土木工程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)

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摘要：闡述了山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心服務(wù)于本科土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的建設(shè)思路、多平臺(tái)多層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體系，以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際效果。

關(guān)鍵詞：土木工程；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

教育部《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》中要求，全國(guó)要規(guī)劃建設(shè)3000門(mén)國(guó)家精品在線(xiàn)開(kāi)放課程，建設(shè)1000項(xiàng)左右國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[7]。土木工程專(zhuān)業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到了很多技術(shù)難題[8]，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法引入本科土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于解決這些難題的重要作用表現(xiàn)在以下方面：（1）解決了實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜危險(xiǎn)、實(shí)驗(yàn)開(kāi)支較大、實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可逆等難題，讓學(xué)生能夠深入?yún)⑴c在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)能力[9-11]；（2）解決了由于時(shí)間和場(chǎng)地限制，學(xué)生無(wú)法熟悉整個(gè)工程施工過(guò)程的難題[12-13]，提高了學(xué)生實(shí)踐實(shí)操能力；（3）將教師的教學(xué)工作和科研工作有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生培養(yǎng)和教師發(fā)展互利共贏，促進(jìn)學(xué)術(shù)水平高、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多、創(chuàng)新能力強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的形成。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心概況

我學(xué)院堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，根據(jù)學(xué)校特色，結(jié)合土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案，構(gòu)建了層次結(jié)構(gòu)清晰、適宜共享、易于擴(kuò)展、依次開(kāi)發(fā)的土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在軟件方面，學(xué)院分3期共投入100萬(wàn)元進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)包括基礎(chǔ)型虛擬仿真平臺(tái)、實(shí)踐型虛擬仿真平臺(tái)和創(chuàng)新型虛擬仿真平臺(tái)3個(gè)組成部分，涵蓋了大土木工程學(xué)科及建筑學(xué)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(xué)等專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)。在硬件方面，學(xué)院一次性投入99.6萬(wàn)元進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，能同時(shí)滿(mǎn)足2個(gè)班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，使教學(xué)模式完成了從一刀切到個(gè)性化、數(shù)字化、創(chuàng)新化的過(guò)渡，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的直觀感受由靜態(tài)的線(xiàn)條變成動(dòng)態(tài)的畫(huà)面，由平面的圖片變成三維立體的模型。

2.1基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要基于本科生正常開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課，針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室中由于學(xué)時(shí)限制、場(chǎng)地限制或危險(xiǎn)系數(shù)高等原因而無(wú)法正常開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)而開(kāi)發(fā)的。主要包括巖石循環(huán)加載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、工程爆破虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、地下建筑安全疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、路基路面工程施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、巷道支護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。該平臺(tái)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要涉及巖石力學(xué)、鋼筋混凝土、工程爆破、建筑學(xué)、巷道支護(hù)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，將學(xué)生從理解枯燥的課本理論知識(shí)引申至虛擬模型中，給學(xué)生帶來(lái)“身臨其境”的感覺(jué)。在虛擬環(huán)境中，課本上枯燥無(wú)味的專(zhuān)業(yè)知識(shí)變?yōu)橹庇^的圖像動(dòng)畫(huà)模型，通俗易懂，生動(dòng)有趣，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2實(shí)踐型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)踐型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于大土木學(xué)科實(shí)際施工工程開(kāi)發(fā)的。目的是使學(xué)生懂得課堂上學(xué)到的理論知識(shí)最終是要應(yīng)用到工程實(shí)際中去的，讓學(xué)生提早對(duì)實(shí)際工程有所了解、有所熟悉，在延伸基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)提升將理論知識(shí)付諸實(shí)際應(yīng)用的能力。該平臺(tái)主要包括：淺層平板載荷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、木構(gòu)建筑施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、大跨度斜拉橋施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、地鐵工程施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、立井施工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、井巷通風(fēng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、地下綜合管廊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)與安裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、高邊坡綜合治理與支護(hù)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。該平臺(tái)下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要針對(duì)教學(xué)過(guò)程中無(wú)法開(kāi)展的實(shí)際工程問(wèn)題。學(xué)生去工地往往只能看見(jiàn)工程施工的某個(gè)階段，而無(wú)法了解整個(gè)施工過(guò)程，甚至由于危險(xiǎn)性較大而從未真正見(jiàn)識(shí)過(guò)某些施工現(xiàn)場(chǎng)，而在虛擬仿真軟件幫助下，這些問(wèn)題都將迎刃而解。

2.3創(chuàng)新型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

創(chuàng)新型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于土木工程專(zhuān)業(yè)教師的縱向、橫向科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的，目的是拓展學(xué)生視野，增長(zhǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)見(jiàn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，更新學(xué)生知識(shí)資源。該平臺(tái)主要包括：海工混凝土耐久性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、半剛性鋼框架擬靜力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、巖土滲流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、裝配式結(jié)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、海水再生混凝土與海洋材料混凝土虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、地源熱泵技術(shù)與應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、側(cè)向撞擊內(nèi)充介質(zhì)管道虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。從學(xué)生角度看，以學(xué)生為本開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，能夠使學(xué)生從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中獲得操作技能、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、工程施工、質(zhì)量檢測(cè)等方面能力的提升。在完成土木工程規(guī)范中的基本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)后，與專(zhuān)業(yè)教師的科研項(xiàng)目緊密結(jié)合，將“教-學(xué)-用”融為一體。通過(guò)與國(guó)內(nèi)知名軟件公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，使學(xué)生能夠在虛擬仿真中心完成土木工程項(xiàng)目的各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)性學(xué)科競(jìng)賽。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然是“虛擬”的、不可能完全替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但確實(shí)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好幫手，具有快速便捷的優(yōu)勢(shì)。我院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自建成投入使用以來(lái)，得到師生的廣泛好評(píng)。2018年，在土木工程專(zhuān)業(yè)大四年級(jí)6個(gè)班中開(kāi)展匿名調(diào)查，共發(fā)出241份調(diào)查問(wèn)卷，收回有效調(diào)查問(wèn)卷238份。認(rèn)為對(duì)理論學(xué)習(xí)有極大促進(jìn)、對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)非常感受興趣的在75%左右，希望將實(shí)體實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合并希望在上課時(shí)間安排虛擬實(shí)驗(yàn)的在75%以上。調(diào)查表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)極大地突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的束縛，學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間和興趣來(lái)安排學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，很大程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，是對(duì)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并以此為基礎(chǔ)積極參加省級(jí)和國(guó)家級(jí)的創(chuàng)新競(jìng)賽項(xiàng)目的極大鼓勵(lì)。

4結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，更重要的是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法和手段的深刻變革。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體現(xiàn)了“層次化、模塊化、體系化”的特點(diǎn)，按照學(xué)校培養(yǎng)大綱，并考慮工程實(shí)踐與行業(yè)需求，建設(shè)了“教學(xué)—科研”型教學(xué)團(tuán)隊(duì)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力、專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力、信息化應(yīng)用能力、綜合素質(zhì)和自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣，提高了應(yīng)用型人才培養(yǎng)成效。

作者：胡振華 王穎 王崇革 李朋 單位：山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 山東科技大學(xué) 交通學(xué)院