服務(wù)土木工程三層次課程體系的 虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)

李軍 李曉東 崔祎菲 張鵬 曲成平

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，以及應(yīng)用創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題實踐能力，提出服務(wù)于土木工程三層次專業(yè)課程體系，即土木工程“核心—方向—拓展”課程體系的虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)與應(yīng)用思路。三層次課程體系具有將實驗教學(xué)與理論教學(xué)、實踐教學(xué)與工程實際有機結(jié)合的特點。新開設(shè)具有“虛實結(jié)合”特點的土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程，包含土木工程專業(yè)急需的實驗教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)大學(xué)生成長的新特點和信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律。依托國家級實驗教學(xué)示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目和多項教研教改課題，以虛擬仿真“金課”標準建成服務(wù)于三層次課程體系的虛擬仿真實驗資源庫，并結(jié)合虛擬仿真項目、課程建設(shè)及教材建設(shè)，構(gòu)建立體化教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：土木工程;虛擬仿真實驗;實驗教學(xué)資源;核心-方向-拓展;課程體系

中圖分類號：G642.423;TU-4?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）01-0130-07

隨著新時代城鎮(zhèn)化進程的不斷深入和經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)+、智能建造等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我國土木工程行業(yè)發(fā)展面臨重大轉(zhuǎn)型[1]，亟需多學(xué)科多方向交叉融合的創(chuàng)新型復(fù)合技術(shù)人才。針對這一需求，青島理工大學(xué)構(gòu)建了土木工程“核心—方向—拓展” 三層次專業(yè)課程體系（以下簡稱三層次課程體系），即以專業(yè)基礎(chǔ)課為核心，以建筑工程、巖土與地下工程、道路橋梁工程為專業(yè)方向，以科研成果與工程前沿為拓展的課程體系。三層次課程體系與“培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣，提高學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力以及解決復(fù)雜工程問題能力”人才培養(yǎng)目標密切相關(guān)。為了突出能力培養(yǎng)，需充分認識與高度重視實驗教學(xué)無可替代的作用 [2]。土木工程類專業(yè)實驗存在綜合性強、設(shè)備體量大、實驗環(huán)境惡劣、資源消耗大和耗時長等問題，近年來，“立足教學(xué)、教研融合、面向工程、開放共享” [3]的虛擬仿真實驗教學(xué)理念已滲透到很多院校的土木工程專業(yè)教學(xué)中。普遍認同的做法是：將科研成果反哺實驗教學(xué)，將重大工程實踐轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，通過虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，實現(xiàn)教學(xué)資源與仿真實驗的開放與共享[4-5]。

由于各院校人才培養(yǎng)的側(cè)重點、學(xué)科特點和實驗教學(xué)環(huán)境有所不同，開發(fā)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源也會各具特色 [6-8]。青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院以2007年獲批國家級特色專業(yè)為契機，提出知識和能力提升為培養(yǎng)特色

的人才培養(yǎng)理念，圍繞解決“人才培養(yǎng)定位”“知識與能力”提升的關(guān)鍵問題，開展了人才培養(yǎng)模式的教育目標研究，以及課堂內(nèi)外的教學(xué)改革與實踐，逐步形成了以知識與能力提升為培養(yǎng)特色的土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，所提出的土木工程“核心—方向—拓展”三層次課程體系，要求實驗教學(xué)與理論教學(xué)、實踐教學(xué)與工程實際有機結(jié)合。由于既往的實驗課程不能充分支撐這一新要求，于是新開設(shè)了土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程，并構(gòu)建了立足土建、交叉融合相關(guān)專業(yè)、共同提升的虛擬仿真實驗教學(xué)資源開放共享模式，在虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)中積累了一些經(jīng)驗。

一、服務(wù)土木工程三層次課程體系的實驗教學(xué)

（一）構(gòu)建三層次課程體系，深化國家級實驗教學(xué)示范中心內(nèi)涵

構(gòu)建特色專業(yè)課程體系是深化示范中心內(nèi)涵的首要工作[9]。 青島理工大學(xué)土建工程實驗教學(xué)示范中心自2014年獲批國家級實驗教學(xué)示范中心以來，注重強化示范中心的內(nèi)涵建設(shè)，以促進學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題實踐能力的提高。在國家級特色專業(yè)建設(shè)背景下，依據(jù)以知識和能力提升為培養(yǎng)特色的人才培養(yǎng)理念，構(gòu)建強化學(xué)生綜合素質(zhì)和綜合能力的專業(yè)知識系統(tǒng)，提出三層次課程體系的概念。該課程體系設(shè)置的土木工程專業(yè)核心課程包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、土木工程施工;主要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)包括實驗、實習(xí)設(shè)計、社會實踐和科研訓(xùn)練等，其中實驗包括基礎(chǔ)實驗、專業(yè)基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗和科技研究性實驗。

