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摘要:介紹土木工程實驗教學存在的問題，結合揚州大學“混凝土框架抗震虛擬仿真實驗”項目，闡述虛擬仿真實驗教學平臺的優勢、必要性以及虛擬仿真實驗教學平臺建設的意義。虛擬仿真實驗教學為土木工程教學提供了新的教學方式，勢必成為未來土木工程教學改革的重點。

關鍵詞:土木工程;仿真模擬;實踐教學

“土木工程”作為一個理論與實際緊密聯系的學科，在培養學生實際操作與動手能力方面發揮著重要作用。［1－2］目前，高校存在重理論學習、輕實驗操作的現象，造成這種現象不能單純歸結于對教育方針理念的不重視，還得考慮到實驗本身具有的特殊性，如時間跨度大、場地、機械要求苛刻、實驗效果影響因素大等方面。隨著計算機硬件和技術的發展，仿真技術的普及，虛擬仿真實驗室應運而生［3－10］。

1土木工程實驗教學存在的問題

目前實驗教學要求越來越高，土木工程專業傳統的實踐教學內容和方法已經不能滿足要求，主要存在以下幾個方面的問題。1．1實驗教學師資力量不足在很多高校都存在實驗教師相對較少的現象，這就導致實驗教師指導很難到位，難以在有限的時間內對大批量的學生進行精細的輔導，教學目標難以完成，設計性和研究性實驗難以開展。造成這種現象的主要原因有:學校對實驗教師的崗位設置較少，對其關注度不夠高，以及大家片面地認為實驗教師地位低于教學科研教師。同時，學校對實驗教師的職業發展政策較少，使實驗教師的人員流動加快，對實驗教師隊伍的發展極其不利。實驗教師是學校開展實驗教學的重要保障，因此，學校應該注重實驗教師的人才隊伍建設，從政策支持、人員培訓、項目扶持等方面提高實驗教師待遇，加強人才隊伍建設，滿足土木工程專業教學中虛擬仿真實驗教學的需求。

1．2實驗室建設成本高

傳統的實驗教學要購入費用較高的實驗儀器和設備，不僅如此，實驗室在后期也需要高額的維護費用，同時會受到時間、地點、人力、物力、財力等很多因素的限制。

1．3缺乏實地的實踐教學

目前土木類專業實習公司考慮到現場安全和效益指標的因素，不會接收大量的或者長時間的實習學生，有的公司甚至會拒絕學生去實習而變為參觀學習，導致實踐教學的質量嚴重下降。

1．4實習周期與現場實施周期不一致

在短短的時間內，學生可能只會接觸到比較少的施工環節和專業過程，不能進行一個比較完整的學習，導致實習效果不好。

1．5缺少實驗教學資源和實驗指導

實驗教學的主要任務是培養具有創新設計能力和創新實踐能力的復合型人才，但目前學生主要是通過學校發放的實驗任務書來進行試驗，實踐訓練不足，這就會使學生的創新能力無法被激發出來。當前很多高校都在進行虛擬仿真實驗教學建設，但是他們通常根據本校在土木工程學科某個領域的研究專長和特色，建立相應的教學資源，這些資源無法實現共享，不能滿足土木工程專業在不同領域培養不同人才的需求;與此同時，由不同虛擬軟件制作公司研發制作了高校的各種虛擬仿真實驗教學系統，各系統之間存在界面布局、軟件架構、操作流程等差異，實驗指導書比較缺乏，學生在實際的學習中對知識理解得不夠具體和準確，因此，建設豐富的實驗教學資源和進行較全面系統的實驗指導是非常必要的。工程仿真實踐平臺具有透明性、資源共享、交互、用戶自治、可擴展性和安全性等特點。它在許多方面都比傳統實驗和實習實踐設備好很多，并具有很好的發展應用前景。其最終目標是利用信息網絡、多媒體和人機交互等技術創建高度模擬的虛擬仿真實驗教學平臺，彌補土木工程專業實踐教學的不足，培養學生的創新能力、實踐能力、自主學習能力，以及獲取和使用信息的能力。工程虛擬仿真實驗平臺可以解決實驗硬件短缺、實驗實踐時間不夠等問題。目前，一些高校土木工程實驗室和設備條件很差，無法滿足學生科研要求;教學大綱和實驗的規則之間存在一定的差距。利用工程仿真實踐平臺，可以使用計算機仿真技術制作過程視頻、動畫，建立建筑模型，模擬物理對象等。可以在在滿足學生實驗要求的同時通過減少實驗資金的投入，彌補實驗室硬件條件的不足，從而提高實踐教學的高效性，提高人才培養水平。學生實習受到時間和環境條件的限制，由于場地和施工周期的限制，學生只能在一定時間內接觸到幾個技術環節，很難深入了解專業知識。虛擬平臺的出現提供了一種新的有效的專業實踐方法，使學生能夠整合他們所學的課程，從而系統、全面地理解所有的專業工作，大大提高了實際應用效果。

2土木工程虛擬仿真實驗教學平臺實例

建筑抗震問題是土木類專業研究的重點問題之一，混凝土框架抗震實驗是土木類等專業本科教學的重要支撐實驗。以應用最為廣泛的混凝土結構為例，在對其整體結構和單元框架進行的抗震實驗中，包含了混凝土設計原理、施工技術、結構抗震性能、結構檢測、防災減災工程等多門土木類、水利類專業課程教學內容。但該類試驗成本高、周期長、試件體量巨大、加載設備昂貴，難以在本科教學階段開展。因此，揚州大學開展了“混凝土框架抗震虛擬仿真實驗”的教學項目。實驗教學方法的實施過程分為實驗準備、試件制作、實驗加載、實驗觀測和分析。

