趙群

（吉林大學，吉林 長春 130000）

虛擬仿真，別稱為模擬技術，是主要依托于信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、電子信息技術、數(shù)據(jù)庫等構建形成的一種仿真虛擬系統(tǒng)。仿真虛擬系統(tǒng)中，用戶可通過視覺、聽覺等感官系統(tǒng)體驗虛擬的真實世界。智能化時代，虛擬仿真技術在土木工程實驗教育教學中的應用有效彌補了傳統(tǒng)實驗教學不足，大幅提高了土木工程實驗教學質量。土木工程實驗教學特定鮮明，與人們日常生活息息相關，而又無法真正深入到生活實際。其弊端在于土木工程科學嚴謹，實踐教學的不成熟性對土木工程的開展存在一定干擾[1]，同時也不能達到實驗教學目的。基于現(xiàn)實實驗教學需要，土木工程虛擬仿真實驗教學體系走進大眾事業(yè)，成為現(xiàn)階段中國土木工程實驗教學重點探索內容。

1 土木工程虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀分析

模擬仿真技術應用起源于西方國家，最早用以探究軍事作戰(zhàn)，通過軍事作戰(zhàn)模擬提升國防力量。伴隨科技發(fā)展，模擬仿真技術逐漸融合到各個領域。目前，在全球范圍內，模擬仿真技術已被廣泛應用于醫(yī)學、土木工程、信息技術、教育教學等系統(tǒng)。在教育系統(tǒng)，土木工程虛擬仿真實驗教學的應用，能夠有效培養(yǎng)學生應用、實踐、創(chuàng)新等能力，是新工科背景下培養(yǎng)學生綜合素養(yǎng)的重要教學方法之一[2]。虛擬仿真技術在土木工程實驗教學中的應用旨在彌補傳統(tǒng)教學不足，利用線上線下結合、虛擬現(xiàn)實結合、跨學科交融、行業(yè)協(xié)同、校際交流等方式，加強土木工程實驗教學師資力量，提高土木工程實驗教學質量，保證應用型人才的培養(yǎng)質量，為社會輸出有用人才。同時，利用科技探究前沿技術反哺社會，做到科技創(chuàng)新與應用協(xié)同發(fā)展。對于土木工程虛擬仿真實驗教學目的及愿景，土木工程虛擬仿真實驗教學開展意義重大[3]。但從土木工程虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀分析，土木工程虛擬仿真實驗教學尚處于探索階段，且存在諸多不足。

1.1 土木工程虛擬仿真實驗教學體系尚處于探索階段

在中國，虛擬仿真實驗教學項目開始于2018年。教育部為深入學習貫徹黨的十九大精神，適應信息化時代背景下知識獲取方式和傳授的方式，深化信息技術與教育教學的深度融合，決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作。截至2019年，教育部先后認定了296個虛擬仿真實驗教學項目。雖然，從國家級虛擬仿真實驗教學項目看，中國目前已經(jīng)存在近300個虛擬仿真實驗教學項目，但從虛擬仿真實驗教學項目開展情況看，中國虛擬仿真實驗教學仍處于初級階段。

1.2 技術體系搭建不成熟

分析土木工程虛擬仿真實驗建設目標發(fā)現(xiàn)，土木工程模擬仿真實驗體系的構建應充分融合行業(yè)、學校及其他學科。做好全面連橫，學科交叉，以滿足土木工程大類下各領域人才培養(yǎng)需要。但從目前中國土木工程虛擬仿真實驗建設情況看，中國土木工程虛擬仿真實驗教學各有千秋。如浙江大學土建類虛擬仿真實驗中心主要包括工程設計于施工、工程力學基礎、工程防災與檢測、工程規(guī)劃與管理以及創(chuàng)新設計等。而西安建筑科技大學生虛擬仿真實驗教學主要包含建筑工程、道路與橋梁、土木施工與管理、建筑工程及建筑職能信息技術5個虛擬仿真實驗模塊。相類似的，中國其他土木工程類等虛擬仿真實驗教學包括內容同樣不同，包括中國農業(yè)大學的水利工程、土木、農建虛擬仿實驗教學模塊。不同學校覆蓋模塊不同，不同模塊間雖緊密相關，但均不能全面覆蓋土木工程大類。此外，分析現(xiàn)今虛擬仿真實驗教學軟件發(fā)現(xiàn)，高校之間的土木工程虛擬仿真實驗教學軟件版本存在差異，導致高校間無法進行教學交流[4]，學生無法系統(tǒng)地學習知識。

