新工科背景下土木類專業核心課程虛擬仿真實驗探索研究

王英杰　孫玉周　邊亞東

摘 要：在新工科理念指導下，促進理論教學與實踐教學的進一步融合是教育教學改革的重要方向。在土木工程專業的人才培養過程中，課程理論教學團隊與實踐教學指導團隊緊密合作，針對現場實驗實驗周期長、成本高、場地要求高以及操作難度大等問題，構建開發了虛擬仿真實驗系統。通過虛擬仿真實驗操作實踐，學生得以真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養了學生獨立解決工程實際問題的能力。同時，實現了過程性考核與結果性考核相結合的教學目標，達到了開展虛擬仿真實驗的預期目標。

關鍵詞：新工科；土木類；虛擬仿真；土工合成材料；土木工程施工

土工合成材料在國際上被稱為繼鋼材、水泥、木材之后的“第四大建筑材料”，主要包括土工格柵、土工格室、土工布、土工膜、土工網、土工保溫材料及其相關土工復合材料等。在實際工程應用中，土工合成材料的應用領域廣泛，如軟土地基加固、舊路堤加寬、堤壩邊坡加筋和加筋擋土墻等，具有提高路基路堤承載力、降低路基厚度、河流邊坡防護、隔離防水防滲、集水排水以及延長基層結構使用壽命等作用。

一、土工合成材料應用及實驗教學現狀

目前，土工合成材料已被廣泛應用于各類巖土工程和大量的水利及堤防工程中。在土工合成材料的實驗教學中，能夠進行的室內實驗只有樣品測重、垂直滲透率測定、抗剪切實驗、抗拉伸實驗以及摩擦實驗等，這些實驗均是研究材料試樣的基本物理力學特性實驗。然而，關于土工合成材料在使用方面的實驗和練習，卻難以在室內環境下進行。其主要原因有：一是場地要求高。以路堤加固為例，即使僅設置三組對比實驗，所需的實驗場地總面積也至少近千平方米。二是實驗周期長。路堤加固涉及土體的固結、沉降及穩定性等問題，時間跨度最長可達一年以上。這使得課程的理論學習與實驗教學難以同步進行，進而影響了授課質量。三是經濟成本高。除了大面積的合成材料費用，實驗中還需考慮基層處理成本、大型機械租賃費、人工費及養護成本等，這些費用大大增加了實驗預算。此外，土工合成材料的室外實驗還容易受到環境的影響，如日曬、降雨等不易控制的因素，這些都會導致實驗誤差增大，進而對實驗結果產生影響。

為了克服現場實驗條件的限制，提高課程的教學質量和學生的操作能力，圍繞土工合成材料的虛擬仿真實驗教學系統進行構建和研發，為學生提供交互式的虛擬仿真實驗平臺。該平臺不僅融合了室內實驗的理論基礎和操作要求，還能提供室內實驗無法進行的合成材料制作、鋪設方法、鋪設效果檢測以及時間跨度大的蠕變實驗等重要內容。

研究團隊選取了三種具有代表性的土工合成材料——土工布、土工格柵及土工膜，以及它們在實際工程中對應的三類典型應用——路基加筋、邊坡防護以及水庫、河流、垃圾填埋場、污水處理等，通過采用虛擬仿真技術，對土工合成材料實施從加工制作到鋪設檢測的全過程進行仿真模擬，以期解決實驗場地要求高、實驗周期長、原材料價格昂貴等限制因素的影響，為學生提供一個隨時隨地、可以反復操作的虛擬仿真實驗平臺，切實提高學生的實踐操作能力。

二、虛擬仿真實驗系統功能構建及開發

課程教學團隊與實踐教學指導專家團隊緊密合作，充分利用虛擬仿真系統平臺的優勢，將實驗場地要求高、實驗周期長、經濟成本高的室外土工合成材料現場實驗轉化成三維可視化系統平臺。通過該平臺實現了合成材料的合成、檢測、鋪設、檢查等全過程的仿真模擬，實現了土工合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環受載等實驗的仿真模擬。此外，還實現了土工合成材料的鋪設方法、焊接工藝等的模擬。這一創新舉措不僅提升了學生對理論知識的掌握程度，還顯著增強了他們的實際操作技術能力。

