吳琛　麻勝蘭　詹金武　王展亮

摘要：國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，更是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。從全球工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、中國新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程教育范式變革三方面剖析了新工科背景下，推進(jìn)“智能+教育”的新型教育生產(chǎn)力是國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的責(zé)任擔(dān)當(dāng);分析了虛擬仿真中心當(dāng)前面臨的新挑戰(zhàn);介紹了福建工程學(xué)院土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展新工科教學(xué)改革的初步探索;最后對(duì)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的持續(xù)建設(shè)給出了建議。

關(guān)鍵詞：新工科;國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心;新挑戰(zhàn);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2020）06-0022-08

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)的攻堅(jiān)期，以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓬勃興起。新經(jīng)濟(jì)與新技術(shù)催生新業(yè)態(tài)，并對(duì)中國高等工程教育的改革提出了新的挑戰(zhàn)，新工科建設(shè)的重大戰(zhàn)略由此產(chǎn)生。

從2017年到2019年，新工科經(jīng)歷了從理念到行動(dòng)，從轟轟烈烈走向扎扎實(shí)實(shí)的過程。尤其是在2018年召開的新時(shí)代本科教育工作大會(huì)上，教育部陳寶生部長(zhǎng)明確指出，要將新工科建設(shè)深入推進(jìn)到“教材建設(shè)、教師素質(zhì)、體系融合、基地建設(shè)”上，這為新工科的實(shí)施指明了路徑。以此為本，針對(duì)新工科背景下課程建設(shè)改革[1]、教師跨界發(fā)展[2]等教育教學(xué)問題，建構(gòu)CDIO轉(zhuǎn)換平臺(tái)[3]、推進(jìn)卓越計(jì)劃2.0[4]等教育體系問題，以及國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基地建設(shè)問題[5-6]，眾多學(xué)者開展了深入研究。筆者圍繞新工科背景下國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的責(zé)任擔(dān)當(dāng)、面臨的新挑戰(zhàn)和教學(xué)改革思路展開研究。

一、推進(jìn)“智能+教育”的新型教育生產(chǎn)力是國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的責(zé)任擔(dān)當(dāng)

在我國高校教學(xué)基地建設(shè)中，國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一直是踐行教育信息化理念、組織高水平仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要陣地。2013—2015年，教育部共確立了300個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在新工科的背景下，這些國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心更是承擔(dān)著推進(jìn)“智能+教育”新型教育生產(chǎn)力的歷史使命。

（一）全球工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)決定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必然性

信息化、智能化、一體化是新工業(yè)革命浪潮下全球工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[7]，這些核心特征決定了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)新工科人才、應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命挑戰(zhàn)方面具有先天優(yōu)勢(shì)。

信息化主要表現(xiàn)在通過信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效的資源整合和優(yōu)化配置。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)自身就是信息技術(shù)與教育教學(xué)相融合的產(chǎn)物，最直觀地讓師生感受到教學(xué)模式隨信息化程度提升產(chǎn)生的深刻變革。同時(shí)，虛擬仿真的互動(dòng)性也讓學(xué)習(xí)者有機(jī)會(huì)體驗(yàn)信息模型輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝備數(shù)控化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、基于信息系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理等產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)代信息技術(shù)提高社會(huì)生產(chǎn)率和社會(huì)運(yùn)行效率的專業(yè)技術(shù)能力。

智能化主要表現(xiàn)為在網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的支持下，能動(dòng)地滿足人的各種需求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搭建虛擬場(chǎng)景，通過人工智能對(duì)實(shí)驗(yàn)操作做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)下一實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行分析和決策，培養(yǎng)思維判斷與分析的能力。同時(shí)，還可配合3D大屏、傳感器、攝像頭等硬件構(gòu)建感知環(huán)境和智能交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能制造、智能建造、智慧物聯(lián)、自動(dòng)駕駛、智能醫(yī)療等，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維和創(chuàng)造創(chuàng)新能力。