1.3 虛擬仿真實驗教學應用有限

體系構建等方面不成熟導致土木工程虛擬實驗教學無法深入開展?，F(xiàn)今，全球人才培養(yǎng)更重視實踐環(huán)節(jié)。尤其對于土木工程這類實踐性、專業(yè)性較強的學科，更需要以實踐為主導，培養(yǎng)學生具備土木工程規(guī)劃、設計、研究、施工、管理的基本能力。但從中國高校土木工程虛擬仿真實驗教學看，中國高校土木工程虛擬仿真實驗教學比例較小。沒有以虛擬仿真實驗教學為主，沒有將理論與實踐相結合，應逐步提升虛擬仿真實驗教學比例[5]。很多高校土木工程虛擬仿真實驗教學仍停留在基礎實驗教學上，傳統(tǒng)實驗教學的微弱延伸使虛擬實驗教學全面培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的作用發(fā)揮有限。

2 土木工程虛擬仿真實驗教學體系構建路徑

開展國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)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。示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作的深化和拓展，突出以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內容、創(chuàng)新多樣的教學方式方法、持續(xù)改進的實驗體系和科技創(chuàng)新的實驗教學效果。

2.1 優(yōu)化土木工程虛擬仿真實驗教學

2.1.1 提升土木工程虛擬實驗教學比例

新時代，土木工程教學應將重心逐漸轉移到實驗教學中。利用虛擬仿真實驗教學，幫助學生切實體驗在土木工程實踐中如何進行工程設計、施工及管理，如何在工程施工中有效分析建筑結構受力性能，包括利用分析軟件分析結構有限元理論、設計破壞系統(tǒng)等。利用虛擬仿真實驗軟件、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、技術，從實踐角度開展課程教學。打造理論與實踐相結合，而又側重實踐的新工科專業(yè)課程。

2.1.2 創(chuàng)新實驗教學方式方法

土木工程虛擬仿真實驗教學突出以學生為中心，鼓勵學生個性化發(fā)展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、工程統(tǒng)籌能力、管理及相關專業(yè)能力。因此，基于信息技術、模擬仿真技術支持的土木工程虛擬仿真實驗教學應在教學方式方法方面進行創(chuàng)新。以學生為中心，提升學生綜合素養(yǎng)。

虛擬仿真實驗室開放化。虛擬仿真實驗室的開放時間、空間、實驗設備等應自由。與此同時，鼓勵學生進行自主立項，自主開展實驗探究。在學生進行實驗項目探究時，給予足夠的支持。必要情況下，可聯(lián)合社會組織給予資金、材料等方面的支持，以協(xié)助學生自主開展實驗及項目探究。

開展多級課題研究活動。邀請學生參與課題研究，允許學生發(fā)表意見。在課題立項、開展、研究、結項過程中，給予學生決策權，對具有探究意義的課題意見進行采納。給學生自主設計、自行實驗的機會，發(fā)揮學生主體作用。

線上與線下教學相結合。目前，全球已有多所知名高等院校相繼增設了虛擬仿真實驗實踐教學內容，其主要形式包括個性化自主實驗、遠程交互實驗及移動斷交互實驗。而中國基于國際在線教育發(fā)展需求，同樣鼓勵高等院校開展“慕課”與虛擬仿真實驗教學項目相結合的網(wǎng)絡開放課程。這使得全球范圍內教育資源實現(xiàn)了共享，為土木工程方向學生提供了大量實驗項目[6]。線上與線上結合的虛擬仿真實驗教學項目使土木工程課程傳統(tǒng)課堂成為理論構想實驗室，而虛擬仿真實驗成為了施工現(xiàn)場。通過虛擬仿真實驗，學生可完成復雜性高、專業(yè)性強、危險性高的實驗，進而體驗到工程生產(chǎn)實踐的全過程，大幅推進了土木工程專業(yè)“卓越工程師”培養(yǎng)進程[7]。

