基于數字信息化的一流本科專業實踐教學改革探索

謝明志 何畏 馮嵐 楊永清 袁晶蓮

［摘 要］為提升新工科背景下的人才培養效果，西南交通大學土木工程學院以培養學生創新實踐能力為教學目標，積極探索適合一流本科專業人才的培養模式，大力開展土木工程專業實踐教學研究。針對實踐及實驗教學面臨的困難和限制，圍繞實踐教學方法、手段及過程，課題組以虛擬數字仿真平臺為基礎，構建了創新實踐教學系統。實踐及應用表明，教學改革加強了學生的主動學習能力，提升了其分析問題、解決問題的綜合能力及創新實踐能力。在此基礎上，課題組還通過加強學科建設、人才培養、合作交流，積極推動高等教育信息化建設。

［關鍵詞］一流本科專業；實踐教學；土木工程；橋梁專業；教學改革

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）05-0060-05

教育部于2019年4月發布了《教育部關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的通知》，為我國高等教育內涵式發展指明了方向，對促進高校聚力本科人才培養、提升人才培養質量具有重要影響[1]。新時代下信息化、數字化的革新進一步促進了工程技術的發展和人才需求的變化，也對高等教育一流本科專業建設，人才培養目標、定位提出了更高要求。土木工程橋梁專業內容廣泛、知識面廣，具有一定的廣度和深度；其課程體系復雜，實踐性強，涉及眾多專業基礎課程及專業課程，教學需要注重理論與實踐的不斷融會貫通。因此，結合高等教育信息化及新工科發展趨勢和需求，探索土木工程橋梁專業實踐教學改革，對提升高等教育質量、深化新工科實踐教學改革具有重要的理論及現實意義，也將產生積極影響[2～3]。西南交通大學（以下簡稱我校）國家一流本科專業——土木工程橋梁專業依托國家級實驗教學示范中心、土木工程綠智融創實驗教學中心以及土木工程虛擬仿真實驗教學中心（國家級），以“夯實基礎、自強獨立、能力培養、個性突出、提升創新精神和實踐能力”為實踐教學目標，開展土木工程橋梁專業課程實踐教學改革研究，培養理論扎實、專業寬厚、創新突出、綜合素養高的新工科工程技術人才及研究型人才。

一、實踐教學數字信息化

近年來，在新工科背景下，眾多高校對數字信息虛擬教學進行了深入研究及探索，為新工科背景下的專業課程實踐教學提供了思路和改革方向。針對信息化技術在實驗教學中的特點及適用性，國內外學者近年來開展了一些研究[4-5]。國外不少大學根據專業特點、課程體系設置、實踐教學要求，搭建了虛擬化實驗平臺，并依托互聯網，為實踐教學提供實驗條件，實現遠程虛擬教學。2012年和2018年，我國分別頒布了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》及《教育信息化2.0行動計劃》，明確了高等教育信息化建設方向和目標；同時，國內各高校也積極搭建信息化實驗平臺，開展虛擬仿真實驗教學，以期更好地推進有關專業改革、專業建設的教學數字信息化[6-8]。在這一時期，部分高校對數字信息實驗室進行了資源建設、平臺建設，與其他高校共享示范及實驗技術提升，為基礎課及專業課程實踐教學奠定了堅實的基礎，提高了學科建設水平，進一步拓展了人才培養方式，提升了人才培養效果[9-11]。2021年，教育部等六部門發布《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，提出以信息化為目標，以教育高質量發展需要為導向，聚焦信息網絡、平臺體系、數字資源、智慧校園、創新應用、可信安全等教育新型基礎設施體系，加快推進教育現代化，構建高質量教育支撐體系[12]。因此，持續推進并加快教育信息化和數字化建設，是新時代高等教育發展的重要保證，也為教學數字信息化技術轉型提供有力保障，同時將助力護航一流本科專業實踐教學改革。土木工程技術的發展、人才需求形勢的變化、信息技術的革新，對高校橋梁專業的人才培養目標提出了新要求，工程教育中的實踐教學必須積極適應這一改變。

二、以創新實踐能力為目標的實踐教學實施

土木工程橋梁結構復雜，建造工序多，因此，專業實踐教學存在著資源消耗大、費用高、風險大等特征。尤其是破壞性試驗，受場地、資金及時間等限制，在傳統實踐教學中，學生試錯成本高，主觀能動性弱，只能被動接收，試驗中的不當操作難以達到理想試驗效果。因此，在實驗設計、模塊設置及功能需求等方面應充分利用信息數字化優勢，構建虛擬仿真實驗平臺，讓學生能事先在該平臺上獨立或分組完成實驗。利用該平臺，可以有效整合線上、線下教學資源，讓學生掌握實驗流程的同時，理解實驗重難點、關鍵環節等實驗要點，避免現場實驗因人為操作不當帶來安全隱患和對實驗結果產生不良影響。通過軟件研發、資源配置及成果轉化，我校土木工程橋梁專業目前已成功構建了鋼筋混凝土簡支梁靜載破壞、鋼桁三維非破壞靜載及橋梁設計虛擬仿真實驗系統，進一步結合“虛—實”教學方法，推進了實踐教學數字信息化建設，增強了實踐教學效果。