一體化表現(xiàn)為在信息化、智能化的基礎(chǔ)上打破傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的分工界限，使其全過程各環(huán)節(jié)相互滲透、融為一體。在傳統(tǒng)工程教育中，森嚴(yán)的學(xué)科壁壘和專業(yè)藩籬決定了實(shí)踐教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)往往在單一產(chǎn)業(yè)甚至是單一技術(shù)崗位上，有限的實(shí)踐課時(shí)難以安排覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)踐內(nèi)容;因此，虛擬仿真打破時(shí)空界限的特征，使得組織貫穿工程全壽命周期的實(shí)踐活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)跨界融合的能力鍛煉成為可能。

（二）中國新經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展

當(dāng)前，中國的經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)表現(xiàn)出六大特征：一是互聯(lián)網(wǎng)深刻改變各行各業(yè);二是創(chuàng)新型企業(yè)異軍突起;三是新技術(shù)壯大新產(chǎn)業(yè);四是智能化趨勢(shì)方興未艾;五是“三創(chuàng)”厚植新經(jīng)濟(jì)發(fā)展沃土;六是新經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)產(chǎn)業(yè)間跨界融合[8]。這六大特征決定了當(dāng)前的工程教育應(yīng)當(dāng)將互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)融入教學(xué);應(yīng)當(dāng)培育新的創(chuàng)新生態(tài)，挖掘大學(xué)生中蘊(yùn)藏的巨大創(chuàng)新潛力，增強(qiáng)學(xué)科交叉融合能力;還應(yīng)當(dāng)建立個(gè)性化培養(yǎng)模式，適應(yīng)年輕一代互聯(lián)網(wǎng)“原住民”的特征。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種“智能+教育”的先鋒實(shí)踐，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，迎合了新經(jīng)濟(jì)形態(tài)的六大特征。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)吸納產(chǎn)業(yè)行業(yè)中的新技術(shù)、新成果、信息化智能化元素和跨學(xué)科元素，引領(lǐng)未來工程需求。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、嘗試超常規(guī)操作、比較分析多方案多參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些都將培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)造能力和系統(tǒng)性思維。自由的線上學(xué)習(xí)時(shí)間、靈活的合作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?qiáng)大的師生討論和同伴互助功能可以滿足當(dāng)代青年對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴。

（三）工程教育范式變革倡導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

新工科“融合創(chuàng)新”的教育范式至少涵蓋了工科教育的新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量等內(nèi)容，形成了工程教育范式的基礎(chǔ)框架[9]，也倡導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新范式框架內(nèi)持續(xù)發(fā)展、推廣實(shí)施。

在新理念方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)致力于創(chuàng)新教育形態(tài)，豐富教學(xué)資源，重塑教學(xué)流程，打造資源開放融合教育新生態(tài)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容通過巧妙的構(gòu)思、形象的呈現(xiàn)和靈活的組織向?qū)W習(xí)者傳遞

新工科創(chuàng)新型、綜合化、全周期、開放式的人才培養(yǎng)新理念[10]。

在新模式方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立了多學(xué)科交叉融合的人才培養(yǎng)新模式。首先，在高校、科研院所、地方政府、行業(yè)企業(yè)、仿真開發(fā)企業(yè)之間形成科教結(jié)合、產(chǎn)教融合、校企合作、校地聯(lián)合的多主體協(xié)同育人機(jī)制。其次，促進(jìn)教師跨時(shí)空、跨專業(yè)開展知識(shí)傳授和創(chuàng)新研究。最后，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)資源供給的多元化，為學(xué)生提供個(gè)性化教育。

在新方法方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可通過沉浸式環(huán)境漫游引導(dǎo)學(xué)生深度適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境;通過任務(wù)式驅(qū)動(dòng)深度探索工程實(shí)際問題;通過自主式設(shè)計(jì)深度鍛煉創(chuàng)新思維;通過交互式操作參與深度判斷和系統(tǒng)決策;通過團(tuán)隊(duì)式探究與同伴深度互動(dòng);通過支架式引導(dǎo)深度分析復(fù)雜工程問題的解決策略。

在新內(nèi)容方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已然成為數(shù)字時(shí)代的優(yōu)質(zhì)資源平臺(tái)，所有高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆操作，所有高成本、高消耗、綜合性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)代工業(yè)使用的先進(jìn)信息技術(shù)，以及所有新興科學(xué)研究成果都可以轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)新內(nèi)容，成為工程教育教學(xué)“變軌超車”的推動(dòng)力。