為了實現(xiàn)三層次實踐教學(xué)與課程模塊的有機銜接，使選擇不同專業(yè)方向的學(xué)生專業(yè)知識和能力得以拓展，青島理工大學(xué)依托國家級實驗教學(xué)示范中心，先后成立了本科教學(xué)創(chuàng)新實踐中心、BIM實驗教學(xué)中心和虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

（二）虛實結(jié)合的土木工程綜合實驗

為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的新要求，結(jié)合大學(xué)生成長的新特點以及信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律，虛擬仿真實驗教學(xué)中心以土木工程專業(yè)急需的實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，以完整的實驗教學(xué)項目為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、3D建模、虛擬現(xiàn)實等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，整合建設(shè)了以鋼結(jié)構(gòu)基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、土木工程材料等專業(yè)課程為核心，涵蓋建筑工程、巖土與地下工程、道路橋梁工程等方向?qū)I(yè)課程的虛擬仿真實驗項目群，結(jié)合教學(xué)科研成果與土木工程發(fā)展前沿，形成虛實結(jié)合、理論與實踐互補的實驗教學(xué)體系，以解決土木工程專業(yè)實驗環(huán)境惡劣、資源消耗大、耗時長等，難以讓本科生廣泛、深入?yún)⑴c的實驗教學(xué)難題。

土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程在青島理工大學(xué)土木工程專業(yè)課程體系改革與虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)中得以完善。該課程包含表1所示實驗，既包含傳統(tǒng)的實體實驗，也包括一些校企合作開發(fā)的具有原創(chuàng)性、示范性的虛擬仿真實驗。

二、國家級虛擬仿真實驗“金課”的培育

（一）以“金課”標準構(gòu)建特色虛擬仿真實驗項目

國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是教育部推出的5類國家“金課”之一，對實驗內(nèi)容、實驗構(gòu)思、實驗技術(shù)、實驗做法、實驗評價、展現(xiàn)方式和拓展程度等均有一定要求[10]。“多種環(huán)境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”是青島理工大學(xué)近年建設(shè)的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源之一，被認定為2018年國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。該項目依托入選國家“111計劃”的“海洋環(huán)境混凝土技術(shù)”創(chuàng)新引智基地科研成果，拓展學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，啟發(fā)學(xué)生科學(xué)思維，強化創(chuàng)新意識，以影響混凝土材料服役性能的腐蝕、凍融及高溫環(huán)境實驗為背景，設(shè)計包含五個子實驗的綜合性虛擬仿真實驗。

該項目結(jié)合專業(yè)特色和學(xué)科研究成果，采用現(xiàn)代信息技術(shù)，研發(fā)原理準確、內(nèi)容緊湊、時長合理、難度適宜，體現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿的有機結(jié)合。重點突出了“海洋環(huán)境下的混凝土耐久性”的教學(xué)內(nèi)容，借助虛擬仿真技術(shù)高度仿真中子成像、海水侵蝕及凍融、火災(zāi)等傳統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)的實驗條件，虛擬再現(xiàn)了多種環(huán)境下混凝土材料劣化過程。適用面較廣，可用于土木工程專業(yè)、材料科學(xué)與工程專業(yè)，以及工程管理專業(yè)、建筑學(xué)專業(yè)、城市地下空間工程專業(yè)等的學(xué)習(xí);除適用于土木工程材料、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、材料測試與分析技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)實驗、混凝土基本原理等課程外，還適用于新型建筑材料、橋梁工程、工程結(jié)構(gòu)鑒定與加固、城市地下工程等課程。

（二）以學(xué)生為中心的個性化學(xué)習(xí)方案設(shè)計

“多種環(huán)境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”為學(xué)生提供了有機聯(lián)系的五個子實驗，根據(jù)學(xué)生實際學(xué)習(xí)情況和興趣方向設(shè)定了四個學(xué)習(xí)目標。目標一為理解和掌握我國沿海環(huán)境下混凝土工程的劣化基礎(chǔ)知識及其原理;目標二為理解和掌握我國北方地區(qū)混凝土材料的凍融破壞過程及其機理;目標三為理解和掌握由海水侵蝕引起的材料性能劣化現(xiàn)象;目標四為理解和掌握“冰火（水火）”環(huán)境下混凝土材料的抗壓強度的變化規(guī)律。按照上述學(xué)習(xí)目標指導(dǎo)學(xué)生進行個性化選擇，實驗指導(dǎo)書為學(xué)生提供以下幾種學(xué)習(xí)方案：

