土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設

徐 明， 熊宏齊， 吳 剛， 宗周紅， 汪 豐， 舒贛平

(東南大學 a. 土木工程學院； b. 設備處， 江蘇 南京 210096)

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土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設

徐 明a， 熊宏齊b， 吳 剛a， 宗周紅a， 汪 豐b， 舒贛平a

(東南大學 a. 土木工程學院； b. 設備處， 江蘇 南京 210096)

虛擬仿真實驗教學信息技術在教育領域具有重要作用，是教育信息化的重要組成部分。根據土木工程實驗教學的特點，分析了土木工程專業開展虛擬仿真實驗教學的必要性。現以土木工程虛擬仿真實驗教學中心的建設為例，介紹虛擬仿真實驗教學如何在高校土建類專業人才培養過程中發揮特長與優勢，以及東南大學在構建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學體系，服務于本科土建類專業人才能力培養的建設思路。論述了虛擬仿真實驗教學對學生實踐能力、創新能力的培養所起的促進作用。

虛擬仿真實驗； 實驗教學； 土木工程； 實驗室建設

0 引 言

實驗教學對于激發學生的創新意識，拓展學生的創新思維，增長學生的創新技能，涵養學生的創新品格方面的作用，是其他任何教學形式所不能替代的[1]。在不斷深化教育教學改革，全面提高高等教育質量的背景下，教育信息化在培養學生創新精神和實踐能力方面的作用不斷凸顯，教育部從2013 年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[2]。現以土木工程虛擬仿真實驗教學中心的建設為例，介紹虛擬仿真實驗教學如何在高校土建類專業人才培養過程中發揮特長與優勢，以及東南大學在構建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學體系，服務于本科土建類專業人才能力培養的建設思路。論述了虛擬仿真實驗教學對學生實踐能力、創新能力的培養所起的促進作用。

1 虛擬仿真實驗教學必要性

隨著經濟的發展，技術的進步，現代土木工程發展愈來愈呈現出“空間體量巨大、結構類型復雜、施工周期長、管理復雜化”的趨勢。在傳統的土木工程專業實踐教學中，施工現場認識實習和生產實習，往往需要“一個構架拼裝要看1周，一個基坑施工要看1年”；而傳統的校內實驗受設備與技術的制約，其實驗形式單一、內容有限、知識分散，顯現出“管中窺豹、略見一斑”的弊病，完全不能適應建筑業的快速發展對人才培養提出的新要求。迫切需要開展虛擬仿真實驗，與實體實驗與實踐相互補充，相得益彰，彌補真實實驗教學的不足[3-12]。

2 建設目標

土木工程虛擬仿真實驗教學中心將傳承東南大學百年育人傳統，秉承“止於至善”的優良校風，遵循國際高等教育發展和現代人才培養的客觀規律，結合時代需要和學校特色，充分發揮重點學科和重點科研基地優勢，強化校企聯合，以學生創新精神和實踐能力培養為引領，以建設開放度高、共享性好的優質虛擬仿真實驗教學資源為重點，堅持“虛實結合、互相補充、能實不虛”的原則，以“立足教學、教研融合、面向工程、開放共享”為教學理念，力爭在虛擬仿真實驗教學資源建設、共享管理平臺建設、實驗教學和管理隊伍建設、管理體系建設等各方面取得全面突破和創新，構建多層次、模塊化、全方位的實驗教學體系，突出大工程人才培養特色，強化土建學科融合，打破時空限制，建立課內課外一體化的人才培養體系，將土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設成為“教學資源豐富、管理機制完善、信息平臺功能全面、師資隊伍水平一流”的高水平的實驗教學示范基地[13-15]。

3 建設思路

3.1 構建立體化、多層次的虛擬仿真實驗平臺

依托東南大學國家級土木工程實驗教學示范中心，構建虛實結合的虛擬仿真系統，給學生提供理論認知與動手實踐的實驗環境，全面提高實驗效果，開闊學生的思維視野，培養創新能力。土木工程虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真課程實驗及綜合訓練項目跨越不同難度層次(由基本概念提高到研究創新等)，覆蓋不同知識內涵(包括建筑、結構、施工、管理等)，體現不同實現方式(包括認知感受、動手操作、創意設計、系統實現等)。

3.2 依靠科研基地，實現科研項目向教學內容轉化

依托國家預應力工程技術研究中心、玄武巖纖維生產及應用技術國家地方聯合工程研究中心、混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室、城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室、江蘇省工程力學分析高校重點實驗室等一大批重點科研基地，積極將科研團隊的研究項目向教學內容轉化，開發形成一系列虛實結合的綜合工程訓練項目，將設計、虛擬和仿真融于一體，讓學生能夠基于虛擬實驗平臺完成設計、施工等綜合實驗實踐環節，實現了教學與科研的有機結合，為高端人才的培養提供了重要支撐。