2.1.3 創(chuàng)新實驗教學設計

土木工程虛擬仿真實驗體系構建中，應準確適宜地設計實驗內容，深入掌握虛擬仿真實驗的優(yōu)勢及不足。充分利用虛擬仿真實驗彌補土木工程的實踐優(yōu)勢，設計實驗課程。例如，設定極限參數(shù)設計破壞性實驗，通過破壞性實驗結果幫助學生了解實驗對象的損傷及破壞程度。

伴隨著科技的發(fā)展，可通過參數(shù)設定和條件約束得出不同的土木工程虛擬仿真實驗結果。因此，土木工程虛擬仿真實驗設計同樣可增加探索性實驗內容[8]。在設定探索性實驗內容時，一旦出現(xiàn)錯誤或實現(xiàn)設定不允許發(fā)生的情況，系統(tǒng)將強制終止實驗或報錯。在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的同時，培養(yǎng)學生的嚴謹性。

2.2 虛擬仿真實驗教學體系構建模式

虛擬仿真實驗構建模式探索如圖1所示。吉林大學虛擬仿真實驗教學體系的搭建基于新工科發(fā)展，創(chuàng)新科技人才培養(yǎng)需要、土木工程虛擬仿真實驗教學行業(yè)環(huán)境，設定了虛擬仿真實驗教學目標。并結合土木工程傳統(tǒng)教學內容，對土木工程虛擬仿真實驗體系進行模塊劃分，包括基礎課程模塊、專業(yè)課程模塊和創(chuàng)新模塊。最后構建出完整全面的虛擬仿真實驗教學體系，以虛擬仿真實驗教學形式呈現(xiàn)，包括基礎課程虛擬仿真實驗、專業(yè)課程虛擬仿真實驗、自主創(chuàng)新課程虛擬仿真實驗、產(chǎn)教研協(xié)同創(chuàng)新虛擬仿真實驗、本校特色（探索）虛擬仿真實驗。在此基礎上，采用多元創(chuàng)新的教學模式培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提高學生學習興趣，提升學生的實踐能力和綜合素養(yǎng)，促進學生個性化發(fā)展。

圖1 虛擬仿真實驗構建模式探索圖

2.3 產(chǎn)教研協(xié)同探索新技術

虛擬仿真實驗教學不僅可提高學生的創(chuàng)新能力，同樣可在解決實際問題的基礎上為社會貢獻科技創(chuàng)新力量?；诖?，土木工程虛擬仿真實驗教學可協(xié)同企業(yè)探究科技創(chuàng)新、共同開展。在校企聯(lián)合中，將國家重大工程項目模擬仿真成虛擬土木工程實驗[9]。構建虛擬仿真工程情景，解決工程問題，學習工程知識，完成虛擬仿真工程實驗項目設計和管理。依托企業(yè)工程研究中心、科技創(chuàng)新實驗室，利用科技創(chuàng)新手段，將科技創(chuàng)新成果向虛擬仿真實驗轉變，以擴大學生學習范圍，拓寬學生科技創(chuàng)新視野[10]。

此外，應聚焦目標，整合虛擬仿真實驗技術，進行科學研究，協(xié)同探索創(chuàng)新工程技術，解決重大工程問題。發(fā)揮虛擬仿真實驗教學的前瞻性、專業(yè)性、創(chuàng)新性、發(fā)展性優(yōu)勢和實際作用。

3 結束語

土木工程虛擬仿真實驗教學體系的探索與構建是具有現(xiàn)實意義的教育課題，是符合時代發(fā)展需要的科技創(chuàng)新課題，是具有里程碑式的具有時代標志性的教學科技創(chuàng)新課題。土木工程虛擬仿真實驗教學體系探索與構建課題研究值得引起工科教育工作者、工程領域工作者的高度重視，以在日后工科育人、工程科技創(chuàng)新實踐中，不斷提升科技水平。

新時代，基于信息科技的優(yōu)勢，充分利用土木工程虛擬仿真實驗教學探索科技創(chuàng)新，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、自主學習能力，促進學生個性化發(fā)展已勢在必行。這也是中國國家戰(zhàn)略規(guī)劃對工程人才培養(yǎng)提出的要求，對于中國實行科教興國、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重大意義。