王小娟 周宏元 李秀杰 石南南 刘元坤

摘  要：随着网络信息技术的发展，虚拟仿真技术开始应用于各行各业，伴随着虚拟仿真技术的不断提高，应用成本逐渐降低，虚拟仿真实验教学为高校培养高素质人才提供了重要途径。文章主要探讨大数据库依托下的虚拟仿真实验教学改进方法。首先描述了虚拟仿真实验教学的特点和教学过程中出现的主要问题，然后分析了大数据处理技术的潜在价值，详细阐述了大数据在虚拟仿真實验教学中的应用，最后提出了大数据应用虚拟仿真实验课程改革中面对的挑战和应对策略。应用大数据技术的虚拟仿真实验教学能有效提高整体教学效果，有利于为社会培养创新型人才。

关键词：虚拟仿真实验;大数据;实验教学

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）18-0096-06

Abstract： With the development of network information technology， virtual simulation technology has been widely applied in many fields. Continuous development of virtual simulation technology provides an economic way for the experiment teaching， and virtual simulation experiment teaching has gradually become an important way for colleges and universities for student cultivation. This paper more focuses on the improvement of virtual simulation teaching method by taking advantages of large database. Firstly， the characteristics of the virtual simulation experiment teaching and the main problems in the teaching process are described， and the potential value of big data processing technology is analyzed， then big data in the application of virtual simulation experiment teaching is detailed discussed， the challenges and coping strategies of the big data in the application of virtual simulation experiment curriculum reform is stated in the final. In the era of big data， virtual simulation experiment teaching with big data processing technology is able to improve the overall teaching effect and is conducive to training innovative talents.

Keywords： virtual simulation experiment; big data; experiment teaching

为提高高等教育综合实力和国际竞争力，我国自2015年开始实施“双一流”教育政策，目的是在21世纪中叶建成高等教育强国，具体体现在提高教学质量，培养高素质人才，加快高等教育发展，实现教学管理现代化等方面。在深化人才培养过程中，虚拟仿真教学成为了教学改革的热点之一。2013年8月，教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，充分体现了虚拟仿真教学在高校实践教学体系中的重要地位[1]。为了更好地发挥虚拟仿真实验的优点，本文提出将当下十分热门的大数据分析技术应用到虚拟仿真实验中，以大数据资源为核心，大数据理念为引导，充分挖掘和释放实验中数据资源的潜在价值，完善教育体系，使学生更快速、更有效、更准确地掌握实验知识。

一、虚拟仿真实验教学的特点

传统理论教学和实验教学一般采用面授形式，教学方式较为单一，实验经费有限，实验设施更新缓慢，学生的自学空间狭小，学生学习积极性不高，已严重影响了学习效果。随着网络信息技术的发展，虚拟仿真技术开始逐步应用于各行各业，应用成本不断降低，为提高高校教学质量，高效培养高素质人才提供了新手段。虚拟仿真实验教学是指利用虚拟现实技术和多媒体技术等多种技术手段，模拟各种实验教学环节，学生可以在虚拟实验环境中自主探索完成实验，能够有效地解决高校实验设备资源有限的问题。此外，学生可以通过设置不同参数模拟各种工况开展实验，进一步自行探索，学生学习积极性提高，学习效果得到提升。虚拟仿真实验教学方法符合我国注重培养创新型人才的要求，为高校实验教学提供新手段。虚拟仿真实验具有以下几个特点：

（一）提高高校教学质量，完善课程教学资源

随着虚拟仿真技术的迅猛发展和普遍应用，高校虚拟仿真实验室建设得到了国家、各大高校的高度重视，通过近几年的建设已经取得了大量卓越的成果。虚拟仿真实验教学中，学生可以在虚拟环境中多次模拟实验过程，自主探索，然后再进行实物操作，虚实结合，高校能够有效地提高实验教学质量。此外，虚拟仿真实验教学充分整合了多种信息化的先进实验教学资源，扩充课程教学资源。许多高校开展了多种多样的虚拟仿真实验，随着各高校对虚拟仿真实验的重视，越来越多的学科都融入了虚拟仿真实验教学项目，其中一些高校开展了与土木工程专业紧密相关的虚拟仿真实验，如中南大学的土木工程结构分析与设计虚拟仿真实验平台、同济大学的基坑施工及性态虚拟仿真实验平台以及北京工业大学的钢筋混凝土简支梁正截面虚拟仿真实验平台，图1为北京工业大学土木工程国家级虚拟仿真实验室。