3.3 聯合合作企業，構建面向實際工程的虛擬仿真實驗平臺

依托于中國建筑工程總公司、中鐵大橋局集團有限公司、柳州歐維姆機械股份有限公司、南京棲霞建設集團等國內土木行業知名企業，中心與其合作，將它們所完成的如港珠澳跨海大橋、滬通長江大橋、深圳大運會主體育館等大量國家重大工程項目轉化為一系列面向工程的虛擬仿真實驗項目。讓學生能過通過虛擬仿真實驗平臺，去體驗、經歷、完成重大工程的各個重要環節，親身體會工程實踐的重要性，為今后的實際工作打下堅實的基礎。

3.4 充分利用學校實踐教學基礎

中心在優化虛擬仿真教學資源的同時，注重師資隊伍建設和管理體系建設。建立了由包含國家級教學名師、國家級教學團隊引領的專職教學團隊，并引入企業教師隊伍，確保專業教學和實驗指導順利開展，校內師資與企業人員相互配合，內引外聯，專兼結合，注重將專業科研以及虛擬仿真技術的成果應用于實踐教學。在管理運行方面，建立了時間、空間、內容“三維”開放的機制，以滿足不同個性、不同水平、不同專業學生的需求。

3.5 充分利用學校網絡化基礎

虛擬仿真實驗中心為土木工程專業的學生提供了多樣的實驗項目供選擇，資源共享，打破了專業實驗的限制，更有利于培養學生的創新能力。課程設置具有層次化、系列化、模塊化的特點，實驗體系連貫性強，可以擴展學生的專業視野。這些教學和實踐項目讓“課堂成為實驗室”、“課外成為施工現場”，對土建類專業學生加深學科知識理解，親自操作完成復雜性高、專業性強、危險性高的專業技能提供了直觀、數字化、沉浸感的訓練平臺。每年為全校土建類專業2 700余名學生共享。使得教學與實踐得到更緊密的結合，對加速培養高質量的工程技術人才和專業研究人員將產生深遠影響。

4 構建虛擬實驗教學體系

中心確立了“立足教學、教研融合、面向工程、開放共享”的虛擬仿真實驗教學理念，旨在將虛擬實驗與真實實驗相互補充，將高水平的科研成果反哺實驗教學, 將重大工程實踐轉化為實驗教學內容，通過現代化信息手段和云資源庫建設，實現教學資源與仿真實驗的開放與共享，不斷提升學生的實踐與創新能力。

中心面向土木工程、建筑學、交通工程及其它相關專業，形成了“三層次、四模塊、五結合”的教學體系。“三層次”即按照人才培養需求與培養規律，將實驗教學內容劃分為基礎訓練、提高訓練和創新訓練；“四模塊”是按專業知識體系與工程實踐規律，包括土木工程設計、施工、管理、創新實踐四大模塊；“五結合”是與理論課程、與實體實驗、與科研成果、與實際工程及與企業實踐相結合。四大虛擬仿真實驗模塊18門實驗課程支撐8門專業主干課程與12門實體實驗實踐課程，輻射其他16門專業課程，基本覆蓋了土木工程專業的主要專業課(見圖1、2)。

圖1 實驗教學體系

圖2 虛擬仿真實驗平臺與理論及實體實驗課程關系

5 實驗教學成效

5.1 豐富實驗教學資源

在常規實驗之外，面向土木工程、建筑學、交通工程等專業，4個虛擬仿真實驗模塊18門實驗課程70個實驗項目，每年為2 700多名學生開展虛擬仿真實驗教學工作。由于虛擬仿真實驗教學的開展，之前無法開展的真實實驗教學在虛擬教學中心得以實現，使土木工程專業實踐教學學時比例從2004年的19%上升到2013年的25%。

5.2 完善實驗教學體系

基于計算機虛擬仿真技術構建的實驗平臺，在土木工程結構設計與分析、土木工程施工、土木工程管理等專業課程群中,在原有103項實體實驗與實踐項目基礎上，通過70項新增的虛擬仿真實驗，增加了過去無法進行的實驗內容。實現了基本原理的形象再現、創新實驗可操作，使基礎實驗和創新實驗能夠根據課程需要設置，使真實實驗與虛擬仿真實驗相互補充，從而形成了“基礎—提高—創新”三層次、完整的虛實結合的實踐教學體系，保證了適應現代土木工程發展的高素質創新人才培養的需要。

