中心主要教學(xué)成效如下：

(1)提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實(shí)踐能力、信息化應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)。近年來(lái)，土建類學(xué)生依托中心各個(gè)教學(xué)平臺(tái)完成“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”國(guó)家級(jí)項(xiàng)目10多個(gè)，省級(jí)項(xiàng)目60多個(gè)，校級(jí)項(xiàng)目100多個(gè)；參加省級(jí)以上競(jìng)賽獲獎(jiǎng)150多項(xiàng)，其中，在國(guó)家級(jí)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)20多次、省級(jí)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)120多次；學(xué)生參與教師的橫向課題和工程實(shí)踐項(xiàng)目200多項(xiàng)，累計(jì)合同金額2 000多萬(wàn)元；學(xué)生署名發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇(EI、CSCD收錄多篇)；參與儀器制作或?qū)＠O(shè)計(jì)多項(xiàng)；大部分學(xué)生獲各類執(zhí)業(yè)技能證書，基于土木工程虛擬仿真分析的常用軟件(如Midas、 YJK、PKPM、VISSIM、ANSYS等)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算和項(xiàng)目管理的工程實(shí)踐能力得到增強(qiáng)。

(2)整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提供良好實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建“基礎(chǔ)型、專業(yè)型及綜合型”虛擬仿真教學(xué)資源體系，覆蓋建筑工程、道路橋梁工程、城市地下空間工程、巖土工程、交通工程及水利水電工程等土建類專業(yè)，克服實(shí)體實(shí)驗(yàn)的諸多限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，給學(xué)生提供從工程認(rèn)知學(xué)習(xí)到專業(yè)實(shí)踐、綜合應(yīng)用訓(xùn)練多層次能力提升路徑，有效提升了學(xué)生的工程執(zhí)業(yè)能力。

(3)借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)及高速的校園網(wǎng)絡(luò)條件，土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可覆蓋到校園內(nèi)的教室、學(xué)生宿舍、圖書館及校外等網(wǎng)絡(luò)終端，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展到無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)空間，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)和校外實(shí)習(xí)教學(xué)的互補(bǔ)，提高了土建類專業(yè)校外實(shí)習(xí)的質(zhì)量，升華了實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣和解決工程實(shí)際問題的能力，拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野；逐步形成 “理論教學(xué)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合”的立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理體系的改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍信息化水平的提高。

(4)提升了專業(yè)建設(shè)和社會(huì)服務(wù)水平，促進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，畢業(yè)生“學(xué)得好”“用得上”“下得去”“干得好”“留得住”。多家國(guó)有大中型企業(yè)主動(dòng)與學(xué)校建立長(zhǎng)期的用人關(guān)系，學(xué)生就業(yè)率高達(dá) 97%以上，土建類專業(yè)辦學(xué)現(xiàn)已形成應(yīng)用型特色與品牌，被授予湖南省普通高等學(xué)校畢業(yè)生就業(yè)工作“一把手”工程優(yōu)秀單位和“全國(guó)畢業(yè)生就業(yè)典型經(jīng)驗(yàn)高?！保唤陙?lái)承擔(dān)20多項(xiàng)教學(xué)改革與質(zhì)量工程項(xiàng)目建設(shè)工作，獲得國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，湖南省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，湖南省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；參與企業(yè)重大技術(shù)難題攻關(guān)多項(xiàng)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

5　結(jié)　語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用于土木工程人才培養(yǎng)，可以解決傳統(tǒng)土木工程實(shí)踐教學(xué)與現(xiàn)代應(yīng)用型人才培養(yǎng)之間的一些突出矛盾。應(yīng)用型高校應(yīng)緊密對(duì)接產(chǎn)業(yè)發(fā)展和行業(yè)需求、找準(zhǔn)學(xué)校人才培養(yǎng)定位、面向工程實(shí)踐，校企合作開發(fā)“層次化、模塊化、體系化”的土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，構(gòu)建“高度仿真、虛實(shí)結(jié)合、開放共享”的應(yīng)用型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)“專兼結(jié)合”的 “雙師雙能型”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理與教學(xué)團(tuán)隊(duì)，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)及信息化校園條件，積極開展土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實(shí)踐能力、信息化應(yīng)用能力、綜合素質(zhì)和自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)成效。

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