在新質(zhì)量方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在信息空間內(nèi)傳遞工程知識(shí)、引導(dǎo)問題分析、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果;實(shí)驗(yàn)過程可滲透工程與社會(huì)，環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí)等大工程視野;實(shí)驗(yàn)組織模式可融入個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、溝通交流等工程素養(yǎng)訓(xùn)練。換言之，工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所確立的12項(xiàng)畢業(yè)要求，均可通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得以培養(yǎng)。此外，完整的仿真實(shí)驗(yàn)包括了預(yù)習(xí)、操作、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫、知識(shí)能力拓展等模塊，形成了認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的綜合性和形成性評(píng)價(jià)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供的基于項(xiàng)目共享、后臺(tái)數(shù)據(jù)的分析服務(wù)也為人才培養(yǎng)質(zhì)量的精準(zhǔn)、科學(xué)評(píng)價(jià)提供了大數(shù)據(jù)智能支撐。

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)順應(yīng)了全球工業(yè)發(fā)展、中國新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程教育范式變革的新要求。國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心理應(yīng)率先思考如何保持可持續(xù)健康發(fā)展，為推進(jìn)“智能+教育”的新型教育生產(chǎn)力發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。

二、國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面臨的新挑戰(zhàn)

國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在過去的幾年中，為完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、提升大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力作出了重要貢獻(xiàn)。然而，隨著我國現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新工科建設(shè)逐步深入，作為引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展方向的國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也面臨著諸多新挑戰(zhàn)。

（一）面向?qū)W科專業(yè)的擴(kuò)展

當(dāng)前，教育部批準(zhǔn)的國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心覆蓋了力學(xué)土建、材料、機(jī)械、化學(xué)、經(jīng)管等19個(gè)學(xué)科組。在新工科背景下，各中心面向?qū)W科專業(yè)的邊界和內(nèi)涵將發(fā)生變化，有所擴(kuò)展。如：作者所在的土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，面向的學(xué)科專業(yè)不再局限于傳統(tǒng)的土木工程，而是一方面需要打造數(shù)字化、信息化、智能化的新型土木工程，另一方面還需引領(lǐng)土木與計(jì)算機(jī)、控制、管理等其他學(xué)科之間的交叉融合，服務(wù)智能建造新生專業(yè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向?qū)W科專業(yè)的擴(kuò)展使得實(shí)踐課程體系、教學(xué)內(nèi)容、軟硬件配備、師資隊(duì)伍等面臨挑戰(zhàn)，但同時(shí)也是強(qiáng)化中心內(nèi)涵建設(shè)的好機(jī)遇。

（二）人才能力框架的重構(gòu)

國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)之初主要聚焦實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提升。然而，新工科立足新業(yè)態(tài)需求，從專業(yè)能力、通用能力和綜合素質(zhì)三個(gè)維度重構(gòu)了面向未來的工程人才能力框架。結(jié)合已有研究[11-17]，搭建的能力框架如圖1所示。顯然，新工科對(duì)未來人才提出了更加復(fù)合、更加高階的能力要求，這也要求國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心重新定位人才培養(yǎng)目標(biāo)，并將能力鍛煉、素質(zhì)養(yǎng)成有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與組織，實(shí)現(xiàn)OBE教學(xué)理念。

（三）虛擬仿真研發(fā)技術(shù)的提升

虛擬仿真研發(fā)技術(shù)水平是影響實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)水平的主要因素。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真主要研發(fā)技術(shù)已由初級(jí)的二維動(dòng)畫、仿真設(shè)計(jì)工具發(fā)展到當(dāng)今普遍采用的3D仿真、WebGL、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，大大提升了仿真的交互性、生動(dòng)性和直觀性。5G、WebVR、云計(jì)算、云渲染、人機(jī)交互、傳感器、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)的不斷融入還將使得未來的虛擬仿真項(xiàng)目技術(shù)更加先進(jìn)和智能。但同時(shí)，如何避免為信息化而信息化，真正實(shí)現(xiàn)讓先進(jìn)信息技術(shù)為實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵服務(wù)，需要專業(yè)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

