土木類虛擬仿真實踐教學現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展

王盛年　張鵬　陳新民

[摘 要] 土木類專業(yè)人才培養(yǎng)注重工程意識與工程實踐能力的提升，實踐教學是培養(yǎng)具有社會適應性工程應用型人才不可或缺的教學環(huán)節(jié)。加強土木類虛擬仿真平臺建設可從源頭上解決實踐教學資源不足的困難，體現(xiàn)“應用、實踐、技能”等人才培養(yǎng)內涵，實現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素質的高質量發(fā)展。通過對國內土木類專業(yè)實踐教學實情進行深入剖析，探討了建設和完善虛擬仿真專業(yè)實踐教學平臺的必要性及現(xiàn)存的問題，提出了平臺可持續(xù)發(fā)展的應對策略，可為提升土木類專業(yè)實踐教學質量與育人水平提供參考。

[關鍵詞] 虛擬仿真;實踐教學;可持續(xù)發(fā)展;土木類

[作者簡介] 王盛年（1987—），男，甘肅武威人，博士，南京工業(yè)大學交通運輸工程學院講師，主要從事虛擬仿真實驗教學與軟件開發(fā)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0037-04? ?[收稿日期] 2020-09-12

一、引言

經濟發(fā)展新常態(tài)下的供給側結構性改革使得我國高等教育現(xiàn)代化面臨著規(guī)模結構、社會需求、教育目標、實施主體、專業(yè)調整等眾多現(xiàn)實矛盾，其直接體現(xiàn)就是傳統(tǒng)工科專業(yè)建設與新工、新業(yè)態(tài)需求脫節(jié)，以及傳統(tǒng)工程教育與現(xiàn)代工業(yè)人才市場需求脫節(jié)[1]。如何定位和培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的工程應用型人才，使學生在熟練掌握專業(yè)實踐技能同時兼具更強的就業(yè)、創(chuàng)業(yè)能力，是工程應用型本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革面臨的關鍵問題[2]。2018年10月17日教育部發(fā)布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，要求高等教育應以學生發(fā)展為中心，圍繞激發(fā)學生學習興趣和潛能重塑教育形式。2019年1月24日國務院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實施方案》指出，高層次應用型人才培養(yǎng)應以職業(yè)需求為導向、以實踐能力培養(yǎng)為重點、以產學研用結合為途徑推進教育高質量發(fā)展。這些文件的頒布說明，在新的高等教育形勢下，發(fā)展新的教學手段和教學方法，積極推進專業(yè)實踐教學改革，培養(yǎng)具有社會適應性工程應用型人才，是當前迫切需要解決的重要任務。

二、土木類虛擬仿真平臺建設必要性

土木類專業(yè)是一個注重工程意識和工程實踐能力培養(yǎng)的專業(yè)。然而，受傳統(tǒng)教學觀念影響，人才培養(yǎng)模型長期側重理論教學，加之缺少實踐教學軟硬件設施以及充足的實踐教學經費，專業(yè)實踐教學與理論教學比例失衡，實踐教學內容與形式缺乏創(chuàng)新[3]。另外，由于缺少有效監(jiān)督，實踐教學存在實踐內容不全面、評價機制模糊、標準不規(guī)范等問題，難以保障實踐教學達到最佳效果和實現(xiàn)高質量人才培養(yǎng)目標[4]。

土木類專業(yè)工程教育認證要求人才培養(yǎng)目標應定位于培養(yǎng)工程實踐能力強的應用型、復合型高級技術人才，且這些高級技術人才需具有較強的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新精神，也即所培養(yǎng)畢業(yè)生須具備扎實理論功底、廣泛的專業(yè)知識、豐富的實踐能力、過硬的綜合素質，以及兼具較強科技運用、推廣、轉換能力等職業(yè)特點[5，6]。顯然，實踐性教學應是土木類專業(yè)應用型人才培養(yǎng)的重中之重。

以新信息技術為本質特征的虛擬仿真技術可為當代大學生提供全天候、立體化、高效高保真的“頂峰體驗式”實踐學習資源。通過借助虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、多媒體和人機交互等先進技術手段構建集聽覺、視覺、觸覺、嗅覺為一體的虛擬仿真實踐教學平臺，實現(xiàn)無限逼真的虛擬實踐場景，以新的教學形式激發(fā)學生實踐興趣與積極性，使學生在具有強烈環(huán)境沉浸感的重復性互動學習中實現(xiàn)從理論到實踐、理論與實踐的交叉融合，不僅可突破傳統(tǒng)實踐教學存在的場地設施不足、時間短、成本高、手段匱乏、科技含量低、學生認知感差等困境，培養(yǎng)學生知識獲取與獨立思考的能力，彌補當前實踐教學的不足，而且可通過虛擬教學資源的豐富性、可拓展性和強共享性等優(yōu)勢加快高等工科實踐教育與現(xiàn)代信息技術深度融合，體現(xiàn)“應用、實踐、技能”等人才培養(yǎng)內涵，實現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素質協(xié)調發(fā)展[7，8]。

