土木工程虛擬仿真實驗實訓平臺建設的分析與思考*

周宇，王文仲，張忠武（佳木斯大學 黑龍江 佳木斯 154007）

0 引言

對學生而言，實驗實訓教學在培養其邏輯思維能力、創新精神、動手操作能力方面有著推動性作用，這是其他教學方式無法企及的。尤其是對土木工程專業而言，要想適應時代發展，必須要建設虛擬仿真實驗實訓平臺，以此保證教學活動落實到位。而怎樣充分發揮平臺優勢和作用，成為教育領域重點研究主題。

1 平臺建設的目的及意義

現階段，伴隨我國經濟的飛速發展和科學技術的不斷創新，土木工程愈發呈現出結構種類繁雜、空間體量龐大、施工周期久、監管系統化的特點。在以往土木工程專業實踐教學里，施工現場生產學習與認知學習，是一種花費一周時間觀看構架組裝、花費一年時間觀看基坑施工的狀態。加上過去的校內實驗經常被技術水平和設施所限制，實驗方式過于單調，內容空洞，知識銜接不連貫，展現出一隅之見的弊端，無法順應現代建筑領域飛速發展對人才塑造提出的嚴格要求。亟需進行虛擬仿真實驗實訓，不斷擴充此方面的教學資源，打造出和現實實驗相輔相成、長處互補、虛實結合的土木工程實驗實訓平臺，以解決現實實驗教學過程中出現的各種問題。

所謂虛擬實驗技術，是一種需要計算機支持的虛擬現實技術在實驗教學運用的先進教學技術，采用計算機硬件與軟件設施模擬現實實驗的情境、儀器設施、試驗現象、操作環節，能有效解決現實實驗時間久、高危險性、材料損耗多等問題，開展低投入、24小時在線的土木工程實驗實訓教學。利用此技術建設虛擬仿真實驗實訓平臺，能良好的處理教學過程中的不足，有利于學生塑造動手實踐能力、創新認識、現代信息技術應用能力以及獨立學習能力[1]。

2 平臺建設的方法及實施途徑

2.1 建設多層次 立體化的虛擬仿真實驗實訓平臺

通過構建此平臺，為學生創造學習理論知識和提高操作水平的實驗環境，全方位優化教學效果，開拓學生視野，提高創新精神。土木工程虛擬仿真實驗實訓課程和練習項目中包括了各種等級難度，從基礎定義上升到探究創新；涵蓋了各種知識寓意，如施工、管理、建筑等等；展現了各種實現形式，如動手實踐、認知體驗、創新設計等等。

2.2 利用科研基地完成科研成果向教學內容的轉變

依靠我國專業科研基地，主動把科研隊伍的探究項目轉變成土木工程專業的教學內容，研發出虛實結合的綜合工程練習項目，把仿真、虛擬、設計集成一體，讓學生可以在此平臺上進行施工、設計等一系列實驗實訓環節，推動科研和教學的完美融合，為培養新時代人才奠定良好基礎。

2.3 校企協作 建設與真實工程相關的虛擬仿真實驗實訓平臺

學校要依靠當地企業，和其加強協作，把各大企業成功建設的土木工程項目轉變成虛擬仿真的實驗實訓內容，讓學生可利用此平臺去親自感受和操作工程建設過程中的各個流程，感受工程實踐的必要性，為其將來能勝任工作崗位創造有利條件[2]。

2.4 有效運用校內實踐教學基礎

平臺在優化虛擬仿真實驗實訓資源的過程中，必須要重視師資團隊的建設與管理系統的完善。積極引進企業教師團隊，保證實驗實訓指導與專業知識教學能有序進行，學校師資和企業資深員工互相配合，專兼融合，內外聯系，不斷把虛擬仿真技術和科研創新成果和實踐教學進行有機結合。針對管理工作而言，則可創建三維開放化體系，即內容、時間與空間三大維度，從而滿足學生的各種實際需求。

2.5 合理應用校內網絡化基礎

虛擬仿真實驗實訓平臺，為學生們供應了多樣性的項目便于其挑選，能真正實現資源共享，改善了傳統專業實驗的弊端，更有助于塑造其創新意識與創造力。安排課程時要結合土木工程專業系統化、模塊化和層次化的特征，確保實驗實訓系統的關聯性，以此開拓學生知識視野。這些實驗和實訓項目能把實驗室與施工現場紛紛帶進課堂，為學生們進一步感悟知識要點，憑自己操作完成繁雜性高、危險性大、專業性高的專業技能供應了一目了然的、現代化的練習平臺。從而讓實踐和教學能充分融合在一起，對塑造綜合素養較高的復合型人才有著重大意義。

2.6 土木工程虛擬仿真實驗實訓平臺架構

2.6.1實驗實訓教學平臺的構成

第一，情境建設模塊。主要有真實感模型建設模塊、虛擬環境建設模塊以及3D模型引進接口。其中后者的作用是引進外界真實感模型，建設3D真實造型等；前者作用在于針對引進的3D模型展開真實感模型襯托。而虛擬環境建設主要是對地形、天空以及施工現場設備實體結構和施工情境進行布置。

