應用型地方高校土木工程虛擬仿真實驗教學中心建設探索

蔣建清，　曹國輝，　陳東海，　賀　冉，　何　敏

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

0　引　言

應用型本科是以培養高層次應用型和技能型人才為目標的高等教育形式。從20 世紀60 年代開始，基于德國“雙元制”應用技術大學教育理念，國外各高校陸續實施了重視和強化應用型人才培養的模式，我國應用型高校是在20 世紀90 年代末隨著高校擴招和適應市場對應用型人才需求而發展起來的[1]。在我國新型城鎮化發展的新形勢下，培養熟練掌握建筑業生產一線實踐技能并具備創新意識的土木工程高素質應用型人才顯得非常迫切[2-4]。實驗教學對于激發學生的創新應用意識和增長學生的工程實踐技能，是其他教學形式難以替代的；實驗教學是學生將理論知識在實踐中運用的重要環節，在應用型土木工程人才培養中處于重要地位。

目前，應用型地方高校在土木工程實驗教學中遇到了一些技術和管理難題，例如：①土木工程實驗綜合性強、資源消耗大、設備體積大、成本高，而國內土木工程建設活動呈現建筑結構往超高層、橋梁朝大跨度、地下空間向復雜地層發展的趨勢，但校內實驗受土木工程實驗教學設備、現場安全、教學經費等條件制約，使一些高危、大型、復雜但與工程實踐結合緊密的現場實體實驗難以在實驗室進行；②相關專業實驗選課學生多、實驗操作復雜、教學任務繁重，且土木工程實體實驗耗材開支大、實驗場地和設備安排難度大； ③土木工程建造周期長，但學生現場實驗實訓時間有限，在專業認識實習、生產實習和畢業實習等實驗實訓環節中，學生很難在實際項目的全部崗位和所有工程實施環節中受到完整地實踐能力訓練，難以滿足土木工程高素質應用型人才工程實踐能力培養的需求；④學生參與實驗的自主性不強，傳統的實驗教學方式已難以提高當代大學生的實驗興趣[5-11]。

虛擬實驗技術是以計算機為基礎的虛擬現實技術在實驗教學領域應用的一種現代教育教學技術，通過計算機軟件和配套的硬件設備模擬實體實驗的場景、儀器設備、實驗現象、操作流程，可以克服實體實驗周期長、危險性大、材料消耗多等諸多缺點，實現低成本、全天候的土木工程實驗教學。基于虛擬實驗技術構建的虛擬仿真實驗平臺，可以較好地解決土木工程實驗實踐教學環節中的技術和管理難題，是現場實驗實習及室內實體實驗教學的彌補和創新，有助于學生創新意識、工程實踐能力、自主學習能力及信息化技術運用能力的培養[12-15]。

本文論述了應用型地方高校土木工程虛擬仿真實驗教學中心的建設理念、思路和虛擬仿真實驗教學平臺功能，提出 “多層次、模塊化”的應用型土木工程虛擬仿真實驗教學體系和資源平臺，可為同類院校土木工程虛擬仿真實驗教學中心提供參考。

1　建設理念和思路

根據實驗教學規律和應用型人才成長規律，中心緊密結合建筑行業發展趨勢，培養適應國家工程建設需要，適應社會科技進步，能勝任土木工程項目施工、檢測、設計、管理等工作，具有社會責任感和較強技術應用能力、繼續學習能力、創新意識、組織協調能力和團隊精神的高素質應用型專門人才[16]，開展土木工程虛擬仿真實驗教學，開發和豐富土木工程虛擬仿真實驗教學資源，形成與現有實體實驗“相互補充、虛實結合、優勢互補”的土木工程實驗教學平臺。

(1)依據應用型土木工程人才培養方案，以學生工程執業能力培養為核心，突出創新應用意識培養，緊密依托校內和校企合作實驗實踐教學基地、結合“縱向、橫向”項目，校企合作開發面向工程實際的“多層次、立體化、模塊化”的虛實結合虛擬仿真教學資源體系。

(2)大力推動現代信息技術與實踐教學融合，依托土木工程國家級實驗教學中心、省基礎課示范實驗室、普通高校特色專業、普通高校優秀教學團隊、大學生創新訓練中心、校企合作人才培養示范基地等平臺，利用多媒體虛擬現實技術和數值仿真技術， 構建“高度仿真、虛實結合、開放共享”的虛擬仿真實驗系統，全面改善實驗條件，并進行教學方法、實驗手段等方面的改革研究與實踐探索，開拓學生專業學識視野，激發學生創新意識和培養學生工程執業能力。