（二）提升学生学习效果

传统的教学实验内容一般是固定的验证性实验，学生只需机械地按照参考步骤进行实验，限制了学生思维散发及创新。虚拟仿真实验教学中，学生可以自主设计实验形式与步骤，调节各种参数进行对比，激发了学生的学习自主性、创新性、实践性，并且能够更加深刻地理解实验内容和原理。此外，虚拟仿真实验教学使教师队伍的教学能力提高，丰富了教学内容与形式，增加了实验的趣味性，创造了教师与学生积极互动的氛围，提升了学生的学习效果，为了研究虚拟仿真实验的教学效果，作者将北京工业大学土木工程专业60名学生分为两组：A组和B组，每组30人，分别采用两种不同的教学方式进行混凝土正截面受弯承载力实验授课，其中A组采用虚拟仿真实验教学，B组采用传统实验教学，然后进行实验小测试并统计分数，满分为100分，图2、图3为两组考核成绩结果。如图2、图3所示，A组成绩在90分以上的人数比B组多7人，80分以上人数比B组多6人，由此看出，使用虚拟仿真实验教学方法，学生对实验的掌握程度更好更全面，知识点的记忆更深刻。虚拟仿真实验教学方法能够提升学生学习效果，培养了学生的创新精神、思考能力、实践能力与自主学习能力。

（三）打破教学条件约束，减少教学成本

利用虚拟仿真实验教学方法，可以有效解决学生在传统实验过程中出现的实验分组人数过多、实验周期过长、效率低下的问题，学生们可以同时登录系统，自主高效地完成实验，学生参与度高，有效地避免了传统实验过程中出现的只有个别学生动手参与实验的问题。其次，一些高污染高消耗高成本高风险的实验，因传统教学实验的教学条件有限而无法实现，虚拟仿真教学可以轻易打破这些约束条件，充分体现其优势。此外，传统实验教学的实验试件大部分是教师提前准备好的，学生无法感受其制作过程，虚拟仿真实验教学方法可以有效解决此问题，学生可以在虚拟环境中自行操作完成实验试块的制作，无形中提高了学生的实践动手能力，因此虚拟仿真实验教学对于提高学生实验参与度，低成本完成多种土木工程经典实验发挥了巨大作用。图4为钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力虚拟仿真实验教学示意图，学生参与度高，积极性强，且实验周期短，学生们均能同时参与实验，能够使用最小的成本得到良好的教学效果。图5是钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力传统实验教学示意图，学生需分组分批进入实验室，且每组只需按照教师指定的步骤操作完成实验，得出数据，学生无法探索创新，限制了学生思维活跃性，学生积极性不高，试件数目有限且每组实验都要破坏一个试件，成本大，教学效果一般。

二、目前虚拟仿真实验现状及存在的主要问题

随着网络信息时代的迅速发展，虚拟仿真实验教学为高校培养土木工程专业创新型人才提供了新渠道，学校充分利用虚拟仿真实验平台，结合原有的实验教学条件，提高了实验教学质量。但通过长时间开展虚拟仿真的教学经验来看，虚拟仿真教学仍存在诸多问题，比如：

（一）数据资源库有待进一步丰富

尽管许多高校都开展了虚拟仿真实验教学平台建设，但各高校虚拟仿真实验教学建设与教学都是自主的，彼此之间缺乏交流沟通，没有统一的标准与规则，资源共享性差，造成了极大的资源浪费。此外，数据库资源主要来自于开发厂家与任课教师，数据信息有待丰富，数据来源有待扩宽。目前虚拟仿真实验平台实验资源库的资源内容、资源库来源相对单一，这就造成虚拟仿真实验教学内容的订制与设计不能满足不同层次不同专业的教学目标要求[2]。

（二）部分高校与教师对虚拟仿真认识不足，观念保守

土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素[3]。虚拟仿真实验教学平台的开发大多由高校与校外企业合作完成，企业对教学了解不足，如果教师对于平台建设参与度不够的话，开发的实验平台适用性必定会受到影响，学生的使用感受和学习效果也会受到影响，但仍有部分教师不适应新型教育手段改革，对虚拟仿真认识不足，平台开发参与度不高，教师们普遍不适应教学方式的转变。

（三）实验项目有限，且内容单一

目前虚拟仿真教学资源的建设主要是针对虚拟仿真软件、硬件、数据及平台的建设，但一些高校受基础设施条件约束，不具备开发建设能力，所以开展虚拟仿真实验教学的建设力度不够，进行的实验项目屈指可数，且实验内容与实验流程单一，大多是根据任课教师的想法设定，无法根据学生的想法灵活调整，缺少多元化。

三、大数据在虚拟仿真实验中的应用

虚拟仿真实验教学方式在完善教学机制，提升学生学习效果方面取得了显著成效。在大数据时代背景下，如何利用大数据处理技术得到更好的学习反馈，灵活调整教学方案，动态调整教学内容，有效提高仿真模拟教学效果成为了我们需要关注的关键问题。本文提出了大数据处理技术在虚拟仿真平台系统中对不同平台的应用，基于大数据分析的虚拟仿真实验系统结构图如图6所示。

