土建類專業虛擬仿真實驗教學體系改革與實踐

摘要：實踐教學作為土建類人才培養的重要環節，新時代對工程實踐和創新能力培養提出了新的要求，本文基于工程項目和創新能力培養的要求，開發了土建類專業虛擬仿真實驗教學系統。該系統通過校企聯合、開發虛擬仿真實驗教學項目以及構建多層次、全類別工程實踐虛擬仿真實驗平臺，推進線上線下混合式實驗教學等方法培養學生的工程試驗和創新能力。通過本次教學體系改革和實踐可以整合資源，解決傳統教學實踐過程中周期長、具有一定危險性的特點，為學生培養工程試驗和創新能力打下堅實的基礎。

關鍵詞：工程實踐；創新能力；虛擬仿真；教學體系；改革與實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

進入21世紀，我國工程建設迅猛發展，大量學校開展工程專業人才培養，但學生實際工程實踐卻成為大問題，由于傳統工程實踐過程中存在危險性大、周期長等特點，許多高校就放棄學生進行工程現場實踐，由此造成學生畢業后無法快速適應工程實際工作。

為應對此背景下的人才要求，需建設一批具有創新能力和工程實踐背景下的復合型人才［12］。各大院校開始利用現代化信息技術，采用虛擬仿真的方法，對已有的教學體系進行改革與延伸［3］。虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措［45］。

采用虛擬仿真實驗教學，可以解決實際工程實踐過程中周期長、環境差、有危險等問題，同時使更多的學生在安全無污染的環境中了解工程實際實踐［6］。中原工學院基于工程實踐和創新能力培養，開展了土建類專業虛擬仿真實驗教學體系改革與實踐。

1發展起源

自2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，中原工學院積極參與相關建設，中原工學院建筑工程學院積極參與其中，于2013年獲批首批河南省力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心，依托該中心，學院組建了以教授和青年博士為骨干的虛擬仿真實驗建設團隊，探索了基于工程實踐和創新能力培養的土建類專業虛擬仿真實驗教學體系建設的新路徑［78］。虛擬仿真實驗教學手段的改革是信息技術與教育深度融合的體現，積極落實國家教育信息化戰略，整合優化資源，構建虛擬仿真實驗教學項目和平臺，解決傳統實驗教學“做不到、做不了、做不上”的難題［9］。

為深化實踐教學改革，提升教學質量，使學生能夠在有限的實踐課時內掌握學科前沿和最新工程技術，針對實踐教學存在的問題，從學生工程實踐和創新能力培養的目標出發，以河南省力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心為依托，堅持“虛實結合，能實不虛”的基本原則，深度融合虛擬仿真實驗教學與實踐教學方法的特征優勢，構建虛擬仿真實驗教學平臺，全面提升學生工程實踐和創新能力［1011］。

經過多年的實踐探索，中原工學院建筑工程學院將虛擬仿真實驗教學項目融入一流本科專業建設工作之中，以深化基礎教學、注重實踐能力、鼓勵創新思維作為指導思想，緊密結合產業發展和區域特色，強化土建類專業與學校核心學科融合發展，以虛擬仿真實驗教學平臺為依托，推進信息技術與高等教育實踐教學深度融合，構建了多樣化的土建類專業工程實踐和創新能力培養的實驗教學新體系和新模式。

2傳統教學存在的不足

在“十四五”開啟全面建設社會主義現代化國家新征程的大背景下，中原經濟區城市化建設面臨新的機遇和挑戰。實踐教學作為土建類專業人才培養的重要環節，在現代交通、土木工程建設人才培養體系中占有非常重要的地位；虛擬仿真實驗是計算機信息技術與專業學科交叉融合的產物，能夠與傳統實體實驗深度融合，當前主要存在以下不足。

2.1實體實驗存在危險性高、周期長、不可逆、不可重復等問題

土建類專業人才工程實踐和創新能力培養過程中，實體實驗會給施工單位的正常施工和現場安全管理帶來一些難題；施工周期長，現場教學無法實現全程跟蹤；實體實驗操作過程不可逆；經濟成本過高且存在一定的安全風險。

2.2傳統實踐教學理念略顯滯后，虛擬仿真實驗定位模糊

傳統虛擬仿真實驗定位不夠清晰，僅將平臺定位為實體實驗室的簡單補充，未充分發揮平臺對學生獨立思考和創新能力的培養功能，與課程目標融合程度有待加強。

2.3高質量的探究型、開放型和綜合型虛擬仿真實驗教學項目有待加強

目前的虛擬仿真實驗項目探索性環節設計不夠深入，學生的創新能力、探索能力和科研素養提升不夠顯著。傳統的教學理念，亦未將科研成果體現在理論教學和實踐教學中。

3工程實踐和創新能力培養舉措

3.1基于虛擬仿真實驗教學新理念，組建虛擬仿真實驗教學和科研團隊

建立虛擬仿真實驗基層教學組織，探索虛擬仿真實驗教學新理念；突破專業壁壘，組建了虛擬仿真實驗基層教學組織。依托基層教學組織開展虛擬仿真實驗集體教學研究和探討，探索虛擬仿真實驗教學新理念、新模式，推進虛擬仿真實驗課程、教材、教學內容與方法不斷優化，提升人才培養質量。