短短幾年內(nèi)，各行業(yè)信息化程度不斷提高，促使各學(xué)科專業(yè)使用的主流軟件、信息技術(shù)也快速更新。例如：在建筑業(yè)內(nèi)，建筑信息模型（BIM）實(shí)現(xiàn)了建筑全生命期內(nèi)，各參與方在同一多維信息模型上的數(shù)據(jù)共享和傳遞，成為推動(dòng)“數(shù)字建筑”的重要抓手。借助智能傳感器和模式識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)感知建筑運(yùn)行狀況，成為建筑物健康監(jiān)測(cè)和舒適度調(diào)控的核心技術(shù)?？梢姡a(chǎn)業(yè)與先進(jìn)信息技術(shù)的深度融合驅(qū)動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，及時(shí)更新行業(yè)軟件，同時(shí)也對(duì)教師提出了更新知識(shí)、提升信息化教學(xué)能力的高要求。

三、福建工程學(xué)院土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

面向新工科人才培養(yǎng)新探索

福建工程學(xué)院土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2016年獲批，是全國21個(gè)力學(xué)/土建組國家級(jí)仿真中心之一。當(dāng)前，中國建筑業(yè)迎來了全面進(jìn)入“智慧建造”的新時(shí)代，但隨之而來的是在智慧建造方面的人才困境。以BIM應(yīng)用為例，有數(shù)據(jù)顯示，2020年，全國BIM人才缺口達(dá)60萬。在此背景下，中心從課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法三個(gè)方面積極探索新工科人才培養(yǎng)的新路徑，培養(yǎng)面向未來、面向產(chǎn)業(yè)需求的卓越工科人才。

（一）基于建筑業(yè)新業(yè)態(tài)重構(gòu)信息化課程體系

傳統(tǒng)建筑業(yè)是一個(gè)典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，隨著信息化的高速發(fā)展，建筑業(yè)綠色化、工業(yè)化、信息化的新業(yè)態(tài)已然呈現(xiàn)，智慧建造成為實(shí)現(xiàn)綠色建造發(fā)展目標(biāo)的技術(shù)支撐手段。智慧建造通常包括靈敏感知、高速傳遞、精準(zhǔn)識(shí)別、快速分析、優(yōu)化決策、自動(dòng)控制、替代作業(yè)等七個(gè)基本特性，可通過先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到兩個(gè)目的：一是針對(duì)傳統(tǒng)的土木工程，可以用更先進(jìn)更智能的手段進(jìn)行工程建造;二是建造出智慧建筑。據(jù)此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以土木工程專業(yè)智慧建造綜合實(shí)驗(yàn)班為試點(diǎn)，在傳統(tǒng)土木工程課程體系基礎(chǔ)上重點(diǎn)打造和優(yōu)化第四至第七學(xué)期課程，通過信息技術(shù)、智能設(shè)備、工程建造技術(shù)的深度融合與集成，形成如圖2所示的專業(yè)課程體系。重構(gòu)后的課程體系具有以下特征。

（1）以信息化工具為基礎(chǔ)。如“Phthon語言程序設(shè)計(jì)”為“智能算法分析與設(shè)計(jì)”提供技術(shù)平臺(tái);BIM建模成為開展一切建筑信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ);智能感知提取的信息為開展大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算提供了技術(shù)支持。

（2）信息技術(shù)貫穿勘查、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等工程全生命周期。課程體系以智慧測(cè)繪為起點(diǎn)，經(jīng)過房屋建筑和結(jié)構(gòu)的科學(xué)、智慧設(shè)計(jì)，采用智能機(jī)械實(shí)施智慧施工，通過智能感知和大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維。

（3）信息化理論與實(shí)踐密切聯(lián)系。在一系列信息化理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生將在虛擬仿真中心通過BIM軟件或帶有BIM功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件完成對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)。

（二）基于建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化需求拓展信息化教學(xué)內(nèi)容

土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與設(shè)計(jì)、施工、房地產(chǎn)、監(jiān)理、專業(yè)軟件開發(fā)、信息技術(shù)研發(fā)等多類型企業(yè)合作，“一校多企”共建專業(yè)核心課程，主要在以下五個(gè)方面拓展了信息化教學(xué)內(nèi)容。