5.3 提升學生信息化能力

通過虛擬仿真實驗教學，學生對于土木工程虛擬仿真設計與分析的常用軟件，如PKPM、ANSYS、ABAQUS、Midas等有了更直觀感性的認識，基于這些軟件進行結構分析、輔助設計、項目管理的能力得到了大幅提升。虛擬仿真實驗教學化抽象為具體，有效地激發了學生想象力，促進了實踐創新，提升了學生的信息化應用能力。近年來，我校學生在老師指導下，基于ANSYS及ABAQUS等大型有限元分析軟件，開展各種結構模型仿真分析，在此基礎上制作實體模型，參加各種層次、類型的競賽，均取得了優異成績(見圖3)。

圖3 東南大學結構設計競賽

5.4 增強創新實踐能力

中心重視學生創新能力的培養，結合國家、省、校級大學生科技創新項目，學生獲得一批有影響力的獎項。自2008年以來，土木工程專業學生獲批“國家級大學生創新創業訓練計劃項目”47項、“江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目”50項、“基于教師科研的大學生創新實踐項目”29項、校/院級科研創新訓練項目90余項/年，達到每名學生在大學四年期間至少完成1項科研創新訓練項目，在以上項目的完成過程中，學生利用土木工程創新實踐虛擬仿真平臺進行仿真分析。在全國結構設計、建筑信息模型、力學、混凝土材料設計競賽等大賽中獲特等獎2項、一等獎14項、二等獎12項、三等獎18項，獲省部級競賽獎勵58項。授權多項國家發明專利及實用新型專利；每年參加“東南大學結構設計競賽”的學生包括土木、交通、建筑、材料等專業的學生達1 500人以上，在模型設計過程中，依托土木工程創新實踐虛擬仿真平臺進行模型的仿真分析。在國內外學術期刊及重要論文集上發表論文50余篇，多次參加國內外學術會議及論壇并宣讀論文。學生以綜合素質高、創新能力強，受到行業領軍企業的好評；深造率保持在40%以上，校際交流的推薦免試研究生受到國內頂尖學校的青睞。

5.5 提升專業建設水平

在本科教學質量工程上，中心近年來成果顯著，土木工程專業和工程管理專業為國家級特色專業建設點，教育部綜合改革試點專業，國家級卓越工程師培養計劃專業；有 1個國家級教學團隊，2個國家級工程實踐教育中心，1個國家大學生校外實踐教育基地；6門國家精品課程，5門國家級精品資源共享課立項建設課程，2本國家級精品教材，6種(10本)十二五國家級規劃教材；1名國家級教學名師，1名省級教學名師。

6 結 語

通過多年的建設，土木工程虛擬仿真實驗教學中心已經成為由國家級教學團隊及國家級教學名師負責規劃和建設，面向土木工程、工程管理2個國家級高等教育特色專業和其他相關專業的實驗實踐教學基地，為“結構力學”、“工程結構設計原理”、“建筑結構設計”、“工程結構抗震與防災”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6門國家級精品課程和其他相關課程開展虛擬仿真實驗教學，面向7個專業的學生開展創新訓練。2014年，中心獲批為國家級土木工程虛擬仿真實驗教學中心。

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Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Civil Engineering

XUMinga,XIONGHong-qib,WUGanga,ZONGZhou-honga,WANGFengb,SHUGan-pinga

(a. School of Civil Engineering; b. Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University, Nanjing 210096, China)

The virtual simulation experimental teaching is an important application of the information technology in higher education, and becomes an important part of educational informatization. According to the characteristics of the experimental teaching of civil engineering, the necessity of carrying out the virtual simulation experiment teaching of civil engineering is analyzed. Taking the construction of Virtual Experimental Teaching Center for Civil Engineering in Southeast University as an example, this paper analyzes the strengths and advantages of virtual simulation teaching in cultivation of talents of civil subjects in colleges and universities, and then elucidates the constructing idea of forming multi-layered and modularized virtual simulation experimental teaching system in Southeast University, for the purpose of cultivating practical ability of talents in various specialties. The promoting effect of virtual simulation experiment teaching to students' practical ability and innovation ability is discussed.

virtual simulation experiment; experimental teaching; civil engineering; laboratory construction

2015-03-25

2014年東南大學虛擬仿真實驗教學項目(201427);東南大學實驗室建設與管理重點項目(2010-L005)

徐 明(1972-)，男，黑龍江大慶人，博士，研究員級高級工程師，土木工程虛擬仿真實驗教學中心副主任, 主要研究方向為：實驗教學及技術。

Tel.：13601463343; E-mail:xuming@seu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0139-04