第二，情境監管模塊。重點控制虛擬環境、模型襯托、動態虛擬、漫游、視角等方面。其中模型襯托控制是按照實物的仿真數據，比如施工流程、狀態等挑選襯托形式。環境襯托控制是按照提供的參數展開虛擬環境襯托，比如：天空、光照、施工情境以及地形等等。針對動態虛擬控制而言，是按照模型的行動信息展開動畫襯托與動態模擬，例如塔吊的升降和旋轉，要件的工序轉變與汽車的運作等等。視角方面是指3D動態觀看、不同視圖閱覽、窗口的縮小和放大等等。漫游方面則是根據固定線路轉移視點，可以做到對模型進行不同視點的動態閱覽。

第三，數據監管模塊。完成平臺對數據庫的監管與訪問，主要是用戶權限分配、用戶注冊登錄與認證、數據應用權限監管以及協同工作監管。其中協同工作監管是利用簽入簽出機制確保不同用戶協同作用，以防數據并發應用。數據應用權限監管是按照用戶分配的權限展開身份認證與狀況反映，以防不良操作與越權操作[3]。

第四，交互模塊。涵蓋虛擬情境襯托結果的呈現、模型信息的呈現、情境建設和監管界面等等。

第五，對外接口。能和工程施工虛擬仿真體系展開信息溝通，此體系把進程數據與最終結果，利用接口傳輸到虛擬仿真平臺上展開掌控與襯托，環境指數和情境模型數據同樣能利用此接口傳輸到這一體系之中。

2.6.2 平臺功能

一方面，教學功能。為有實驗實訓需求的土木工程專業課程提供支持，比如：資料式課件和流媒體、多媒體課件，教師能實時上傳，學生能迅速搜尋。最關鍵的是，教師能在此平臺上講課，布置實驗實訓計劃，留作業；學生則能參照課件展開自主學習，及時反饋教師傳達的有效信息。實訓功能。可展開人機交互與過程示范實驗。有的實驗必須要利用過程示范把其生動形象的呈現在學生眼前，讓學生以三維動畫模型的方式親自實踐，比如：圍繞構造模型、剖析流程、數據處置、項目施工等進程展開各種視角的動態示范。此外，有的實驗則必須要通過人機交互來實現，比如：結構參數運算，人工為系統添加需要的參數，讓其能順利進行實驗工作，通過系統獲得的結果有利于學生自學，進而達成實訓目標。此模塊伴隨需求而逐漸優化，基于現階段的仿真實驗操作與實驗示范，研究出更加合理的新功能，比如探討、評優與預習評估等等[4]。

另一方面，遠程教學功能。土木工程虛擬仿真實驗實訓教學體系是一個集遠程觀摩評價、遠程實驗實訓互動、探討、教學以及資源搜集和共享于一體的視頻交流平臺，把不同校區的實驗實訓結合在一起，讓實驗總控制室和實訓點、試驗室三方間能有效實現直播、點播與交互。通過相關軟件拍攝教師講課的PPT、視頻展開互聯網直播，畫面資料會及時儲存在服務器里，方便學生隨時隨地通過內網進行觀看和學習。

還有一方面則是教學監管功能。利用此系統內的教學監管模塊，能準確統計出總體教學網絡里的所有實驗數據。另外，還能展開學生實訓報告監管、信息監管以及實訓狀況統計搜查等相關工作。

2.6.3中心資源分析

結合我國土木工程專業發展情況與現有專業模塊種類考慮，可由專業模塊課程與基礎模塊課程虛擬仿真實驗實訓兩部分組成SETP。其中前者主要涵蓋道橋工程、工程項目監管、地下和巖土構造工程、建筑構造工程等教學資源，為土木工程專業課程全方位鍛煉提供服務。后者則主要涵蓋力學和建材、土力學、房屋建筑學以及流體力學等仿真實驗體系，為工程監管、環境工程、土木工程和建筑學等提供服務，實現基礎課程的共享實訓[5]。

2.6.4立體化的實訓評價

所謂立體化的實訓評價，具體是指針對不同方式的實訓成果，各個方面的評價主體展開評判，重視實訓進程與結果的全面審核。成果主要有工地影像、虛擬實訓報告、小組現場實訓報告等等。評價主體包括專業教師、學生、班級同學。對實習進程予以高度關注則是學生在實訓中的各項表現均會在測評中有所展現。

與此同時，還要在虛擬仿真實訓平臺上實現師生有效互動，生生間互相分享學習心得和經驗。不但有教師和個別學生、所有學生、小組成員之間的交流和互動，還要組和組之間的互動。加強學生對軟件的使用，讓其能在平臺順利完成學習任務，比如Ansys、Midas等等。

3 結語

綜上所述，我國各大院校土木工程專業要充分考慮市場需求和自身的發展定位，搭建科學合理的虛擬仿真實驗實訓平臺。在教學過程中要突出學生的主體地位，不斷豐富教學內容，創新教學形式，指引學生正確理解和應用所學知識，能主動挖掘、探究與處理工程建設中出現的各種問題，保證其向著更健康的方向發展。