1.從CAD到BIM

CAD的出現(xiàn)使工程師甩掉圖板，促成了轟轟烈烈的工程設(shè)計(jì)大改革，也使得近30年里，CAD制圖成為土木工程制圖課程的主要教學(xué)內(nèi)容。如今，BIM的出現(xiàn)興起了新一輪的建筑業(yè)革新，并在教學(xué)中取代CAD成為學(xué)生必須掌握的核心知識(shí)。

與BIM貫穿工程全壽命周期相對(duì)應(yīng)，BIM的知識(shí)貫穿了專業(yè)教學(xué)全周期。虛擬仿真中心在教學(xué)設(shè)計(jì)中不僅關(guān)注BIM建模，更主要的是將以BIM為平臺(tái)的多方協(xié)同應(yīng)用滲透于多門課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中。實(shí)踐教學(xué)中重點(diǎn)讓學(xué)生體驗(yàn)從CAD到BIM的三個(gè)變化。一是表現(xiàn)形式的改變。CAD繪制的是由線條組成的二維或三維圖紙;BIM建立的是帶有建筑信息的三維模型，甚至可以關(guān)聯(lián)工期、成本等生產(chǎn)管理要素形成五維模型，BIM是虛擬化的實(shí)體建筑。二是功能的提升。CAD的功能僅限于輔助設(shè)計(jì)繪圖;BIM則聯(lián)通海量數(shù)據(jù)，一方面實(shí)現(xiàn)建筑各階段的數(shù)據(jù)共享，提高工程的質(zhì)量和建設(shè)效率，另一方面實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方在協(xié)同平臺(tái)上的數(shù)據(jù)共享，提升企業(yè)精細(xì)化管理水平和智慧運(yùn)營(yíng)決策能力。三是思維意識(shí)的轉(zhuǎn)變。CAD讓人們體會(huì)到計(jì)算機(jī)技術(shù)釋放勞動(dòng)力，從而進(jìn)入電子時(shí)代的思維模式;BIM則讓工程師們進(jìn)入智能時(shí)代，系統(tǒng)性思維、合作共享、科技創(chuàng)新、專業(yè)使命、誠信守法、職業(yè)道德、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等意識(shí)

作為課程思政的元素在BIM教學(xué)中加以強(qiáng)化。

2.從工程測(cè)量到智能測(cè)繪

傳統(tǒng)的工程測(cè)量課程主要講授利用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進(jìn)行工程測(cè)量和誤差分析;而智能測(cè)繪課程主要拓展學(xué)習(xí)GIS遙感、GPS衛(wèi)星定位、數(shù)字測(cè)繪、航空攝影測(cè)量、三維立體化工業(yè)測(cè)量、地面測(cè)量等現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)。在智能測(cè)繪實(shí)習(xí)課程中，學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展“工程測(cè)量三維仿真實(shí)訓(xùn)”和“無人機(jī)航空攝影測(cè)量虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)”，未來還將嘗試對(duì)GIS遙感技術(shù)采集的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以指導(dǎo)后續(xù)施工。通過以上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生了解信息化技術(shù)、定位技術(shù)與高端電子設(shè)備的融合，為工程項(xiàng)目提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)精確化、智能化測(cè)量。

3.從房屋建筑學(xué)到房屋建筑科學(xué)

房屋建筑科學(xué)是在原有房屋建筑學(xué)課程基礎(chǔ)之上，融合智慧建筑和綠色建筑理念，以滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性，并降低建筑能耗。由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開設(shè)的房屋建筑科學(xué)課程設(shè)計(jì)、土木工程綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程，將指導(dǎo)學(xué)生在建筑方案設(shè)計(jì)中充分考慮通風(fēng)、照明、聲音、熱能等影響，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。未來還將嘗試在BIM工作環(huán)境中，

引入Ecotect等可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)及分析工具，對(duì)環(huán)境進(jìn)行模擬、分析、評(píng)估和方案優(yōu)化，構(gòu)建人、環(huán)境、建筑之間相互協(xié)調(diào)的生態(tài)體系。