2．1虛擬仿真實驗的功能

用戶可靈活選用網絡終端設備(PC、VR、平板、智能手機)，訪問“混凝土框架抗震虛擬仿真實驗”線上實驗教學平臺，校內學生通過身份認證，即可進入平臺開展混凝土框架抗震虛擬仿真實驗;校外用戶需要先進行注冊，注冊成功后方可進入混凝土框架抗震虛擬仿真實驗。“混凝土框架抗震虛擬仿真實驗”采用的是沉浸式實驗教學方法，用戶在進行混凝土框架抗震虛擬仿真實驗過程中配合使用VR頭盔等外置硬件，實驗效果更好。用戶進入線上實驗教學平臺后，根據功能按鈕的指向說明，通過與實驗平臺里的虛擬人物對話等方式，可以依次有序地開展凝土試件的設計、制作、安裝、水平地震力加載等模塊的虛擬實驗。

2．2虛擬仿真實驗步驟具體步驟見圖1。

2．3虛擬仿真實驗效果

應用“混凝土框架抗震虛擬仿真實驗”教學系統，能夠讓學生在仿真空間實現大型結構抗震的實驗實際操作，克服傳統實體實驗開展難的問題，使學生對混凝土構件的抗震特性具有直觀感受。同時，這樣的教學方法還具有很多實體實驗不具備的優勢:能夠讓學生更好地參與到混凝土框架設計，從“透視視角”展現內部破壞過程等。突出了以學生為中心的沉浸式、探索式的教學模式，將傳統課堂上的教學要求、教學目的更好地與實驗融合，達到了完善課程教學、優質實驗資源共享的目的。虛擬仿真教學項目可以有效完成學科專業教學大綱的相關教學任務，是低年級學生通識實驗向專業知識學習過度的重要環節，也是高年級學生專業基礎課程“混凝土結構設計”相關知識點的綜合應用。本實驗項目有利于學生通過直觀感受加深對混凝土結構設計、混凝土施工技術、結構抗震性能、結構實驗檢測等知識點的認知和理解，對于培養訓練學生的專業素質、動手實踐能力，以及滿足行業工作需要等均具有重要意義。除了解決實體實驗開展難的問題，學生仿真實驗可以通過透視化的手段，觀察混凝土結構破壞特征、鋼筋在結構破壞時產生的變形等，具有學生參與設計、循環快速進行實驗、鋼筋損傷可見、破壞過程可逆等實體實驗不具備的優勢。仿真實驗與傳統教學課程的契合度較高，能夠很好地與傳統教學進行對接并延伸拓展，通過4個學時的學習，可以直接與原有實驗觀摩課程相結合，完成相關教學大綱的要求;在課堂以外，拓展了更為靈活、生動以學生為中心的課外學時模式，高效完成原有課程的教學內容。培養學生科學探索和科技創新的能力。在部分實驗教學步驟中采用“虛實結合”的方法，以混凝土配合比制備為例，將小型試塊的實測實驗與大體量混凝土的仿真制備結合起來，學生可以在真實實驗室中進行配合比試塊的制作，并操作實驗機檢測其強度，同時大體量混凝土制備可以在虛擬系統中完成，做到“虛實結合、能實不虛”。

3虛擬仿真實驗實踐教學建設意義

3.1改革現有土木工程實驗教學的概念

通過建立虛擬仿真實驗室，原來的教學理念被升級改革。改變實驗室的運營理念及建設模式，將實驗室改造成一個開放的、流動的、不平衡的綜合性平臺，不斷地與外界交流、交換信息，實驗質量螺旋式不間斷提升，改變原有的陳舊的實驗教學方式，使實驗室成為真正意義上的校內聯動、校際共享、內外兼備的移動平臺。虛擬仿真實驗室還有以下優勢:(1)實訓系統。通過開放式的實訓系統，本專業、本校學生甚至是校外個人及團體，均可自由地進行跨專業、跨行業的資源共享，自由地提出自己的構想及思路，互相碰撞、互相交流，最大化發揮平臺作用;(2)科研平臺。搭建科研平臺能夠創造并誘導出新的社會需求，通過需求來引導資金、技術的介入，從而促進科研的進步。(3)社會服務。學校不僅要履行好教書育人的職責，也要發揮好其在社會服務方面的職責，通過社會服務的導入，及時發現實驗室內外的優點及不足，總結成果，改正問題，實現技術進步和自籌資金，進而不斷更新和發展。

3.2創新土木工程實驗教學與人才培育模式

現階段，各學校現有的資金、技術、平臺、設備很大程度上僅著眼于學校內部的需求與服務，對校外需求重視不足，但通過建立開放的虛擬仿真實驗室，不論校內校外，都可享受開放式平臺帶來的資源共享、信息交流。學生通過平臺實時了解社會動態與需求，社會通過平臺找到了解決問題的技術支持，并可在線獲得提升技能的資源，促進了工程技術的革新與發展，縮短了理論與實際的距離，達到優勢互補、共同進步。

4結語

為更好服務于土木工程科學相關專業的人才培養要求，依托虛擬仿真實驗教學是有效手段。在土木工程專業課程教學體系中加入虛擬仿真實驗教學，以此打造虛擬仿真教學平臺，構建專業的新型虛擬仿真教學體系，借助現代信息化技術達到教學目的，真正做到與時俱進。

作者:葛文杰 湯蓉 宋婉蓉 單位:揚州大學