因此，加強土木類虛擬仿真實踐教學平臺建設，擴充更廣泛、有難度、有深度、可互動、形象逼真的實踐教學資源，從源頭上解決實踐資源不足的困境，不僅可進一步保障畢業(yè)生達到行業(yè)認可既定質量標準，實現(xiàn)培養(yǎng)人才能力和企業(yè)需求相一致，而且可凸顯實踐教學地位、降低實訓成本，從而加速高等工科教育模式革新，提高新工科實踐教學質量和育人水平。

三、土木類虛擬仿真實踐教學現(xiàn)狀

基于虛擬仿真技術的協(xié)作、共享實踐學習在未來將持續(xù)對高等教育教學產生重大影響，發(fā)展虛擬仿真教育教學是大勢所趨[9]。目前，國外許多高校已建立了內容豐富的虛擬仿真教學網絡資源庫，并逐步形成了虛擬仿真教學過程管理的標準與體系。如英國開放大學借助虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)了用于地球科學實驗研究的虛擬顯微鏡，可觀察存放在世界各地博物館、大學、科研機構中的地球表面巖石材料和數百種英國本土巖石樣本[ 10 ];美國、新西蘭等一些國家則先后利用虛擬仿真手段，實現(xiàn)了典型力學試驗的過程仿真與設計，有效激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)造性[ 11 ]。

我國自2018年教育部下發(fā)《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》以來，已累計完成虛擬仿真教學實驗項目2079項。盡管這些虛擬仿真項目的實現(xiàn)為構建我國高等教育虛擬仿真教學共享服務體系提供了強有力的支撐，但與美英等國家相比，不論是數量還是質量均存在較大差距。單就土木類虛擬仿真平臺建設與應用現(xiàn)狀來講，雖然我國目前已建成土木類虛擬仿真教學實驗119項（含國家級認定項目13項），但在資源豐富性、教學內容完備性、技術標準與兼容性、建設運維保障體系等方面尚存諸多問題。

（一）資源豐富性與典型性有待提升

盡管現(xiàn)有虛擬仿真實驗可在一定程度上緩解實踐教學資源不足困境，然而土木類實踐教學種類及內容遠不止于此，特別是一些實踐教學涉及大型貴重設備或者對場地有特殊要求，進一步擴充資源種類及典型案例數量具有重要意義。

（二）教學內容與軟件設計存在偏差

專業(yè)教師可根據實踐教學目的、知識點及要求設計教學內容，但專業(yè)教師本身往往不具備虛擬仿真開發(fā)能力;軟件公司雖在開發(fā)技術方面具有優(yōu)勢，但不了解學科專業(yè)實踐要義，開發(fā)的軟件多存在缺陷，無法滿足教學大綱所要求的教學效果[ 12 ]。建設專門從事虛擬仿真教學資源開發(fā)的教師隊伍，設計多層次、分等級的漸進式實踐教學模式十分必要。

（三）用戶參與不足與反饋改進滯后

國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺的建成為優(yōu)質實踐教學資源的開放共享和充分使用提供了便利，但孤立的在線教學平臺及泛在化的教學資源屬于孤立的知識，如果沒有面對面引導、輔導、總結和討論環(huán)節(jié)，學生容易處于“無人管理”狀態(tài)。如何提升用戶參與度，并充分利用平臺資源實現(xiàn)探究性學習是進一步挖掘虛擬仿真實踐教學資源潛力并充分開放的關鍵。另外，盡管現(xiàn)有共享平臺已建立評價反饋機制，但體系過于簡單，且大多數平臺存在在用戶做出反饋意見后無響應或改進滯后問題，究其緣由主要還是平臺的管理者與開發(fā)者多分屬不同獨立機構，信息傳遞與響應遲緩。

（四）虛擬仿真項目建設缺乏標準且資源兼容性差

目前，常用于虛擬仿真項目建設的工具有Unity、BIM、Virtools、clut3D等，其所開發(fā)的平臺在系統(tǒng)架構、數據庫支持、功能擴展接口等方面各不相同，相互對接困難，極大的阻礙著平臺后期功能的完善與資源的擴充。

（五）建設運維保障不足

盡管目前通過高校、地方政府和教育部等部門的經費支持完成了初具規(guī)模的平臺建設，但要建成滿足教學大綱要求的虛擬仿真軟硬件平臺，后期仍需要充足經費支持，特別是平臺軟件功能完善、資源擴充以及后期運維等，均需要長期持續(xù)經費投入。