（1）基于目標一選做“混凝土材料水分傳輸子實驗+混凝土抗海水侵蝕性能子實驗”;

（2）基于目標二選做“混凝土材料水分傳輸子實驗+抗凍融循環(huán)性能子實驗”;

（3）基于目標三選做“混凝土抗海水侵蝕性能子實驗+海水銹蝕鋼筋與混凝土粘接性能子實驗”;

（4）基于目標四選做”抗凍融循環(huán)性能（或混凝土抗海水侵蝕性能）子實驗+高溫環(huán)境混凝土受壓性能子實驗”。

前三種方案是針對單一環(huán)境下的實驗，第四種方案則可體現(xiàn)耦合環(huán)境，學(xué)生以此為拓展可以設(shè)計多種耦合實驗，旨在最大程度地提高學(xué)生創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>

自加入國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺（http：//www.ilab-x.com/）以來，“多種環(huán)境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”面向全社會進行教學(xué)資源共享，截止到2019年9月，實驗瀏覽量達到15 847人次，共有4 134人次利用該平臺進行虛擬仿真實驗并進行評價，綜合評價得分4.8分（滿分5分），用戶滿意度和認可度較高。

三、基于優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗的立體化教學(xué)資源建設(shè)

（一）服務(wù)三層次課程體系的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗

青島理工大學(xué)以國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目為示范，通過整合優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)基本原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、土木工程材料、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程等專業(yè)核心課程的虛擬仿真實驗項目，針對建筑工程、巖土與地下工程、道路與橋梁工程等專業(yè)方向，創(chuàng)建了豐富的虛擬仿真實驗資源系統(tǒng)。其中，多種環(huán)境下混凝土材料性能虛擬仿真系統(tǒng)、輕鋼廠房雪災(zāi)事故分析虛擬仿真實驗軟件、工程地質(zhì)構(gòu)造虛擬仿真系統(tǒng)、質(zhì)量調(diào)諧阻尼器振動控制原理虛擬仿真系統(tǒng)、標準貫入虛擬仿真系統(tǒng)、事故現(xiàn)場還原——三豐百貨大樓虛擬仿真系統(tǒng)等30多項虛擬仿真實驗獲得軟件著作權(quán)。本文選擇代表性實驗資源簡要介紹其特點，如表2所示。這些實驗資源特色鮮明，原創(chuàng)性強，既注重強化學(xué)生基礎(chǔ)知識在實驗中的運用，還力求通過與科研成果和工程前沿的結(jié)合，拓展學(xué)生專業(yè)視野，激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣。

圖1表示三個專業(yè)方向共同虛擬仿真實驗和分別開設(shè)的虛擬仿真實驗。除了上述獲得軟件著作權(quán)的虛擬仿真實驗外，還包括正在開發(fā)的部分實驗。其中，各專業(yè)方向的共同實驗含施工類、工程材料類和測量類的虛擬仿真實驗，多數(shù)來源于工程實踐或科研成果，具有綜合性和拓展性。

（二）立體化實驗教學(xué)資源建設(shè)

為了在新形態(tài)教材、多媒體課件、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和實體實驗教學(xué)平臺中分別發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用，青島理工大學(xué)土建虛擬仿真實驗教學(xué)中心提出立體化實驗教學(xué)資源的建設(shè)思路。以下以“輕鋼廠房雪災(zāi)事故分析虛擬仿真實驗”為例進行說明。

1.實驗內(nèi)容

該虛擬仿真實驗包括“導(dǎo)言”“事故還原仿真”“原理探究”和“知識擴展”四個環(huán)節(jié)，以受災(zāi)輕鋼廠房事故為載體，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)還原輕鋼廠房受災(zāi)倒塌過程，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合模擬實驗結(jié)果剖析失穩(wěn)破壞原因，通過自主學(xué)習(xí)掌握鋼構(gòu)件失穩(wěn)實驗方法，并進行穩(wěn)定性原理探究。實驗課“導(dǎo)言”環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生了解輕鋼廠房在特大雪災(zāi)時的破壞情況;“事故還原仿真”環(huán)節(jié)包括事故調(diào)查、事故還原;“原理探究”環(huán)節(jié)包括破壞要因分析、鋼梁失穩(wěn)虛擬仿真實驗和軸壓柱失穩(wěn)虛擬仿真實驗，有學(xué)習(xí)和考核模式，要求學(xué)生完成上述學(xué)習(xí)后撰寫實驗報告;“知識擴展”環(huán)節(jié)要求學(xué)生查閱文獻完成研究性報告。

