土木工程仿真實驗教學中心建設

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摘要：闡述了山東科技大學土木工程與建筑學院虛擬仿真實驗教學中心服務于本科土木工程專業人才培養的建設思路、多平臺多層次虛擬仿真實驗教學資源體系，以及虛擬仿真實驗教學的實際效果。

關鍵詞：土木工程；虛擬仿真；實驗教學；虛擬實驗

1虛擬仿真實驗教學的重要性

教育部《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中要求，全國要規劃建設3000門國家精品在線開放課程，建設1000項左右國家虛擬仿真實驗教學項目[7]。土木工程專業在實驗教學中遇到了很多技術難題[8]，將虛擬仿真實驗方法引入本科土木工程實驗教學，對于解決這些難題的重要作用表現在以下方面：（1）解決了實驗操作復雜危險、實驗開支較大、實驗過程不可逆等難題，讓學生能夠深入參與在傳統實驗室無法完成的實驗內容，提高了學生的創新能力和綜合設計能力[9-11]；（2）解決了由于時間和場地限制，學生無法熟悉整個工程施工過程的難題[12-13]，提高了學生實踐實操能力；（3）將教師的教學工作和科研工作有機結合，使學生培養和教師發展互利共贏，促進學術水平高、實踐經驗多、創新能力強的實驗教學團隊的形成。

2虛擬仿真實驗教學中心概況

我學院堅持“能實不虛、虛實結合”的原則，根據學校特色，結合土木工程專業人才培養方案，構建了層次結構清晰、適宜共享、易于擴展、依次開發的土木工程虛擬仿真實驗教學中心。在軟件方面，學院分3期共投入100萬元進行虛擬仿真系統平臺開發。該平臺包括基礎型虛擬仿真平臺、實踐型虛擬仿真平臺和創新型虛擬仿真平臺3個組成部分，涵蓋了大土木工程學科及建筑學科，如土木工程、巖土工程、交通工程、橋梁工程、城市地下空間工程、水利水電工程、建筑學等專業相關知識。在硬件方面，學院一次性投入99.6萬元進行虛擬仿真實驗教學中心建設，能同時滿足2個班的實驗教學需求。虛擬仿真實驗教學中心建設，使教學模式完成了從一刀切到個性化、數字化、創新化的過渡，讓學生對知識的直觀感受由靜態的線條變成動態的畫面，由平面的圖片變成三維立體的模型。

2.1基礎型虛擬仿真實驗平臺

基礎型虛擬仿真實驗平臺主要基于本科生正常開設的專業課，針對現有實驗室中由于學時限制、場地限制或危險系數高等原因而無法正常開展的實驗而開發的。主要包括巖石循環加載虛擬仿真實驗模塊、鋼筋混凝土簡支梁虛擬仿真實驗模塊、工程爆破虛擬仿真實驗模塊、地下建筑安全疏散虛擬仿真實驗模塊、路基路面工程施工虛擬仿真實驗模塊、巷道支護虛擬仿真實驗模塊等。該平臺中的虛擬仿真實驗模塊主要涉及巖石力學、鋼筋混凝土、工程爆破、建筑學、巷道支護等專業基礎課程，將學生從理解枯燥的課本理論知識引申至虛擬模型中，給學生帶來“身臨其境”的感覺。在虛擬環境中，課本上枯燥無味的專業知識變為直觀的圖像動畫模型，通俗易懂，生動有趣，為后續專業課程學習打下堅實基礎。

2.2實踐型虛擬仿真實驗平臺

實踐型虛擬仿真實驗平臺是基于大土木學科實際施工工程開發的。目的是使學生懂得課堂上學到的理論知識最終是要應用到工程實際中去的，讓學生提早對實際工程有所了解、有所熟悉，在延伸基礎實驗的同時提升將理論知識付諸實際應用的能力。該平臺主要包括：淺層平板載荷虛擬仿真實驗模塊、木構建筑施工虛擬仿真實驗模塊、大跨度斜拉橋施工虛擬仿真實驗模塊、地鐵工程施工虛擬仿真實驗模塊、立井施工虛擬仿真實驗模塊、井巷通風虛擬仿真實驗模塊、地下綜合管廊虛擬仿真實驗模塊、海上風電吸力基礎與安裝虛擬仿真實驗模塊、高邊坡綜合治理與支護設計虛擬仿真實驗模塊等。該平臺下的虛擬仿真實驗模塊主要針對教學過程中無法開展的實際工程問題。學生去工地往往只能看見工程施工的某個階段，而無法了解整個施工過程，甚至由于危險性較大而從未真正見識過某些施工現場，而在虛擬仿真軟件幫助下，這些問題都將迎刃而解。

2.3創新型虛擬仿真實驗平臺

創新型虛擬仿真實驗平臺是基于土木工程專業教師的縱向、橫向科研項目開發的，目的是拓展學生視野，增長學生專業見識，激發學生學習動力，更新學生知識資源。該平臺主要包括：海工混凝土耐久性虛擬仿真實驗模塊、半剛性鋼框架擬靜力虛擬仿真實驗模塊、巖土滲流虛擬仿真實驗模塊、裝配式結構虛擬仿真實驗模塊、海水再生混凝土與海洋材料混凝土虛擬仿真實驗模塊、地源熱泵技術與應用虛擬仿真實驗模塊、側向撞擊內充介質管道虛擬仿真實驗模塊等。從學生角度看，以學生為本開發實驗模塊，能夠使學生從虛擬仿真實驗中獲得操作技能、項目設計、工程施工、質量檢測等方面能力的提升。在完成土木工程規范中的基本專業實驗后，與專業教師的科研項目緊密結合，將“教-學-用”融為一體。通過與國內知名軟件公司聯合開發，使學生能夠在虛擬仿真中心完成土木工程項目的各個實踐環節，并基于虛擬仿真實驗中心的平臺，指導學生參加全國性學科競賽。

3虛擬仿真實驗教學效果

虛擬仿真實驗教學雖然是“虛擬”的、不可能完全替代實體實驗教學，但確實是實驗教學的好幫手，具有快速便捷的優勢。我院虛擬仿真實驗教學中心自建成投入使用以來，得到師生的廣泛好評。2018年，在土木工程專業大四年級6個班中開展匿名調查，共發出241份調查問卷，收回有效調查問卷238份。認為對理論學習有極大促進、對虛擬仿真實驗非常感受興趣的在75%左右，希望將實體實驗室和虛擬實驗室相結合并希望在上課時間安排虛擬實驗的在75%以上。調查表明，虛擬仿真實驗教學中心的建設極大地突破了傳統實驗教學的束縛，學生可以根據自己的時間和興趣來安排學習虛擬仿真實驗項目，很大程度上調動了學生的主觀能動性，是對學生開展創新性虛擬仿真實驗項目，并以此為基礎積極參加省級和國家級的創新競賽項目的極大鼓勵。

4結語

虛擬仿真實驗教學中心不僅節約了實驗教學成本，更重要的是對傳統教學理念、教學模式、教學方法和手段的深刻變革。虛擬仿真實驗教學在土木工程專業創新型人才培養方面具有較強的優勢。土木工程虛擬仿真實驗教學資源體現了“層次化、模塊化、體系化”的特點，按照學校培養大綱，并考慮工程實踐與行業需求，建設了“教學—科研”型教學團隊，提升了學生的創新能力、專業實踐能力、信息化應用能力、綜合素質和自主實驗學習興趣，提高了應用型人才培養成效。

作者：胡振華 王穎 王崇革 李朋 單位：山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗 山東科技大學 交通學院