(3)充分利用學校現有實驗實踐教學條件，注重師資隊伍建設，不斷優化師資隊伍結構和水平，建設一支“雙師雙能型”虛擬仿真實驗管理與教學團隊，并與國內大型建筑企業加強合作，引入合作企業的設計、施工、管理等兼職教師，組織虛擬仿真實驗教學和管理人員到合作企業交流學習、合作開發虛擬仿真實驗，不定期進行信息化應用技能培訓，更新教學與管理理念，提高業務水平，確保虛擬仿真實驗教學順利開展。

(4)依托數字化校園網絡，結合虛擬仿真實驗教學平臺的開放共享機制，構建高度信息化的虛擬仿真實驗管理體系，實現虛擬仿真實驗資源最優配置。完善中心的組織機構和開放運行模式；健全實驗室管理制度、崗位職責、工作績效考核辦法等一系列規章制度，保障虛擬仿真實驗教學的安全高效運行；通過校內外雙系統質量分析評價機制，建立“學生、企業、社會三滿意”實驗教學質量評價機制和實驗教學跟蹤監控機制，提高虛擬仿真實驗教學質量；通過實驗教學開放、信息發布規范、交流及時、信息遠程共享，達到虛擬仿真實驗教學資源配置的最優化。

2　虛擬仿真實驗教學體系

中心經過多年的實驗教學和創新積累，不斷豐富虛擬仿真實驗教學資源，逐步加大校企合作力度和廣度，秉承“理論與實踐融合、虛實結合、能實不虛”的基本原則，以培養學生工程執業能力和創新意識為核心，面向土木工程、城市地下空間工程、交通工程、水利水電工程、工程造價與管理及其它相關專業等大土木類專業，構建“三結合、三層次、十二模塊”的 “3+3+12”虛擬仿真實驗教學體系(見圖1)。

圖1　土木工程虛擬仿真實驗教學體系

其中，“3個層次”即按照應用型人才成長和培養規律，將實驗教學內容劃分為基礎型、專業型及綜合型。“12模塊”即按專業知識體系把各層次實驗細分為材料與力學、工程測量、土工、建筑工程、橋梁工程、巖土及地下空間、道路工程、交通工程、水利水電工程、大學生創新性、BIM技術應用虛擬、大學生學科競賽等虛擬仿真實驗模塊。“3個結合”為：①虛擬仿真實驗教學與理論教學相結合—“虛、理結合”。虛擬仿真實驗與專業基礎理論課程、專業核心理論課程、專業綜合訓練課程配套，教學計劃中對理論課程和虛擬仿真實驗課程作統籌安排，使學生在掌握理論知識后通過虛擬仿真實驗進一步掌握其應用的領域和方法，提高學習興趣和增強知識運用能力。②虛擬仿真實驗與實體實驗(含校外工程實踐實驗)相結合—“虛、實結合”。依托中心各個實體實驗平臺(包括校企合作現場工程實踐實驗基地)，將虛擬仿真實驗與土建類實驗課程中的實體實驗相結合，彌補實體實驗教學局限性，豐富實驗教學手段，提高學生的綜合實踐技能。③虛擬仿真實驗教學與課外創新實驗相結合—“虛、創結合”。依托綜合訓練平臺、“產、學、研”結合應用平臺等本科生課外創新實驗平臺，中心開設綜合型虛擬仿真實驗項目，在科研能力強的教師悉心指導下，學生可以根據實際情況自主選題，應用虛擬仿真實驗平臺開展創新性的實驗研究工作。

3　虛擬仿真實驗資源平臺

中心虛擬仿真教學資源遵循跨越不同訓練層次(由專業基礎應用能力提高到綜合創新能力培養)、覆蓋大土木學科知識(包括建筑工程、橋梁及道路交通工程、巖土及地下空間工程、水利水電工程等領域的知識)、體現不同實施方式(包括認知感受、操作技能、施工、設計、管理仿真等)的開發思路，緊密聯系土木工程規范中提到的專業實驗，并積極將科研團隊的“縱向、橫向”科研項目向虛擬仿真教學內容轉化，將實際的土木工程設計、施工、工程管理等項目實驗實操過程和虛擬仿真實驗項目融于一體，校企合作開發形成一系列虛擬仿真實驗訓練項目，模擬土建類工程設計、施工管理、工程造價等建筑行業一線職業崗位工作環境，訓練復雜性高、專業性強、危險性高的專業實踐技能，為土建類專業學生提供多樣化的實驗方式，讓學生能夠基于虛擬仿真實驗平臺完成土木工程設計、施工和管理等綜合性實踐環節，并結合虛擬仿真技術指導學生參加各類學科競賽，為土木工程高素質應用型人才的創新意識培養提供重要支撐。

