淺談高校土木工程專業虛擬實驗教學設計

呂小師+龔健

【摘要】近年來，隨著高校課程教學改革的不斷深入，虛擬教學技術越來越多的應用在課程教學過程中，尤其是實踐性較強的土木工程專業。本文針對傳統土木工程實驗教學成本高、利用率低和管理困難的問題，設計了一些主干課程的虛擬實驗教學，希望能解決目前傳統實驗教學的困境，提高高校土木工程專業實驗教學質量。

【關鍵詞】土木工程 虛擬技術 實驗教學

【基金項目】河南理工大學教育教學改革項目（2015JG089）資助。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）23-0063-02

高校土木工程專業是一個實踐性很強的專業，實驗教學是其高校日常教學中的重要組成部分，很多課程的教學都設置有實驗教學環節，包括課內實驗和課外實驗，它可以使學生更好的理解知識產生、發展和演變的過程，讓理論知識更加形象、直觀的再現在學生眼前，這對于提高學生對所學理論知識的感性認知、消化吸收、探索未知以及創新精神有很大的影響。虛擬實驗教學技術是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物，它以全面提高高校學生的創新精神和實踐能力為宗旨，旨在推動高等學校實驗教學的改革與創新[1]。可見，在高校土木工程專業課程實驗教學中推廣虛擬實驗教學非常重要。

一、傳統實驗教學的問題

傳統實驗教學是以滿足基本教學為主，讓學生通過實驗對所學理論知識有一個感性認識。這時，往往受實驗場地、實驗設備等客觀條件的限制，學生對所學知識的消化和創新得不到訓練，沒法發揮學生的想象力和創新力，達不到實驗應有的教學效果。

1.實驗教學成本高。大多數傳統的土木工程實驗環節都需要準備許多的實驗材料和實驗器材，如鋼筋、水泥、應變片、測試儀表等，這些都是一次性消耗品，使得實驗教學成本較高。

2.實驗設備利用率低。現代先進技術不斷更新，一些老的實驗設備已經無法滿足新的實驗要求，其所進行的實驗教學不便于再開設，造成了設備的閑置，利用率低下。

3.教學安全管理困難。傳統的驗證實驗都是讓學生親自到實驗室，實驗材料的現場使用給實驗教學環節產生很多不安全隱患，這就給教學環節的安全管理增加了難度。

二、虛擬實驗教學技術

虛擬實驗教學技術的基本思想是通過計算機和網絡技術，采用相應的虛擬軟件來虛擬出各種課程實驗所要求的實驗環境，實現一種以軟件為儀器的實驗目的。它能培養學生的實踐能力，提高實驗教學效果，同時，它也可以和傳統實驗教學形成互補，以更好的提高高校實驗教學質量[2]。

1.技術優勢。虛擬實驗教學技術是一種將實踐與理論、虛擬與現實相結合的創新性實驗教學手段，具有開放性、互動性和靈活性等特點。它以實際模擬和學生興趣出發，強度學生的主動學習，以培養學生的實踐能力、應用能力和創新能力。

2.教學目標。主要是培養學生如何將理論知識更好的應用于客觀實際的能力，進而培養學生的創新能力。實現學生在實驗教學環節發現問題、分析問題和解決問題的團隊協作能力。

3.組織形式。主要包括自主分析、分組討論、集體研究等三種組織形式，它們之間是相互交叉、相互配合的關系，強調一種通過虛擬對現實情景多次再現和重復思考的過程，到達深化實驗教學目標、提高實驗教學效果的目的。

三、土木工程專業虛擬實驗教學設計

虛擬實驗教學技術可涵蓋高校土木工程專業幾乎所有的課程實驗教學，如工程力學、工程管理、結構設計等。

1.建筑結構中的構件受力性能虛擬仿真實驗設計。主要是通過實驗模塊對建筑結構中的梁、柱、節點等的受力性能進行仿真研究，以直觀全面地讓學生對這些專業知識點有一個感性的理解和更好的掌握。同時，也可通過本實驗模塊讓學生對專業知識進行拓展和延伸，進而培養他們的創新能力。

2.土木工程項目施工管理仿真實驗設計。主要是通過一些參數化的動態實時仿真來演示土木工程施工的過程和工程建設項目的管理，讓學生在實時調整實驗參數的同時實現對課程知識有一個綜合的了解和掌握。這是一種以實現基礎理論、過程仿真和資源耦合的三維教學體系的設計[3]。

3.土木工程CAD制圖仿真實驗設計。主要是利用Auto CAD的三維功能，通過構建一些虛擬模型庫，再借助互聯網技術，以再現課程教學中的知識難點，讓學生能更加清晰、生動、形象的學習和練習。這樣可以讓學生在課余時間像玩游戲一樣進行三維觀察和模擬練習，實現自覺學習和提高動手能力的目的[4]。

四、虛擬實驗教學保障體系

1.注意事項。一是要注意虛擬實驗與實物實驗的有機結合，它只是在虛擬軟件下的一種全新的實驗教學方法，不是所有的傳統實驗都適合虛擬化；二是要注意加強虛擬實驗教學的過程管理，它為學生提供了一種全新的實驗教學環境，要時刻把握實驗教學方向，避免實驗教學像游戲娛樂方向發展；三是要注意虛擬實驗的結果總結，應通過虛擬實驗平臺加強與學生的溝通互動，以發現虛擬實驗教學過程中的問題，及時解決，以保證其教學效果。

2.保障體系。主要包括實驗模型精選、改革考核方式和學校技術支持等幾個方面。首先要求教師對所授課程教學資源進行整合，整理出適合虛擬教學的實驗模型來；其次是將傳統的考核方式進行改革，加大虛擬實驗環節在課程考核中所占的比例；虛擬實驗主要是通過網絡服務器群來實現的，需要學校層面加大這方面的投入，以提高教師和學生的體驗速度。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014.12.19]

[2]吳海燕.虛擬技術在工業工程實驗中的應用設想[J].實驗技術與管理.2002，19（3）：43-49

[3]李彬彬，蘇明周.土木工程虛擬仿真實驗教學體系探索與構建[J].西安建筑科技大學學報（社會科學版），2015，34（2）：96-100

[4]李潔.基于虛擬技術的《機械制圖》教學改革構想與實踐[J].職業教育研究，2011，9：167-168

作者簡介：

呂小師（1975-），男，山西晉城人，工程師，工程碩士，主要從事巖土工程、爆破工程、礦業工程的教學與科研工作。