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摘要：開展虛擬仿真教學(xué)是國家教育信息化的具體體現(xiàn)，是未來高校實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的必由之路。首先，本文總結(jié)土木工程專業(yè)課程相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，闡述進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性。其次，分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)及作用，并提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于土木專業(yè)教學(xué)的具體舉措。最后，闡述虛擬仿真教學(xué)存在的共性問題及解決策略，為今后高校土工工程專業(yè)課程開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;教育信息化;土木工程;實(shí)踐教學(xué)

土木工程具有十分鮮明的行業(yè)背景和特點(diǎn)，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，工程結(jié)構(gòu)越來越大型化、復(fù)雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復(fù)雜的地鐵系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，滿足了人們的生活需求，同時(shí)也演變?yōu)樯鐣?huì)實(shí)力的象征。在土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)占有非常重要地位，由于開展實(shí)習(xí)、實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)等教學(xué)活動(dòng)所需場(chǎng)地、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等諸多因素的制約，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)形式單一、內(nèi)容較少、知識(shí)分散，不能很好地適應(yīng)工程建設(shè)快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求，迫切需要開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。同時(shí)，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以髙度重視”。為此教育部加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，先后出臺(tái)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》和《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》等相關(guān)文件，旨在深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，其迫切性和重要性毋庸置疑。

一、土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

土木工程是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)展而來的學(xué)科，其核心課程如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《橋梁工程》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理》《隧道工程》《基礎(chǔ)工程》《工程結(jié)構(gòu)抗震》等，所涉及的教學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍存在以下特點(diǎn)。

1.實(shí)驗(yàn)構(gòu)件體量大、周期長

實(shí)體的房屋建筑、橋梁、隧道等工程，一般體量都很大，如高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻、大跨度橋梁的墩柱等，對(duì)這些大體量的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在實(shí)驗(yàn)室完成其實(shí)體實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，同時(shí)，土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)還存在成本髙、實(shí)驗(yàn)周期長等特點(diǎn)，如鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥脑嚰O(shè)計(jì)，鋼筋下料、模板制作、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)直至加載試驗(yàn)不僅耗費(fèi)大量資源，實(shí)驗(yàn)周期也很長，制約了學(xué)生的全程直接參與。

2.實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高、消耗大

土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)一般都要進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞性實(shí)驗(yàn)，而很多破壞性實(shí)驗(yàn)都具有一定的突然性，實(shí)驗(yàn)過程中的安全情況難以控制，特別是工程結(jié)構(gòu)抗震、抗火和抗風(fēng)等實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其危險(xiǎn)性更高，加之實(shí)驗(yàn)均為一次性破壞實(shí)驗(yàn)，每次均要制作模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成實(shí)驗(yàn)資源消耗較大。例如，地震模擬振動(dòng)臺(tái)設(shè)備價(jià)值昂貴，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统杀靖摺①Y源消耗大；結(jié)構(gòu)抗火實(shí)體實(shí)驗(yàn)除實(shí)驗(yàn)條件限制外，實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)性高，資源消粍也大；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備同樣昂貴，且利用率低，造成了極大浪費(fèi)。這些都在一定程度上制約了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。

3.缺乏全過程的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程一般包括試件設(shè)計(jì)、試件制作、實(shí)驗(yàn)加載、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理，最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)及試件數(shù)量的限制，學(xué)生大多分為5～8人一組，每組負(fù)責(zé)一塊內(nèi)容，分工協(xié)作，以小組為單位共同完成，導(dǎo)致每個(gè)學(xué)生不能獨(dú)立系統(tǒng)地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)工作，缺乏對(duì)試驗(yàn)的整體認(rèn)知。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)及作用