3.1　基礎型虛擬仿真實驗資源平臺

基礎型虛擬仿真實驗教學平臺主要面向低年級本科生的基礎課程學習，并模擬工程現場的材料檢測、地基驗收和施工測量等工程實踐項目，加強學生基礎知識在工程實踐中應用的能力。該平臺包括3個模塊，即：材料與力學虛擬仿真實驗模塊、工程測量模塊及土工虛擬仿真實驗模塊。

材料與力學虛擬仿真實驗模塊主要針對土木工程等土建類相關專業材料力學、彈性力學、理論力學、結構力學、土木工程材料等課程相關實驗內容，可設置：鋼材力學特性虛擬仿真實驗、鋼筋混凝土簡支梁力學性能虛擬仿真實驗、瀝青性能虛擬仿真實驗、混凝土抗壓強度虛擬仿真實驗等實驗項目。

工程測量虛擬仿真實驗模塊主要針對土木工程等土建類相關專業工程測量實習和工程檢測環節，可設置：測量儀器認知學習虛擬仿真實驗、導線控制測量虛擬仿真實驗、道路(房建、橋梁等)施工測量虛擬仿真實驗等實驗項目。

土工虛擬仿真實驗模塊主要針對土木工程等土建類相關專業土力學實驗、巖體力學實驗和相關項目原位測試試驗，可設置：地基載荷虛擬仿真實驗、旁壓虛擬仿真實驗、基樁靜載虛擬仿真實驗、擊實虛擬仿真實驗、錨桿抗拔虛擬仿真實驗、靜(動)三軸虛擬仿真實驗等實驗項目。

3.2　專業型虛擬仿真實驗資源平臺

專業型虛擬仿真實驗教學平臺主要面向高年級本科生的專業課程和實踐課程學習，該平臺主要目標在于拓展學生專業視野、激發學生興趣，引導學生知識庫的更新和優化，使學生能熟練運用多種專業數值仿真實驗軟件(如Midas橋梁模擬分析、YJK房屋結構仿真分析、Midas GTS NX巖土工程仿真分析、VISSIM交通仿真分析等)，提升學生從事大型工程施工、設計、管理的應用能力和對大型工程技術問題的綜合解決能力。該平臺包括6個模塊，即：橋梁工程虛擬仿真實驗模塊、建筑工程虛擬仿真實驗模塊、道路工程虛擬仿真實驗模塊、巖土與地下工程虛擬仿真實驗模塊、交通工程虛擬仿真實驗模塊、水利水電虛擬仿真實驗模塊。此平臺各模塊可設置如下虛擬仿真實驗項目(典型的實驗成果如圖2所示)。

(a) 某天橋有限元仿真模型圖

(b) 第6跨跨中截面撓度影響線仿真

(c) 某天橋靜載試驗加載彎矩仿真

(1)橋梁工程虛擬仿真實驗模塊。橋梁靜載試驗虛擬仿真實驗、橋梁動載試驗虛擬仿真實驗、大跨徑橋梁施工控制虛擬仿真實驗、橋梁結構設計虛擬仿真實驗、橋梁施工支架安全穩定性虛擬仿真實驗和橋梁施工過程虛擬仿真實驗等實驗項目。

(2)建筑工程虛擬仿真實驗模塊。多層混凝土框架結構設計虛擬仿真實驗、多層鋼框架結構設計虛擬仿真實驗、裝配式建筑結構設計虛擬仿真實驗、建筑工程施工工藝實訓虛擬仿真實驗、建筑工程項目造價管理虛擬仿真實驗和建筑工程三維可視化安全管理虛擬仿真實驗等實驗項目。

(3)巖土與地下工程虛擬仿真實驗模塊。三維邊坡穩定分析虛擬仿真實驗、二維隧道襯砌分析虛擬仿真實驗、三維橋臺基礎施工虛擬仿真實驗、三維基坑施工虛擬仿真實驗、三維隧道盾構掘進施工虛擬仿真實驗等實驗項目。