“輕鋼廠房雪災(zāi)事故分析虛擬仿真實驗”包含鋼梁整體失穩(wěn)和軸壓柱整體失穩(wěn)虛擬仿真實驗，是土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程中的實驗項目。要求學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)完成該虛擬仿真實驗，然后分組進行實體實驗，以實現(xiàn)“虛實結(jié)合”。

2.基于虛擬仿真的教學(xué)資源建設(shè)

《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》教材在青島理工大學(xué)作為新形態(tài)特色教材立項。教材編寫時，在構(gòu)件穩(wěn)定原理部分采用由“輕鋼廠房雪災(zāi)事故分析虛擬仿真實驗”資源分解出的若干視頻學(xué)習(xí)資料，通過二維碼形式置于與教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)的位置，以便學(xué)生課上、課下隨時調(diào)閱學(xué)習(xí)，增強教材的趣味性，更好地發(fā)揮教材的作用。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中包含“輕鋼廠房設(shè)計”內(nèi)容，將“輕鋼廠房雪災(zāi)事故分析虛擬仿真實驗”所仿真還原的輕鋼廠房漫游視頻置入教學(xué)課件中，讓學(xué)生及時認知輕鋼廠房的空間結(jié)構(gòu)組成，克服教學(xué)過程中無法隨時去現(xiàn)場實習(xí)的問題。將仿真的廠房倒塌過程放在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)課件中，使學(xué)生直觀認知各種構(gòu)件的失穩(wěn)特征，有利于原理課程的探究與學(xué)習(xí)。

綜上所述，隨著優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗資源的不斷完善，結(jié)合虛擬仿真項目、課程建設(shè)以及教材建設(shè)開展立體化教學(xué)資源建設(shè)，以豐富土木工程專業(yè)教學(xué)手段，切實發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)成果在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的關(guān)鍵性、多樣性作用，提高教學(xué)實效。

四、結(jié)語

本文依托青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院國家級實驗教學(xué)示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目和多項教研教改課題，闡述土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的三層次課程體系的概念和內(nèi)涵，介紹了服務(wù)土木工程三層次課程體系的實驗教學(xué)思路和虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫的建設(shè)成果。

所提出的三層次課程體系要求實驗教學(xué)與理論教學(xué)、實踐教學(xué)與工程實際有機銜接，為提高學(xué)生綜合素質(zhì)和綜合能力，以及幫助學(xué)生掌握專業(yè)系統(tǒng)知識提供有力支撐。在三層次課程體系虛擬仿真實驗資源建設(shè)中，土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程的建立起著重要的助推作用。以“金課”標準構(gòu)建的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，堅持以理論和實踐教學(xué)中的問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力，以及解決復(fù)雜工程問題的實踐能力。根據(jù)教學(xué)需要，在部分虛擬仿真實驗資源的建設(shè)與應(yīng)用中，結(jié)合虛擬仿真項目、課程建設(shè)及教材建設(shè)，打造立體化教學(xué)資源，豐富土木工程專業(yè)教學(xué)手段，切實發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)成果在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的關(guān)鍵性、多樣性作用。參考文獻：

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Virtual simulation construction of experimental teaching

resources for triple-leveled civil engineering curriculum system

LI Jun， LI Xiaodong， CUI Yifei， ZHANG Peng， QU Chengping

（School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， P. R. China）

Abstract：

In order to strengthen the cultivation of students professional interest， application and innovation ability， and practical ability to solve complex engineering problems， the ideas of the construction and application of virtual simulation experimental teaching resources serving the triple-leveled professional curriculum system namely the “core-direction-expansion” curriculum system of civil engineering are proposed. The three-level curriculum system has the characteristics of connecting theoretical teaching with practical teaching， and engineering practice with experimental teaching. The course of comprehensive experiment of civil engineering （including virtual simulation） with the characteristics of virtual-real combination is newly established which contains the experimental teaching content urgently needed by civil engineering majors and adapts to the new characteristics of college students growth and new laws of education and teaching in the information age. Relying on the national-level experimental teaching demonstration center， the national-level virtual simulation experimental teaching project， and a number of teaching research and teaching reform subjects， the virtual simulation experimental resource library serving the triple-leveled curriculum system is built with the “golden course” standard of virtual simulation， and the three-dimensional teaching resources are constructed combined with virtual simulation projects， courses construction， and teaching material construction.

Key words： civil engineering; virtual simulation experiment; experimental teaching resources; core-direction-expansion; curriculum system

（責(zé)任編輯 王 宣）