基于“虛擬仿真技術(shù)”構(gòu)建本科實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的改革與實(shí)踐

胡朝英

摘要：本文在研究土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合本科階段土木工程專業(yè)課程的自身發(fā)展特點(diǎn)，分析了現(xiàn)代土木工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中遇到的種種現(xiàn)實(shí)問題，詳細(xì)解讀了虛擬仿真技術(shù)在構(gòu)建本科實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系中的重大作用。旨在為本專業(yè)的建設(shè)道路探尋正確的發(fā)展途徑，為建筑行業(yè)培養(yǎng)更多的專業(yè)型技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；本科；實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系；改革與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）14-0131-02

一、引言

隨著土木工程專業(yè)社會(huì)地位的逐漸提高，在新課程改革的大背景下，“虛擬仿真技術(shù)”作為高等院校土木工程專業(yè)普遍采用的主要教學(xué)手段，在其實(shí)訓(xùn)教學(xué)建設(shè)中發(fā)揮了重大的作用。目前，我國高等院校肩負(fù)著沉重的人才培養(yǎng)重任，但部分高校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系依然存在嚴(yán)重的形式主義傾向，高校學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力不足是當(dāng)前人才培養(yǎng)的主要問題。為此，結(jié)合土木工程專業(yè)具體的教學(xué)實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀，探究“虛擬仿真技術(shù)”下高等院校本科實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、構(gòu)建實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的現(xiàn)實(shí)問題

1.難以建設(shè)優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。土木工程專業(yè)作為工程與建筑類行業(yè)的重要建設(shè)內(nèi)容，其實(shí)驗(yàn)的完成要求決定了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的重要性。土木工程類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)大多在室外進(jìn)行，因此，實(shí)驗(yàn)環(huán)境便成為了實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的重大影響因素，尤其是眾多危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得本科生無法身體力行的參與其中，因此，造成了學(xué)生實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)差、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰θ醯鹊姆N種現(xiàn)實(shí)問題。

2.無法配備滿意的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。土木工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠在道路、房屋、礦井、橋梁、隧道、港口、水電站等領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)、研究、規(guī)劃的綜合性專業(yè)化高技能人才。一般而言，土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的體積大、費(fèi)用高、操作繁瑣，給實(shí)際的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)帶來了諸多煩惱和挑戰(zhàn)，同時(shí)，昂貴的設(shè)備開支也讓各大高校產(chǎn)生了深重的財(cái)務(wù)壓力。

3.不能滿足實(shí)踐性的課程要求。目前，傳統(tǒng)的操作機(jī)制仍然占據(jù)土木虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的主要位置，高校大學(xué)生進(jìn)行實(shí)地操作的機(jī)會(huì)少之又少，究其原因，這與高校、教師的實(shí)踐認(rèn)知錯(cuò)誤存在莫大的聯(lián)系。目前，社會(huì)需要的是擁有較高專業(yè)技能的綜合性技術(shù)人才，而土木工程專業(yè)的技術(shù)人才需要經(jīng)過長時(shí)間的培訓(xùn)與練習(xí)才能真正上崗，因此，更加需要大量的實(shí)踐機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)踐是人才培養(yǎng)的必備環(huán)節(jié)，并不是為了裝飾教學(xué)的一種華麗手段。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以虛擬仿真技術(shù)為操作基礎(chǔ)，虛擬仿真技術(shù)旨在運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，將抽象事物進(jìn)行具體的虛擬與仿真，并通過搭建整體化的運(yùn)行系統(tǒng)，調(diào)試具體的目標(biāo)對(duì)象以及不斷修改創(chuàng)新模擬對(duì)象等步驟進(jìn)行實(shí)際的動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的支撐下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)才得以正常進(jìn)行。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性。根據(jù)上文分析可知，本科階段的土木工程專業(yè)建設(shè)存在諸多實(shí)際問題，為了切實(shí)解決專業(yè)教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)的首要難題，及時(shí)化解學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力提升與實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式落后之間的尷尬局面，結(jié)合本科生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況、具體課程安排以及未來建設(shè)趨勢(shì)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源、系統(tǒng)的教學(xué)理論進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)型建筑人才具有莫大的推進(jìn)作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有濃縮性、獨(dú)立性以及便捷性的顯著優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備的體積較小，操作簡單，實(shí)驗(yàn)耗資較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)明顯下降，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將室內(nèi)教學(xué)與室外教學(xué)充分結(jié)合起來，可以具體形象地模擬一切可操作的室外客觀實(shí)驗(yàn)，不僅大大提高了實(shí)驗(yàn)的安全性能，也提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，加深了學(xué)生對(duì)具體實(shí)驗(yàn)的理解，便于學(xué)生開展一系列的創(chuàng)新性延伸實(shí)驗(yàn)。

四、實(shí)踐教學(xué)體系的創(chuàng)新發(fā)展模式

1.利用虛擬仿真技術(shù)，完善實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)。針對(duì)各大高校土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體建設(shè)現(xiàn)狀，建立土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)基地，建立專業(yè)的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)院校結(jié)合的一體化管理。將基礎(chǔ)性課程與專業(yè)性課程有機(jī)結(jié)合，圍繞各大高?；A(chǔ)性課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括理論力學(xué)、房屋建筑學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等，主要應(yīng)用于建筑工程、環(huán)境工程、道路工程、城市建設(shè)工程等的基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)練習(xí)；而建筑結(jié)構(gòu)工程、地基基礎(chǔ)建設(shè)工程、荷載結(jié)構(gòu)工程、項(xiàng)目管理等專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)則主要應(yīng)用于更加專業(yè)化的課程練習(xí)中。