四、虛擬仿真實踐教學可持續(xù)發(fā)展

“互聯(lián)網+教育”的蓬勃發(fā)展為專業(yè)人才培養(yǎng)與職業(yè)教育提供了網絡化、信息化、虛擬化的實踐環(huán)境。虛擬仿真實踐教學平臺建設是國家職業(yè)教育改革的重要推力，其可持續(xù)發(fā)展將直接影響我國高等教育教學質量和育人水平。綜合應用各種技術手段改進、完善平臺設計理念與功能是實現(xiàn)虛擬仿真實踐教學平臺可持續(xù)發(fā)展的基本內容，持續(xù)有效的管理制度和社會參與則是虛擬仿真實踐教學平臺可持續(xù)發(fā)展的必要保證。因此，保障虛擬仿真實踐教學平臺可持續(xù)發(fā)展可從以下方面著手。

（一）加強頂層設計，強化資源開發(fā)

虛擬仿真實踐教學平臺的建設不能為求新而求新，良好的頂層設計是推動虛擬仿真平臺可持續(xù)發(fā)展的前提。建設或完善擴充虛擬仿真實踐教學平臺功能與資源時，應以構建專業(yè)群為目標，強調教學資源的共享性，減少物資的重復投入，同時也應充分考慮各專業(yè)在資源需求上的差異性，保障各專業(yè)的實踐教學需求的特殊性。

（二）健全共享機制，提升社會參與度

平臺管理制度清晰、知識產權歸屬明確、技術開發(fā)標準統(tǒng)一、經費投入充沛持續(xù)，是平臺資源開放共享和充分使用的重要保障。虛擬仿真實踐教學平臺應健全、完善管理體系，并建立有效的激勵機制，鼓勵加大虛擬仿真平臺利用程度。在教師方面，可考慮將平臺使用情況列入年度教學考核，鼓勵教師利用平臺開展教學改革、提升教學理念等;在學生方面，積極提倡學生發(fā)揮主觀能動性，開展探究性實踐學習，并將虛擬仿真學習過程納入實訓考核內容等。

（三）挖掘平臺潛力，改革教師隊伍

虛擬仿真平臺實踐教學資源的在線開放性決定了其不僅可為每一個用戶提供既有泛在化又分層次的優(yōu)質資源環(huán)境，開展自主學習和個性化學習，而且可打破不同專業(yè)的壁壘，優(yōu)化各個專業(yè)實踐教學資源，增強復合專業(yè)知識。教師應充分借助實踐教學平臺與學生線上線下互動，挖掘、釋放平臺潛力，提升教學質量。同時，通過潛移默化地拓展學生的復合專業(yè)技能，促進學生綜合能力的發(fā)展[ 13 ]。另外，虛擬仿真資源的開發(fā)和應用需要專業(yè)教師的持續(xù)設計與更新，這就要求必須加強師資隊伍的建設，優(yōu)化師資隊伍的結構與水平，從而為平臺的可持續(xù)發(fā)展提供原創(chuàng)力。

（四）健全長效管理，完善評價體系

虛擬仿真實踐教學平臺管理應做到使用時間和開放日程的合理規(guī)劃，避免造成使用沖突，同時，應制定合理引導策略與獎勵政策，如制定合理的虛擬仿真平臺實踐教學績效評價體系，提升平臺資源認可度并設置相應科研獎勵等，從而促進平臺的利用率及資源開發(fā)。當然，為持續(xù)改進平臺的口碑與可使用性，建立高效評價反饋體系，并依據反饋意見對平臺的功能與資源進行不間斷的質量改進，擴大輻射示范作用，是虛擬仿真實踐教學平臺可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

五、結語

“互聯(lián)網+教育”背景下，虛擬仿真實踐教學已成為國家信息化教育戰(zhàn)略實施的重要支撐，建設、完善虛擬仿真實踐教學平臺不僅可加快高等工科實踐教育與現(xiàn)代信息技術深度融合，而且可促進新工科教育模式革新，提升教學質量和育人水平。

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Abstract： Talents training for majors related to civil engineering focuses on the improvement of engineering consciousness and practical ability. Practice teaching is an indispensable teaching content for cultivating applied talents with social adaptability. Strengthening the construction of virtual simulation practice teaching platforms for majors related to civil engineering can solve the difficulties in the shortage of practice teaching resources， embody the talents cultivation connotations such as application， practice， skills， and realize the high-quality development of talent training in knowledge， ability and quality. Based on the current practice teaching situation of majors related to civil engineering， the necessity and existing problems of constructing and improving the virtual simulation practice teaching platforms are analyzed， and the strategies for the sustainable development of the virtual simulation practice teaching platforms are discussed. The results can provide a reference for improving the teaching quality and education level of practice teaching.

Key words： virtual simulation; practice teaching; sustainable development; civil engineering related