（一）鋼筋混凝土簡支梁靜載破壞實踐教學改革

結構受力性能分析是土木工程橋梁專業的重難點，荷載試驗是學生驗證結構計算理論、掌握專業知識的重要手段。鋼筋混凝土結構構件實物體量大、成本高、構件不能重復使用，傳統實驗準備時間長、測試內容多、容錯性低，易受到諸多限制，導致學生參與實驗過程的局限較大。因此，應充分發揮計算機及網絡信息技術的優勢，構建虛擬化數字實驗網絡系統，通過合理的程序設計及高度的環境仿真，有效解決上述實物實驗的缺點。通過虛擬仿真實踐，學生對鋼筋混凝土簡支結構組成、工作原理、實驗特點等方面有了較為全面的了解，進而掌握荷載實驗技能。通過“沉浸式、高仿真、交互式”的三位一體培訓，學生能系統地掌握實驗理論計算、方案設計、安裝調試、加載測試等完整程序，熟悉荷載實驗的作業標準和規范，并對虛擬實驗數據進行分析判斷，了解結構在各加載階段撓度、應變的變化規律，掌握其力學特性。再通過實體物理模型實驗得到構件實測實驗數據（包括撓度、應變、裂縫分布及寬帶、開裂及極限荷載、破壞形態等），進而分析結構力學特性及安全性。虛擬仿真和物理實驗的有機結合，使實驗教學更具有創新性，教學效果更顯著。

依據結構荷載試驗的一般過程，鋼筋混凝土簡支梁靜載破壞實踐教學分為靜載設計、虛實實施、實驗分析三個模塊，其中“虛—實”實施模塊包括實驗虛擬全過程操作、現場實驗準備及實驗操作，如圖1所示，可以對學生在實驗準備及實施環節的操作進行評分，能夠清晰反映學生對結構荷載試驗全過程的掌握情況。這三個模塊涵蓋了結構構件理論計算、加載方案設計、量測方案設計、構件制作過程視頻演示、加載支承反力設備的安裝、安全措施設計、材料實測強度獲取、電液伺服加載系統操作、百分表及支架安裝、位移撓度觀測、應變片粘貼布置、靜態應變儀連接、應變測試、裂縫觀測、破壞形態分析等15項典型工作任務，學生通過各項虛擬仿真操作，基本具備了鋼筋混凝土簡支梁從理論計算分析到實驗測試結果分析的綜合能力。

（二）鋼桁結構三維非破壞靜載實踐教學改革

針對鋼桁架結構現場實物體量大、運用場地復雜（河流上的鋼桁架橋梁、大型工業廠房的屋架等）、制作使用成本高等局限性，土木工程學院利用數字信息技術，構建了鋼桁結構三維非破壞靜載實踐教學系統，將傳統運用實物圖片、視頻進行課堂講授的“以教師為主”的教學模式拓展為“以學生為中心”的自主模式，讓學生通過虛擬操作掌握實驗方法，然后開展實體物理模型實驗，真正做到“虛—實結合”“虛—實互促”。該實踐教學系統能讓學生虛擬開展實驗設計、安裝設置、觀測布設、分析評價；同時，內嵌的力學層能進一步讓學生鞏固所學的理論知識，并能加強學生理論與實踐的融會貫通，使其知其然知其所以然。該實踐教學系統具有良好的自主性、交互性及擴展性，如圖2所示。

學生通過各項虛擬仿真操作，可以自主完成鋼桁架從理論計算到實驗測試全過程的各項工作。通過仿真實驗，教師可以對學生在實驗準備及實施環節的操作進行評分。虛擬仿真平臺能夠清晰呈現學生對結構荷載實驗全過程的掌握情況；培養學生對鋼桁架結構系統組成、工作原理、實驗特點等方面的認知能力和實踐技能；解決學生現場實驗和實踐難度大、風險大、任務重的難題。在“互動化、高仿真、沉浸式”的三維仿真訓練中，學生可以掌握鋼桁架實驗的技術和流程、對實驗數據進行采集及對比分析的手段，并熟悉鋼桁架實驗作業標準和規范。此外，該虛擬仿真實驗系統還可以作為實物實驗的預習環節，在虛擬仿真實驗模擬完成后，學生再通過實體物理模型實驗得到實測變形及承載力，從而更好地將理論與實踐結合起來。