（一）系統功能構成

該虛擬系統主要分為專業基礎知識考查、課程知識考查、檢測試驗知識考查、土工合成材料鋪設知識考查以及實驗報告填寫五部分。在學生充分掌握專業基礎知識的基礎上，重點考查學生對不同類型土工合成材料適用范圍的判斷、原材料的選取與配比、合成材料的試驗檢測以及鋪設的注意事項等內容。同時，學生還需要結合虛擬仿真實驗的全過程完成最終的實驗報告。

（二）系統操作流程

學生在進行實驗之前，需要具備一定的理論知識，理解和掌握土工合成材料的屬性、應用條件及適用范圍等關鍵要素，并根據實驗要求確定實驗對象的工程類型。進入虛擬仿真實驗系統后，學生需依次完成以下內容：工程實驗合成材料的選擇—原材料的選取—土工合成材料的制作—土工合成材料的物理力學特性測試（確保測試合格后才可進入下一步）—鋪設前的檢查—土工合成材料的鋪設—鋪設后的檢查—在線測評—確認實驗完成等。

該虛擬仿真實驗系統涵蓋了18個詳細的操作步驟，總計超過100個操作項，全面模擬了土工合成材料從選取、制作、檢測到鋪設使用的全過程。該系統能夠記錄并保存學生的每一個操作過程和實驗數據，并可在系統后臺進行查看。這樣既可以精準評估學生在實驗過程中各個環節的表現，又可以對學生的實驗結果進行分析和考核，實現了過程性考核和結果性考核的有機結合。

（三）系統特色

該虛擬仿真實驗項目構建了“一人一工程”的實驗教學方法。每個學生面對的都是不同的工程實際，或不同工程類型，或工程尺寸不同，或工程要求標準不同，給學生增加了實驗難度。因此，學生需要根據自己的實際工程情況來確定實驗參數、材料尺寸及實施方案。這讓學生完整地經歷了從工程模型建立、原材料制作到合成材料的測試、鋪設以及鋪設效果監測等實驗全過程。同時，學生可以通過設定不同的溫度、荷載、濕度等變量，在虛擬仿真系統中實現對合成材料的抗剪切、抗拉伸、蠕變及循環受載實驗。此外，學生還可以選擇合成材料的搭接方式、縫合和焊接方式等。這使得學生在短時間內能熟悉實驗的整個操作過程，并能對階段性結果和實驗報告結果進行整理和分析。這種方式有效彌補了傳統實踐教學的不足，提高了學生的實驗興趣和主動性。學生可以通過相互溝通、合作討論的方式完成實驗，從而真正掌握土工合成材料的適用范圍和使用方法，培養他們解決工程實際問題的能力。

三、虛擬仿真實驗系統應用及發展

該虛擬仿真實驗項目是為配合土木工程類專業核心課程土木工程施工的教學要求而開發的，主要面向土木工程及其相關專業的大二或大三學生。它有效解決了傳統課堂教學中重理論輕實踐的問題，通過虛擬仿真實驗系統的全流程操作，學生能夠將理論知識與工程實踐相結合。同時，虛擬仿真實驗突破了實驗場地、周期、經濟性等因素的限制，極大地提高了學生對課程知識的掌握程度。自系統構建開發以來，深受學生的歡迎，并取得了良好的應用效果。此外，該虛擬仿真實驗的系統還可以為各個院所的科研人員、工程從業者以及土工合成材料行業的設計和生產商提供服務，進而促進土工合成材料的整體發展和進步。

今后，研究團隊將繼續發揮虛擬仿真實驗教學的優勢，不斷優化和升級實驗項目。深入開展校企合作交流，使虛擬仿真實驗教學內容更加貼近工程實際，并緊跟土工合成材料行業的最新發展成果。持續補充包括原材料、制作工藝、產品升級、機具更新以適用工程類別等內容的數據庫，逐步實現理論指導實踐、實踐促進理論的良性發展。

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責編：應 圖

基金項目：河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“‘智能+時代本科高校虛擬基層教學組織研究與實踐”（編號：2021SJGLX226）；中國紡織工業聯合會高等教育教學改革研究項目“新工科理念下土木類專業人才實踐教學模式研究”（編號：2021BKJGLX520）；中原工學院教學改革研究與實踐項目“以立德樹人為根本任務的‘土木工程施工課程思政建設與實踐”（編號：2023ZGJGLX071）

作者簡介：王英杰（1990— ），男，中原工學院講師，研究方向為土木工程材料、巖土工程；孫玉周（1974— ），男，中原工學院教授，研究方向為多尺度力學和工程數值仿真；邊亞東（1975— ），男，中原工學院教授，研究方向為新型土木工程材料、邊坡工程與支擋結構。