“新工科”視域下虛擬仿真實驗教學建設思路

鄧斌

摘要：為適應“新工科”建設思想的要求，增強港航工程專業學生的實踐創新能力，本文分析了虛擬仿真實驗教學的建設意義，提出虛擬仿真實驗教學可以從優質資源建設、創新虛擬教學方法、校企合作以及管理與制度保障等方面進行改革探討。

關鍵詞：虛擬仿真；港航工程；新工科

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）40-0265-02

引言：隨著互聯網+時代的興起，云計算、物聯網、大數據等技術得到廣泛應用，“中國制造2025”“工業4.0”等新興工業發展戰略快速崛起，推動了“智慧港口”、電子口岸、船舶交通管理、港口航道電子數據交換、智能船舶制造等領域的快速發展。在工程教育領域，“復旦共識”與“天大行動”提出“新工科”理念，將其作為工程教育的新理念、新模式，在教育界引起廣泛重視。“新工科”的提出是現代工程教育發展的必然結果，在此之前，我國高等工程教育領域已經開始以“新工科”理念推行工程教育教學改革，盡管關于“新工科”建設的內涵、目標、路徑等問題仍在探索之中，但工程教育領域下實踐教學的創新改革是無法回避的核心問題之一。

一、“新工科”視域下虛擬仿真實驗教學建設機遇

“新工科”建設思想為工程教育的創新發展提供了諸多思路。“天大行動”之一——“問技術發展改內容，更新工程人才知識體系”中提到“推進信息技術和教育教學深度融合，建設和推廣應用在線開放課程，充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式”，同時“新工科”的關鍵任務中也提出了“面向重大工程建設需求的工程意識、工程素質、工程實踐能力和創新能力”，并強調“優質教育資源和教育成果共建共享”理念，對于積極推動工程教育改革創新，培養工程應用型人才創造了良好契機。著眼于“新工科”對于學生培養的核心，實踐能力與創新能力的培養是重中之重。縱觀國內工程人才的素質培養，普遍反映學生解決實際問題的能力欠缺，創新能力不足，產生這個問題的重要原因是工程教育長久以來的“被動實踐”，學生實踐的對象、方法、程序等關鍵要素都由教師制定，抹殺了學生的自主創造力，完全在教師規定的框架中完成任務，為應對“新工科”的思路要求，需要把學生的“被動實踐”轉變為“主動實踐”，即盡可能讓學生作為主體，真正參與實踐活動的各個環節。

現代信息技術的發展為專業課程教學與實踐的優化提供了必要條件，工程實踐教學需要同時滿足課堂、實驗以及綜合工程訓練等方面的需求。因而，以專業理論知識為主體，以解決工程實際為目的，通過開拓虛擬仿真實驗教學的內容與方式，以虛實實驗為手段，優化基于虛擬仿真實驗教學的實驗課，對于培養工科學生的實踐能力與創新精神頗具現實意義。近年來，虛擬仿真實驗教學在高校的應用已日益廣泛，依托信息技術，導入實際工程案例思路，構建“身臨其境”的虛擬環境，能有效實現真實實驗難以完成的教學功能，提供經濟、安全和可靠的實驗項目，并能實現自主學習、資源共享、不受時空限制的現代實驗教學目的和創新培養。

早在2004年，長沙理工大學水利工程學院利用已有的科研設施和研究成果，建設了河流海岸工程數字實驗室（即虛擬仿真實驗教學中心的前身）；2008年5月，成立了水利工程虛擬仿真實驗教學中心；2015年5月獲得學校立項建設；2016年獲批水利工程省級虛擬仿真實驗教學中心。其中，港航工程虛擬仿真實驗室隸屬于湖南省水利工程虛擬仿真實驗教學中心，目標建成并完善與專業和學科建設相匹配的虛擬仿真實驗教學平臺。隨著“新工科”的深入實踐，如何規劃和建設好虛擬仿真實驗體系和課程資源是中心實現培養創新性人才的重要途徑。為把港航工程專業的學生培養為具有創新精神和實踐能力的合格專業技術人才，有效利用實驗室資源，提高學生的綜合素質，開展港航工程專業虛擬仿真教學體系的優化與實踐工作十分必要和必須，具有重要的意義。