(4)道路工程虛擬仿真實驗模塊。公路擋土墻設計仿真實驗、公路路基路面造價虛擬仿真實驗和道路工程施工虛擬仿真實驗等實驗項目。

(5)交通工程虛擬仿真實驗模塊。交通基本路段虛擬仿真實驗、交叉口非機動車和行人虛擬仿真實驗、信號控制交叉口虛擬仿真實驗、立體交叉口虛擬仿真、城市干道信號協調虛擬仿真實驗及公交優先控制虛擬仿真實驗等實驗項目。

(6)水利水電虛擬仿真實驗模塊。溢流壩泄流模型三維虛擬仿真實驗、水輪機模型效率三維虛擬仿真實驗、壓力管道水擊三維虛擬仿真實驗及水電站調壓室水力學三維虛擬仿真實驗等實驗項目。

3.3　綜合型虛擬仿真實驗平臺

綜合型虛擬仿真實驗平臺主要引導高年級本科生充分利用各種數值仿真實驗技術進行實體實驗和項目管理前期方案優化和參數研究，延伸實體實驗范疇，為拓展學生視野、培養創新意識和工程實踐創新應用能力提供新途徑。綜合型虛擬仿真實驗平臺包括3個模塊：大學生創新項目虛擬仿真實驗模塊、大學生學科競賽虛擬仿真實驗模塊及BIM技術應用虛擬仿真實驗模塊。

(1)大學生創新項目虛擬仿真實驗模塊。該模塊主要引導學生充分利用數值仿真實驗建立以“項目和課題”為核心的學習模式，倡導以學生為主體的創新性實驗改革，調動學生在實驗學習中的主動性、積極性和創造性，激發其創新思維，提高其面對工程技術難題的創新解決能力，可面向開放性試驗、大學生創新訓練試驗及科研成果轉化等項目中的仿真分析建立虛擬仿真實驗項目。

(2)大學生學科競賽虛擬仿真實驗模塊。該模塊是服務大學生學科競賽的虛擬仿真平臺，基于學科競賽中有關實體實驗項目“實驗面廣、耗費大、高危險、不可逆”，用以輔助學科競賽活動中實體實驗的部分或全部任務，與實體實驗形成優勢互補，充分發揮實體實驗和虛擬仿真實驗各自的優勢。比如，服務于土木工程結構模型競賽，開發了竹制結構創新設計虛擬仿真實驗、空間桁架橋梁結構創新設計虛擬仿真實驗、兩跨渡槽結構創新設計虛擬仿真實驗、沖擊荷載下薄殼容器結構創新設計虛擬仿真實驗、單跨空間木質結構創新設計虛擬仿真實驗及大跨度空間竹質結構創新設計虛擬仿真實驗等(典型的實驗成果見圖3)。

(3)BIM技術應用虛擬仿真模塊。該模塊主要將BIM技術應用于土木工程畢業設計綜合訓練及土木工程復雜結構的綜合認知訓練，實現對常規綜合實訓中難以完成的建筑環境認知、建造模擬、構造分解及項目管理等項目的有效替代和拓展，提高學生熟練運用BIM虛擬仿真技術進行工程設計優化、協同施工、虛擬建造、工程量計算、創新工程項目管理應用的能力，培養和鍛煉學生的溝通能力、團隊協同創新能力，可設置如下實驗：① BIM協同應用虛擬仿真實驗。基于產學研合作項目，學生利用BIM軟件，進行土建模型翻模、形成鋼筋工程計算文件、土建工程量計算文件和土建招標控制價文件；利用BIM施工現場布置軟件，設計基礎、主體、裝飾三個階段的虛擬三維現場布置；利用BIM模板、腳手架設計軟件，設計工程項目模板、腳手架的虛擬搭設實驗；利用BIM進度計劃編制軟件，編制施工進度計劃表，虛擬實現工程進度管理；基于BIM5D平臺，開展項目施工虛擬建造實驗和碰撞規避虛擬實驗；最終形成涵蓋建筑設計、工程量計算、工程項目施工招(投)標、協同施工、虛擬建造和工程造價管理的BIM協同應用虛擬仿真實驗平臺。② 土木工程復雜結構BIM模型綜合認知仿真實驗。建立土木工程復雜結構 的BIM 虛擬信息模型，剖析其內部的各個系統，學生可以在虛擬環境中完成工程結構進行拆解和組裝等實際動手操作訓練，從而認知包括建筑結構、電力、給排水、暖通等各個專業工程的系統構成原理，并提高應用BIM工具進行輔助設計的能力。