2.結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系創(chuàng)新。 ①實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)置。在具體的課程設(shè)置上，建筑材料與力學(xué)、房屋建筑學(xué)、工程測(cè)量是主要的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。具體看來，建筑材料與力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要根據(jù)“工程力學(xué)”、“建筑結(jié)構(gòu)”以及“建筑材料設(shè)計(jì)原理”進(jìn)行具體的課程開發(fā)，主要對(duì)鋼筋、混凝土、磚等常用土木材料的力學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析和具體的模擬演示，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)間長、耗費(fèi)資源多等現(xiàn)實(shí)缺陷；房屋建筑學(xué)主要用于各類建筑的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，其具體的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括民用建筑和工業(yè)建筑的不同材料仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)各種建筑的結(jié)構(gòu)組成、受力情況、建構(gòu)要求以及不同材料的連接方式等，從而形成對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的整體認(rèn)知；工程測(cè)量主要用于各項(xiàng)工程類課程的測(cè)量與開發(fā)過程中，具體包括高度測(cè)量、角度測(cè)量、標(biāo)線測(cè)量、差異測(cè)量等，這種測(cè)量可以通過動(dòng)態(tài)性曲線，動(dòng)態(tài)畫面進(jìn)行虛擬仿真模擬，將視頻、曲線、數(shù)據(jù)、文字有機(jī)結(jié)合，不但節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，也可以讓學(xué)生更加詳細(xì)具體的了解測(cè)量原理、設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)步驟以及優(yōu)化策略，有利于提高廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得更佳的教學(xué)效果。②實(shí)訓(xùn)課程的管理模式。基于實(shí)踐性與創(chuàng)新性的發(fā)展要求，土木工程專業(yè)的實(shí)訓(xùn)課程應(yīng)該同時(shí)具備設(shè)計(jì)性與綜合性的建設(shè)特點(diǎn)。建立“創(chuàng)新式課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、課外活動(dòng)反哺教學(xué)”的全方位、立體式實(shí)踐課程教學(xué)體系，實(shí)行“啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式”的課堂教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)開放的教學(xué)環(huán)境與教學(xué)氛圍，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考和主動(dòng)實(shí)踐，并能將日常所學(xué)的基礎(chǔ)性知識(shí)切實(shí)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生自主探索、合作探究、開拓創(chuàng)新以及不斷優(yōu)化的專業(yè)能力。

3.合理開發(fā)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，做好充分的實(shí)踐準(zhǔn)備。開發(fā)固定的實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地是高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要建設(shè)手段，雖然人才的定向培養(yǎng)缺乏一定的靈活性與敏捷性，但是可以更加快速地實(shí)現(xiàn)高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。目前，眾多高校的土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為了本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)建設(shè)主要手段，因此，高校可以建立配套的仿真實(shí)訓(xùn)基地，具體可分設(shè)實(shí)驗(yàn)仿真空間站、實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)訓(xùn)車間等。另外，有的高校位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，也可以充分利用其有利的位置優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)資源，與更多的企業(yè)合作開辟實(shí)踐教學(xué)基地，為學(xué)生尋找更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)和更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)，從而擬定初步的專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃。

另外，在具體的實(shí)訓(xùn)過程中，要注意為學(xué)生營造一個(gè)良好的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，利用實(shí)物虛擬與計(jì)算機(jī)虛擬兩種主要的實(shí)訓(xùn)手段，達(dá)到理論學(xué)習(xí)與實(shí)際演練完美結(jié)合的理想境界。例如，在進(jìn)行民用建筑的安全性能進(jìn)行具體測(cè)驗(yàn)時(shí)，就要對(duì)材料的實(shí)際強(qiáng)度、物理性能以及建筑物整體的承載能力等進(jìn)行具體的參數(shù)檢驗(yàn)與模擬演示。在此過程中，學(xué)生可以在專門的實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行綜合性模擬實(shí)驗(yàn)，并能在教師的幫助下獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，借助數(shù)據(jù)處理軟件詳細(xì)分析并得出建筑物的安全系數(shù)，對(duì)影響建筑物安全性能的主要因素進(jìn)行具體的探討與研究。

五、結(jié)束語

土木工程是一項(xiàng)特色的工程與建筑學(xué)專業(yè)，高校的土木工程專業(yè)涉及一切與水、土、文化有關(guān)的基礎(chǔ)建筑內(nèi)容，在實(shí)際的建設(shè)過程中，需要結(jié)合現(xiàn)代化的企業(yè)發(fā)展目標(biāo)，灌輸先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)理念，不斷拓展全新的教育教學(xué)途徑。本文基于先進(jìn)的“虛擬仿真技術(shù)”，在宏觀分析土木工程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)問題的基礎(chǔ)上，對(duì)土木工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建與創(chuàng)新進(jìn)行了深入的探討，希望能為土木工程專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系創(chuàng)新提供有效的改革途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢曉茜.虛擬仿真技術(shù)在土木工程類本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育理論研究，2015，（07）.

[2]周國恩.仿真技術(shù)在土木工程施工教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大眾科技，2013，（04）.