二、港航工程虛擬仿真實驗教學建設思路

實驗教學是港航工程專業人才培養過程中非常重要的組成部分，是培養學生的動手能力以及創新精神的重要過程。據不完全統計，全國開設“港口航道與海岸工程”專業的本科院校有20余所，建設“港口、海岸及近海工程”學科點的單位有近40所，各高校均建立了特點不一的實驗教學體系，但大多數高校目前的實驗教學主要以實物和模型實驗為主，工程勘察實訓為輔，只能在有限的條件下進行局部驗證和綜合性實驗，且易受實驗硬件、內容以及時空的限制。

長沙理工大學水利工程學院在港航工程專業大學生實踐創新能力培養環節中引入虛擬仿真模式，不斷完善軟硬件條件，滿足水利工程+信息技術復合型人才培養的迫切需求，并擴展到港航虛擬仿真實驗和企業實踐教學，在理論教學內容的基礎上，始終把工作重點放在實體實驗難以完成的實踐教學上，充分發揮虛擬仿真實驗對實體實驗的補充功能，對大型或施工環境實體實驗的替代功能，對長歷時實體實驗結果的預測功能，加深對多元參數變化下的實驗現象和過程的理解，激發學生的想象力，提高學生的動手實踐水平和解決問題的能力。具體建設思路如下：

1.根據港航專業人才培養的實際需求，建立港航工程相應的虛擬仿真實驗教學體系，面向復雜工程問題建設優質虛擬仿真資源。首先，對于部分專業基礎課程（如碼頭水工建筑物），可將實驗的基本操作等通過視頻方式予以呈現，而對于設計施工工藝等較復雜的課程，宜采用虛擬實驗系統和仿真模擬設備相結合的方式，不同的課程需要區別對待和建設。其次，資源建設需注重學科交叉和復雜工程問題為導向，例如可采用現代VR技術結合南海工程島礁建設打造吹填施工工藝虛擬仿真資源。此外，促進科研成果轉化為教學內容，拓展教學資源與范圍。

2.創新虛擬教學方法和手段，逐步打造“虛實”信息管理集成化系統。首先，需創新“互聯網+”背景下工程的教育教學方法，提升工程教育教學效果；其次，除進行虛擬實驗操作外，需統籌規劃實驗流程，如實驗布置、預習、數據分析與處理、提交實驗報告等，打造從實體實驗到虛擬實驗的一體化網絡學習平臺，最大限度滿足學生需求，充分促進學生進行自主性學習，實現虛擬實驗效果最大化。

3.堅持校企合作及資源共享建設。堅持“強強聯合、優勢互補、互惠互利、共同發展”的校企合作機制，不斷推進與企業共同開發優質資源及其共享。此外，根據新形勢下國家對企業提出的高效、環保、安全要求，針對我國港航工程領域各個環節的實驗教學需要，有針對性地加強虛擬仿真實驗教學資源的建設，并通過改進實驗教學信息平臺的運行管理、對系統軟硬件進行升級、對實驗教學資源進行完善、加強與兄弟院校相關專業的交流與合作等措施，進一步提高網絡共享的服務質量、擴大虛擬仿真實驗的受眾范圍，力爭在全國產生較強較好的示范輻射作用。與此同時，與合作單位共同開展專業發展趨勢及人才質量要求的研究，探討人才培養與教學質量監控方案，探索實驗室和工地“虛實結合”的創新實踐培養模式。

4.提升虛擬仿真實驗室的管理人才專業水平，同步完善質量監控和保障體系。摒棄“重申報、輕建設”的思想，校院兩級管理人員需科學規劃中心建設，重視管理人才專業水平的提升。其次，需建立與虛擬仿真實驗課程教學體系相適應的教學結果評價方式和考試方式，充分發揮教學結果評價在教學研究型大學創新才培養教學途徑中的作用。

三、結語

隨著信息技術的快速發展，港航工程虛擬仿真實驗教學的規劃與建設需遵循虛實結合、相互補充、能實不虛的原則以及港航工程專業實驗的特點，讓學生在實驗室熟悉從航道工程到海岸工程、水運工程、碼頭工程的建設過程，著實提升學生從對專業知識的理解和掌握，到自主學習、實驗技能、科研創新意識等能力的培養。因此，實驗教學的改革與發展新方向與突破口之一就在于虛擬仿真實驗平臺的搭建與優化。在建設“新工科”的背景下，工科院校需要不斷根據各專業實踐教學特點和實踐育人目標進行改革，為落實虛擬仿真實驗教學促進創新人才培養保駕護航，促進虛擬仿真實驗教學可持續發展。

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