圖3竹制結構創新設計虛擬仿真實驗

4　中心發展歷程與教學成效

土木工程虛擬仿真實驗教學中心發展始于1984年開始招生的工業與民用建筑專業實驗室；1991年組建土木建筑系實驗室；2003年，整合原有的建材、力學、土工等實驗室，成立土木工程實驗教學中心，由建筑工程實驗室、結構工程實驗室和道路交通工程實驗室等建制實驗室組成；2006年建筑工程實驗室批準為湖南省普通高校基礎課示范實驗室，2009年通過評估驗收；2015年1月獲批國家級土木工程實驗教學示范中心；2016年9月獲批省級虛擬仿真實驗教學中心。通過近年的建設和改革，中心主要教學成效如下：

(1)提升了學生的創新能力、專業實踐能力、信息化應用能力和綜合素質。近年來，土建類學生依托中心各個教學平臺完成“大學生研究性學習與創新性實驗計劃”國家級項目10多個，省級項目60多個，校級項目100多個；參加省級以上競賽獲獎150多項，其中，在國家級競賽中獲獎20多次、省級競賽中獲獎120多次；學生參與教師的橫向課題和工程實踐項目200多項，累計合同金額2 000多萬元；學生署名發表學術論文30多篇(EI、CSCD收錄多篇)；參與儀器制作或專利設計多項；大部分學生獲各類執業技能證書，基于土木工程虛擬仿真分析的常用軟件(如Midas、 YJK、PKPM、VISSIM、ANSYS等)進行輔助設計、結構計算和項目管理的工程實踐能力得到增強。

(2)整合實驗教學資源，提供良好實驗教學平臺，構建“基礎型、專業型及綜合型”虛擬仿真教學資源體系，覆蓋建筑工程、道路橋梁工程、城市地下空間工程、巖土工程、交通工程及水利水電工程等土建類專業，克服實體實驗的諸多限制，提高了實驗教學質量，給學生提供從工程認知學習到專業實踐、綜合應用訓練多層次能力提升路徑，有效提升了學生的工程執業能力。

(3)借助虛擬仿真實驗教學中心網絡管理平臺及高速的校園網絡條件，土木工程虛擬仿真實驗教學可覆蓋到校園內的教室、學生宿舍、圖書館及校外等網絡終端，將實驗教學拓展到無限的網絡實驗空間，實現虛擬仿真教學和校外實習教學的互補，提高了土建類專業校外實習的質量，升華了實驗教學理念和實驗教學效果，豐富了實驗教學手段，完善了實驗教學體系，提高了學生自主實驗學習的興趣和解決工程實際問題的能力，拓寬了學生的專業視野；逐步形成 “理論教學、實體實驗教學和虛擬仿真實驗教學相結合”的立體化實驗教學模式，促進了實驗教學管理體系的改革和實驗教學隊伍信息化水平的提高。

(4)提升了專業建設和社會服務水平，促進應用型人才培養，畢業生“學得好”“用得上”“下得去”“干得好”“留得住”。多家國有大中型企業主動與學校建立長期的用人關系，學生就業率高達 97%以上，土建類專業辦學現已形成應用型特色與品牌，被授予湖南省普通高等學校畢業生就業工作“一把手”工程優秀單位和“全國畢業生就業典型經驗高校”；近年來承擔20多項教學改革與質量工程項目建設工作，獲得國家級教學成果二等獎1項，湖南省教學成果一等獎1項，湖南省教學成果二等獎2項；參與企業重大技術難題攻關多項，產生良好的經濟及社會效益。

5　結　語

虛擬仿真實驗教學是應用型人才培養與現代信息技術深度融合的產物。實踐表明，虛擬仿真實驗教學應用于土木工程人才培養，可以解決傳統土木工程實踐教學與現代應用型人才培養之間的一些突出矛盾。應用型高校應緊密對接產業發展和行業需求、找準學校人才培養定位、面向工程實踐，校企合作開發“層次化、模塊化、體系化”的土木工程虛擬仿真實驗教學資源，構建“高度仿真、虛實結合、開放共享”的應用型虛擬仿真實驗系統，建設“專兼結合”的 “雙師雙能型”虛擬仿真實驗管理與教學團隊，依托虛擬仿真實驗網絡管理平臺及信息化校園條件，積極開展土木工程虛擬仿真實驗教學，提升學生的創新能力、專業實踐能力、信息化應用能力、綜合素質和自主實驗學習的興趣，提高應用型人才培養成效。

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