1.虛擬仿真在土木工程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

上述土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的不足，導(dǎo)致了學(xué)生專業(yè)理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的明顯不協(xié)調(diào)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性、可重復(fù)性，學(xué)習(xí)時(shí)間和地域靈活性，節(jié)能綠色性，利用可視化的動(dòng)態(tài)仿真幫助學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)理論知識(shí)的理解程度。以《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》課程為例，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，該課程針對(duì)“鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎實(shí)驗(yàn)、斜截面受剪實(shí)驗(yàn)以及鋼筋混凝土短柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)”等內(nèi)容，由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)滯后，多數(shù)情況下采用錄像視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生雖然在一定程度上理解了混凝土基本原理，但對(duì)混凝土基本構(gòu)件的受力性質(zhì)和破壞現(xiàn)象不能深入掌握。除此之外，該實(shí)驗(yàn)屬破壞性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高，危險(xiǎn)性較大，且周期較長，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作煩瑣。例如，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)每個(gè)構(gòu)件成本約1000元，從材料準(zhǔn)備、澆筑到開始實(shí)驗(yàn)至少需要一個(gè)月的時(shí)間，而且，從初始準(zhǔn)備到實(shí)驗(yàn)實(shí)施粘貼應(yīng)變片，布置測(cè)試儀表，調(diào)整加載裝置，調(diào)試等過程，需要實(shí)驗(yàn)輔助人員2～3天的時(shí)間，由于這些實(shí)體實(shí)驗(yàn)存在的一系列問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)便展現(xiàn)了其先天的優(yōu)越性。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生通過軟件操作，即可完成從試件設(shè)計(jì)到加載破壞整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，內(nèi)容直觀形象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決了實(shí)物實(shí)驗(yàn)消耗大，危險(xiǎn)性高，過程不可逆等問題，滿足了新時(shí)代學(xué)生“求變求新”和“碎片化”的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.虛擬仿真在土木工程教學(xué)中的作用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行д细黝悓?shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建立有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，其構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、功能集約、資源優(yōu)化、開放共享、運(yùn)行高效、具有虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和貼近實(shí)際、高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐創(chuàng)造了條件。它能夠推動(dòng)信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)的高度融合，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、管理和支持服務(wù)的信息化建設(shè)，深入探索信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，在信息技術(shù)支撐下改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與方法。緊密結(jié)合教學(xué)與科研，將科研理念、成果及方法融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)省錢、生動(dòng)直觀、安全可靠、情景再現(xiàn)、客觀真實(shí)等優(yōu)越性，真正實(shí)現(xiàn)了資源開放。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為我國土木工程實(shí)踐教學(xué)指明了方向。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在土木工程教學(xué)中的具體應(yīng)用

在教學(xué)方法上，依托網(wǎng)絡(luò)，借助網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，點(diǎn)擊相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過在線互動(dòng)操作、答題等方式，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。首先，學(xué)生認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)。其次，教師通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解，并演示操作。再次，學(xué)生進(jìn)行本次試驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，通過虛擬仿真管理平臺(tái)上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告，供教師審閱。在評(píng)價(jià)體系上，設(shè)置針對(duì)學(xué)生的考核模塊，在線測(cè)試，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果加以評(píng)價(jià)；同時(shí)形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳，任課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批閱，就學(xué)生的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成多層次、多角度的評(píng)價(jià)體系。在資源共享上，實(shí)踐教學(xué)仿真平臺(tái)整合虛擬教學(xué)資源，形成教、學(xué)、做、評(píng)一體化的教學(xué)軟件系統(tǒng)；教師可以輕松地安排教學(xué)內(nèi)容，掌控實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行成績統(tǒng)計(jì)；學(xué)生可以不受時(shí)間空間限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)。不僅可滿足校內(nèi)學(xué)生的使用，還可滿足其他高校師生及行業(yè)人員需求。

四、存在的問題及建議

在教育信息化的大背景下，全國各高校普遍重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，現(xiàn)針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)過程中的存在的幾個(gè)共性問題，提出相應(yīng)解決策略。

1.虛擬仿真教學(xué)資源不夠豐富

土木工程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，課程所涉及的相關(guān)實(shí)驗(yàn)較多，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，但前期投入較大，特別是內(nèi)容制作花費(fèi)昂貴。各高校普遍面臨的問題是在資金限制下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源不夠豐富或后繼實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展不夠。針對(duì)此現(xiàn)象，首先，加大經(jīng)費(fèi)投入，對(duì)已有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，收集分析學(xué)生對(duì)已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的反饋意見，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，拓展新的資源，使平臺(tái)成為一個(gè)體系完善的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。其次，在虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容建設(shè)過程中一定要堅(jiān)持“應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、能實(shí)不虛”的原則，一些簡單重復(fù)實(shí)驗(yàn)在正常實(shí)驗(yàn)課就能完成，完全沒必要虛擬化。

2.虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容同質(zhì)化

很多高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)、同質(zhì)化現(xiàn)象。有效的解決策略是全國資源共享，打破各虛擬仿真教學(xué)中心間的壁壘，讓大家都能享受到虛擬仿真教學(xué)的好處。在更多高校、專業(yè)及年級(jí)對(duì)本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行推廣，與高校進(jìn)行戰(zhàn)略合作，以資源互換、遠(yuǎn)程共享、合作共建等方式進(jìn)行推廣，進(jìn)一步延長開放時(shí)間，擴(kuò)大開放范圍，最終實(shí)現(xiàn)全面免費(fèi)開放共享。

五、結(jié)束語

開展虛擬仿真教學(xué)是未來高校實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的必由之路，只要我們?cè)谕聊竟こ虒I(yè)理論和實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，突出應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、資源共享，積極建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不斷推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，必將助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，實(shí)現(xiàn)我國的高等教育強(qiáng)國夢(mèng)。

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作者:展猛 王社良 單位:黃淮學(xué)院建筑工程學(xué)院 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院