（三）橋梁設計實踐教學改革

橋梁設計是一門連接專業基礎與工程應用的重要實踐課程，是學生必須通過前期基礎課程和專業課程學習后方可參與演練的綜合性課程。土木工程橋梁專業系統性較強，但由于學習時間跨度較大、內容較多，學生對前期所學知識會出現不同程度的遺忘，加之設計經驗匱乏，在實戰演練中常出現設計不合理、不合規等情況，導致學生試錯時間長、效率低，難以高屋建瓴，不利于學生創新思維、綜合能力的培養。為解決這些問題，我校土木工程學院構建了集知識預覽、設計訓練、案例演示、成果上傳于一體的橋梁設計實踐教學系統，其中知識預覽系統涵括了橋梁工程、橋梁工程課程設計、畢業設計等課程的知識點，學生做設計前先通過該模塊鞏固基本概念，理解設計要點，將前面所學內容進行綜合串聯。在此基礎上，再進行設計訓練及案例演示，完成各個實驗步驟，以提升學生的設計能力，培養學生創新思維。學生最后進行成果匯總及上傳。該實驗系統如圖3所示。

橋梁設計實踐教學的改革依托智能化集成設計軟件，學生可充分利用數字化信息資源，在虛擬設計環境中開展設計訓練，培養工程師的設計素養，并開展實戰演練，最終完成各項設計任務。相對于傳統橋梁設計課程教學，利用虛擬數字化平臺的實驗及實踐教學更加高效、直觀、清晰，可快速搭建全橋及構件3D模型，顯示三維成果，實現數據智能檢查、錯誤精準定位、數據并聯更新，呈現更加直觀及豐富的設計成果，學生也能嘗試設計圖紙的智能繪制。橋梁設計實踐教學的改革增強了學生分析問題、解決問題、實踐技術的綜合能力，在鞏固理論知識的同時也加強了學生局部到宏觀的大局意識，取得了良好效果。

三、實踐教學效果

我校以土木工程國家級實驗教學示范中心以及土木工程虛擬仿真實驗教學中心（國家級）為平臺，進行了以培養創新實踐能力為目標的一流本科專業實踐教學改革，改革成效顯著。

（一）教學方法拓展

基于虛擬數字仿真平臺構建的實踐教學系統有力地支撐了土木工程橋梁專業土木工程試驗與量測技術、混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、橋梁工程、鋼橋及組合結構橋梁、橋梁工程課程設計和畢業設計等課程實踐及個性化創新實驗。學生可多路徑、多通道地優化實驗方案，有效進行現場試驗，加深了對專業課程的理解，在技術手段上實現了“由虛入實，虛實結合”，在教學效果上體現了“由淺入深，層層遞進”。該教學模式拓展了傳統的教學方法、思路和手段。

（二）主動學習培養

搭建的虛擬數字仿真平臺實現了網絡數字化，消除了空間和時間障礙。搭建的校內實驗資源共享平臺，為教學改革拓展了新思路、新方法。網絡虛擬仿真、遠程實驗、時空沉浸式虛擬仿真、數字仿真等教學方式強化了學生的自主學習能力，加深了對實驗教學內容的掌握。學生通過深度參與實驗設計、實驗操作、實驗計算、實驗分析、報告撰寫等工作，不斷加強理論與實踐的融會貫通。同時，該平臺能夠進一步鞏固學生對實驗課程核心知識的理解，使得學生真正做到學以致用、知其然知其所以然，有利于學生端正學習動機和創新能力的培養。

（三）科創合作交流

學生充分利用虛擬數字仿真平臺參與全國結構設計大賽、四川省大學生結構設計競賽及大學生課外創新實驗等活動，獲得了更好、更有效的服務。同時，通過此類比賽，我校與國內多所高校通過師生互訪、實驗競賽合作組建學生科研實踐團隊，積極推進優質實驗教學資源共享，受益人數每年7000多人。校際活動的開展，增強了高校間的聯系，完善了資源共享機制。

四、結語

一流本科專業建設及實踐教學改革應遵照教育部“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的要求和指導思想。新時代高等教育信息化建設為推動教育現代化、高質量發展提供了新的路徑、新的思路，也將進一步推進一流本科專業內涵式發展。基于虛擬數字仿真平臺的土木工程橋梁專業實踐教學具有高效性、便利性、安全性及經濟性，能夠彌補傳統教學的不足，可克服時間及空間限制，在提升教學效果的同時，強化了學生主動學習性，提高了其創新創造能力。由于土木工程橋梁學科的專業性、社會性、實踐性、周期性及系統性，對實踐教學提出了更高標準和要求，而切實踐行“以實為本、虛實結合、相互補充、能實不虛”的指導原則，將對進一步推進我國高等教育虛擬仿真實踐教學持續發展起到積極作用，并為教育信息化的實踐教學改革提供新思路。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：鐘 嵐］