新工科背景下土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

●張德秋王晶彥孟祥華周 宇孫 鵬

當(dāng)今在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，新工科背景下，與時(shí)俱進(jìn)、伴隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展以及高等學(xué)校對(duì)實(shí)踐教學(xué)能力的要求不斷提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用逐漸顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)越性①②。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)既能增加教學(xué)的樂趣、又是一種有效而且重要的教學(xué)方式，它可以利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)等技術(shù)手段應(yīng)用于土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決以往的土木工程實(shí)踐教學(xué)與當(dāng)今信息時(shí)代應(yīng)用型人才培養(yǎng)之間突出的顯著問題。早在2013年教育部就啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)③。許多高校建立了高質(zhì)量的、具有前沿性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以有效地促進(jìn)教學(xué)改革和創(chuàng)新，為社會(huì)培養(yǎng)出高質(zhì)量的技術(shù)型人才。

一、新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

近年來國(guó)家為了快速推進(jìn)“新工科”的實(shí)施，教育部先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等④。這些文件的出臺(tái)，為“新工科”的發(fā)展指明了方向。其中虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是在新工科專業(yè)發(fā)展的背景下進(jìn)入到普通高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中的，培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新型人才，在今后的新興產(chǎn)業(yè)和新時(shí)代經(jīng)濟(jì)需求的發(fā)展上更加具有創(chuàng)新力、競(jìng)爭(zhēng)力，也成為教育教學(xué)改革的新趨勢(shì)。具有顯著的優(yōu)勢(shì)如圖1。

圖1新工科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)圖

二、虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的現(xiàn)狀

現(xiàn)如今是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代、信息的時(shí)代，電子科技在飛速的發(fā)展，社會(huì)向前大步的邁進(jìn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為高校培養(yǎng)新工科背景下創(chuàng)新型應(yīng)用型技術(shù)人才打通了渠道。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在全國(guó)各大高校及科研部門得到了應(yīng)用和推廣。我學(xué)院從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建以來，充分利用這一平臺(tái)，并結(jié)合教學(xué)培養(yǎng)方案，發(fā)揮原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新思路，為培養(yǎng)新型人才搭好了平臺(tái)。

學(xué)院已完成了虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)。在2018年獲批了省級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目，資金支持200萬元，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了有力保障。這一平臺(tái)利用當(dāng)今最先進(jìn)的三維仿真技術(shù)，涵蓋了建筑工程類所有專業(yè)的施工工藝流程、施工管理等實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)方面的大部分內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的辦學(xué)條件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以施工工藝和管理為主線，通過三維立體的、真實(shí)的施工項(xiàng)目為背景實(shí)訓(xùn)演示，達(dá)到身臨其境的感覺，讓學(xué)生們?cè)诮淌依锞湍芡瓿蓪?shí)驗(yàn)的任務(wù)，解決了以往分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難處，使教學(xué)更具有系統(tǒng)性、連貫性。

三、虛擬仿真技術(shù)在土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究

基于以上的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)狀，在當(dāng)前新工科教學(xué)改革的大背景下，應(yīng)該怎樣合理地利用好虛擬仿真平臺(tái)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，培養(yǎng)好當(dāng)代大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，來完成人才培養(yǎng)目標(biāo)，是我們急需解決的問題。

土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)所就是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心⑤⑥。本專業(yè)的特點(diǎn)是綜合性較強(qiáng)需要鍛煉學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)踐能力，提高和培養(yǎng)這種綜合能力，就需要在虛擬仿真教學(xué)上下功夫，用仿真平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)工作中的各種操作。由圖2可以看出，虛擬仿真平臺(tái)給我們提供了豐富的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)手段。

首先，平臺(tái)提供的基礎(chǔ)知識(shí)板塊，能幫助學(xué)生更好地掌握土木工程的理論知識(shí)，其中包括：建筑常用類型、建筑力學(xué)知識(shí)、材料應(yīng)用知識(shí)、工程實(shí)操知識(shí)等內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)的興趣，能把理論基礎(chǔ)知識(shí)掌握的更牢靠，為后期的實(shí)踐操作提供強(qiáng)有力的支撐。

圖2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源圖

其次，三維仿真板塊，能真實(shí)地還原施工現(xiàn)場(chǎng)，可以像操作游戲一樣完成實(shí)驗(yàn)，這其中有三種模式，能達(dá)到實(shí)踐、教學(xué)、考評(píng)等目的。資料庫(kù)和工具箱，模仿了真實(shí)的施工場(chǎng)景包含了施工中用到的所有數(shù)據(jù)和資料、施工中用到的所有工具等，使學(xué)生們能快速地了解到施工的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、掌握工具的用途和使用方法。這里的流程菜單、地圖等可以學(xué)習(xí)施工管理、工藝和掌握整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況。測(cè)量放線是工程中的重點(diǎn)，學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)學(xué)習(xí)工程測(cè)量的方法，充分意識(shí)到測(cè)量對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量等問題的影響。實(shí)驗(yàn)教師可以反復(fù)地用虛擬仿真技術(shù)來講解各種測(cè)量方法，使學(xué)生更好地掌握測(cè)量的技巧，快速而準(zhǔn)確地放線施工。虛擬仿真系統(tǒng)包含了施工整個(gè)過程，保證了系統(tǒng)的完整性、準(zhǔn)確性。

最后，虛擬仿真系統(tǒng)能達(dá)到和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。其一，學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐技能學(xué)習(xí)相結(jié)合起來，提高了綜合素質(zhì)。通過仿真系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面的工作。其二，教師能充分發(fā)揮這一平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，將理論知識(shí)與技能鍛煉實(shí)踐相結(jié)合起來，豐富了教學(xué)資源，形成了完整的、合理的、適用的人才培養(yǎng)方案，提高了教學(xué)水平和教學(xué)效果。其三，學(xué)院的教學(xué)條件得到了改善，也可以面向社會(huì)，對(duì)教師進(jìn)修、培訓(xùn)提供場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)資源共享，為今后的教育教學(xué)改革、教學(xué)評(píng)估提供了有力保障。

四、結(jié)束語

總之，在教育教學(xué)改革進(jìn)行中，國(guó)家對(duì)“新工科”創(chuàng)新型人才的全新培養(yǎng)形勢(shì)下，土木工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，而且在教育教學(xué)改革中突顯出優(yōu)勢(shì)和重要性。利用土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源具有系統(tǒng)性、整體性、立體性強(qiáng)等特點(diǎn)，提升地方高校辦學(xué)條件，提高實(shí)驗(yàn)教師教學(xué)能力，培養(yǎng)出高質(zhì)量的創(chuàng)新型的合格人才。

[基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SJGY20190667）；佳木斯大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018JYXB-001）；佳木斯大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2020JY2-15）]

注釋：

①唐向陽,馬驍飛,郭翠梨等.建設(shè)高水平“化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的思路與探索[J].高等理科教育,2015(6):102-107

②林健.面向未來的中國(guó)新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究,2017(2):26-35

③教育部高教司.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94號(hào)

④李正良,廖瑞金,董凌燕.新工科專業(yè)建設(shè)：內(nèi)涵、路徑與培養(yǎng)模式[J].高等工程教育研究,2018(2):20-24,51

⑤曹玉珍,余輝,安家寶.等基于體感交互的虛擬操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015,18(4):53-55

⑥蔡釩，陳愛城,王明茲,等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2018,21(1):121-123,127