校企聯合，組建虛擬仿真實驗教學和科研團隊。依托“三區一群”國家戰略，結合中原經濟產業發展優勢和區域特色，中原工學院建筑工程學院以項目為載體，合作研發為平臺，凝練具有地方特色的虛擬仿真實驗教學項目，組建了一支經驗豐富的虛擬仿真實驗教學和科研隊伍。

3.2開發虛擬仿真實驗教學項目，提升學生工程實踐和創新能力

將虛擬仿真實驗項目凝練提升為與理論教學內容、實驗課程體系和創新人才培養需求相適應的新形態教材，緊扣學科發展前沿、教學改革成果，及時更新教學內容，開發虛擬仿真實驗項目，提升學生工程實踐能力。

工程建設需求引導專業人才知識體系構建。（1）施工現場安全與防護虛擬仿真實驗（2020年校級虛擬仿真實驗教學項目），該虛擬仿真實驗系統將土木工程施工過程中常遇到的施工安全與防護問題設計為獨立的環節，每個學生都是一個施工人員，都可以切實體驗施工安全事故（見圖1）。（2）垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗（2018年省級虛擬仿真實驗教學項目），針對城市垃圾填埋場工程填筑過程中出現的不均勻沉降問題，團隊開發了垃圾土室內沉降虛擬仿真實驗項目［12］（見圖2）。（3）復雜環境作用下土的力學性質虛擬仿真實驗（2019年省級虛擬仿真實驗教學項目），針對路基、邊坡和基坑等土質構筑物在炎熱多雨和季凍氣候等復雜自然環境作用下，開發了復雜環境作用下土的力學性質虛擬仿真實驗（見圖3）。

3.3構建多層次、全類別工程實踐虛擬仿真實驗平臺，推進線上線下混合式實驗教學

依托商業軟件和自主開發的虛擬仿真實驗教學項目，建立基礎訓練虛擬仿真平臺，推進線上線下混合式實驗教學。自主開發了多項虛擬仿真實驗教學項目，采購了虛擬施工、虛擬力學和三維構造空間等虛擬仿真實訓項目（見圖4），實現了“線上線下、虛實結合”的混合式教學模式，使學生系統掌握了基本實驗技能。

創建虛擬現實安全教育實踐平臺，提高了工程安全意識。為提高學生工程安全意識，學院虛擬仿真實驗教學團隊根據教學內容的需求，與企業合作開發了工程安全教育虛擬現實實驗室（見圖5）。

構建工程實踐虛擬仿真實驗平臺，提升學生工程實踐和創新能力。依托開放式、探索式工程實踐綜合虛擬仿真實驗平臺，鼓勵學生參與縱橫向課題研究；優化實踐教學考核形式，形成多樣化、全方位的實驗教學新體系和開放教學新模式，培養學生創新意識、創新思維和創新實踐能力。

4研究成效

（1）基于工程實踐和創新能力培養的土建類專業虛擬仿真實驗教學體系已列入對應課程教學大綱，且已在校內相關工科專業實現共享，覆蓋學生兩萬余人次。在校內共享的基礎上，計劃將虛擬仿真實驗教學項目在省內以及全國建筑類院校進行開放共享，擴大受益面，教學效果和學生反饋結果良好。結合工程技術發展，持續挖掘并優化虛擬仿真實驗項目和教學方案，拓展實驗深度，落實實驗效果，有效提升工程實踐和創新能力。

（2）通過實驗教學體系的改革與實踐，與相關企業進行資源共享，構建產學研協同育人長效合作機制，在建設思路、新技術應用和儀器設備、軟件開發等多方面進行交叉合作，建立了多個校企合作基地和實習基地，并不斷完善管理體制和運行機制，已初步形成地方示范效應。

結語

鑒于當前土木工程規模大、成本高、環境危險、操作不可逆、實踐周期長等特點，傳統實踐教學難以滿足工程實踐創新能力培養的需求。依托河南省力學與工程結構虛擬仿真實驗教學中心，堅持“虛實結合，能實不虛”的基本原則，基于虛擬仿真實驗教學理念，組建了一支虛擬仿真實驗教學和科研團隊。自主開發了省級和校級虛擬仿真實驗教學項目，引入虛擬施工、虛擬力學和三維構造空間等虛擬仿真實訓系統，建立了基礎訓練虛擬仿真平臺，推進線上線下混合式教學，實現了科教融合，提升了學生實踐創新能力。通過校企聯合，完成了多項教育部協同育人項目，將虛擬仿真實驗教學納入實踐教學體系，構建了工程實踐和創新能力培養模式，實現了學生工程實踐創新能力質的提升。

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項目來源：河南省研究生課程思政示范課程項目“大跨空間結構（YJS2024SZ15）”；河南省研究生精品教材項目“水泥基材料結構與性能（YJS2024JC20）”；中國紡織工業聯合會高等教育教學改革研究項目“基于工程教育專業認證的土木工程人才培養模式改革與實踐（2021518）、新工科背景下土木類專業虛擬基層教學組織研究與實踐（2021514）”

作者簡介：惠存（1987—），男，漢族，河南南陽人，博士研究生，副教授，研究方向：鋼混凝土組合結構研究。