4.從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到智慧設(shè)計(jì)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類課程主要講解現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和方法;而智慧設(shè)計(jì)中融入了大量的工業(yè)化和信息化元素，設(shè)計(jì)計(jì)算方法分布于多門課程中，學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可完成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如：在工程結(jié)構(gòu)智慧設(shè)計(jì)及其課程設(shè)計(jì)中，增加了疊合式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)埋件設(shè)計(jì)、鋼筋連接設(shè)計(jì)，以及鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件焊接設(shè)計(jì)。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中強(qiáng)化裝配式樓蓋抗震設(shè)計(jì)。在土木工程綜合實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合大型商用有限元分析軟件ABAQUS開展裝配式構(gòu)配件的建模和受力分析。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中基于BIM技術(shù)完成整體結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)。

5.從傳統(tǒng)施工到智慧施工

通常土木工程施工課程主要講授各分部工程傳統(tǒng)的施工技術(shù)和項(xiàng)目施工組織管理的一般規(guī)律;而智慧施工的核心能力則是通過多門課程的實(shí)踐訓(xùn)練逐漸累積而成。如：在智慧施工技術(shù)中講解拓展裝配式建筑的施工工序、施工要點(diǎn)，并通過裝配式建筑虛擬建造仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工的過程。在土木工程綜合實(shí)驗(yàn)中，融合BIM信息技術(shù)、裝配式建筑施工技術(shù)開展腳手架、模板支撐體系、新型鋁合金模板體系的信息化配模及優(yōu)化。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，基于BIM技術(shù)開展施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵施工方法、施工順序、組織方式進(jìn)行全過程可視化模擬，完成各施工過程的三維現(xiàn)場(chǎng)布置和場(chǎng)內(nèi)漫游，分析項(xiàng)目工程量，模擬施工過程進(jìn)度管理。

（三）基于新工科人才能力需求創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

根據(jù)前文總結(jié)的新工科人才能力框架，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心總結(jié)了沉浸式、任務(wù)式、自主式、交互式、團(tuán)隊(duì)式、支架式、反思式等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的與新工科人才能力的關(guān)聯(lián)如表1所示。

四、結(jié)語

新工科建設(shè)是新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革和新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展背景下高等工程教育改革的“中國方案”。當(dāng)前，全球工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、中國新經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)、工程教育范式變革都驅(qū)動(dòng)著國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為我國高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，也成為新工科建設(shè)的一個(gè)重要抓手。在新工科背景下，仿真中心的持續(xù)發(fā)展面臨著學(xué)科專業(yè)擴(kuò)展、人才能力框架重構(gòu)、虛擬仿真研發(fā)技術(shù)快速提升等一系列新挑戰(zhàn)。筆者以福建工程學(xué)院土木工程國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，對(duì)面向未來和產(chǎn)業(yè)的課程體系重構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容拓展、教學(xué)方法創(chuàng)新做了初步探索。

在未來的建設(shè)中，國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心一方面應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，積極開發(fā)和建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，使之成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)更新的著力點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐無縫對(duì)接的切入點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與教學(xué)方法改革的突破口;另一方面，還應(yīng)當(dāng)緊密對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，將適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容滲透在專業(yè)教學(xué)的全周期。與此同時(shí)，還必須建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)跨界教師隊(duì)伍，組織教師深入開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究、提升自身信息化水平和市場(chǎng)開發(fā)能力，積極傳遞信息化教學(xué)基因。相信多方面的教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐必然能夠使國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心承擔(dān)起推進(jìn)“智能+教育”新型教育生產(chǎn)力的歷史責(zé)任。

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Abstract： The national virtual simulation experimental teaching center is the product of the in-depth integration of disciplines and information technology， and it is also the development direction of experimental teaching. From the perspective of global industrial development， Chinese new economic development， and the transformation of engineering education paradigm， it is responsible for the national virtual simulation experiment teaching center to promote “intelligence + education” educational productivity. The new challenges currently facing and the preliminary reform exploration in Fujian University of Technology are introduced. Finally， some suggestions are given for the continuous construction of the national virtual simulation experimental teaching center.

Key words： emerging engineering education; national virtual simulation experimental teaching center; new challenges; teaching reform

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）