（一）大数据在虚拟仿真实验数据库建设上的应用

大数据在教学资源平台建设上的应用主要体现在大数据的大量资源将极大扩充实验教学体系，在虚拟仿真实验平台中，所有数据都源于真实的实验记录，因此可以将各高校相应的实验数据都上传到同一个网络平台，进而拓宽实验类型及数据规模，搭建虚拟仿真实验平台的学校可以不断更新仿真实验中所需的数据，比如钢筋混凝土正截面受弯承载力实验，就可以通過大数据库不断更新钢筋尺寸、配筋率、荷载等级、应力应变曲线、破坏形态及裂缝开展过程等数据，图7为北京工业大学的钢筋混凝土简支梁正截面虚拟仿真实验界面示意图，图中的数据包括梁类型、破坏阶段、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线等，这些数据均可从数据库中提取，实验完成后实验数据也可共享到数据库中去。虚拟仿真技术、数据库技术和网络信息技术相结合，虚拟仿真实验项目数量逐渐增多，数据资源库逐渐完备，各个学科领域最新最前沿的知识将进入课堂，进入教学中去，共同搭建更加丰富、完整的虚拟仿真实验平台。

（二）大数据在虚拟仿真实验智能分析模块中的应用

大数据在虚拟仿真实验智能分析模块中的应用主要体现在采集实验数据，进行归类、总结、分析，在实验过程中智能分析学生在操作过程中出现的问题，给予提示或帮助，让学生能够顺利完成实验，并及时补全自己没有掌握的知识点，然后将实验数据及分析结果反馈给教师，帮助教师及时掌握学生学习情况，动态改变教学内容、教学方法、教学安排。此外，智能分析模块能够智能分析各个参数的影响和对比分析，能够帮助学生对实验原理理解的更加透彻，图8为北京工业大学虚拟仿真实验分析模块示意图，此模块可以分析不同参数对实验结果的影响，帮助学生更加深刻地理解实验过程。推进虚拟仿真实验教学信息化有助于提升土木类学生的关键知识点掌握和综合实践能力，大数据的应用能够完善虚拟仿真实验平台，使其更加具备实用性和适用性。

利用数据挖掘和数据分析技术还可以对虚拟仿真实验分析模块进行升级改造，比如：

1. 学生在实验平台操作的过程中，遇到不懂的问题，平台可以随时为学生提供需要的辅助知识，学生可根据实验平台窗口弹出的知识贴士，对所遇到的困难进行解决及总结。

2. 平台可以随时记录学生在操作实验过程中遇到的问题及解决的方法，将记录数据存储于大数据库，不断修正智能分析模型，通过数据挖掘技术分析在各个实验过程中学生常见的问题，并对这些数据进行自动聚类，根据聚类结果自动从网络中获取相关知识，供学生在实验过程中使用[4]。

3. 利用机器学习算法从云平台的历史操作数据对各个实验过程进行建模，可以根据学生历史实验操作数据分析其存在的问题，如实验参数数据输入不当、实验操作步骤有误、错误的实验操作所导致的结果等，并实时反馈给任课教师以及学生，帮助教师了解教学情况。学生如果在进行某个实验操作过程中系统总是提示错误导致实验无法继续进行，平台系统应该及时发送信息到教师端，教师可根据系统提示对学生进行专业指导，平台也将记录本次产生的错误及解决方法，并对平台系统中的实验贴士进行改进。

（三）大数据在虚拟仿真实验教学管理模块中的应用

在虚拟仿真实验教学过程中实现信息化管理，虚拟仿真实验教学管理模块主要包括实验教学管理、实验教务管理与实验教学资源管理。此模块可以通过大数据和云计算，分析用户的学习行为数据，针对用户行为作出有效及时的反馈。教师根据教学管理模块得到反馈信息，及时掌握每个学生的实验学习情况，并加强多媒体、网络技术的应用，提出实现多阶段、多层次实验的开放教学、管理具体实施方案。基于多媒体虚拟现实技术，结合大数据库，扩展虚拟平台的理论知识讲解、计算公式说明等专业知识的介绍模块，以及仪器参数、工作流程的介绍，完善实验教学与理论的紧密结合，探索虚实结合的具体实施方案。比如：

1. 设置多层次开放模式：（1）教学实验室定期、预约开放;（2）虚拟实验无限时开放;（3）创新基地全天候开放。

2. 设置各种考核要求：（1）过程性考核：实验过程中嵌入关于实验原理、实验方法、操作步骤等方面的题目，旨在考察学生对该实验项目的掌握情况。学生需按要求操作并正确解答上述所有题目后才能顺利完成该实验项目。（2）实验报告：实验结束后，学生需按照要求完成并上传实验报告，以考察学生对实验原理、实验内容和操作方法等的掌握情况。过程性考核均为客观题目，由预设程序自动批改;学生需在线提交实验报告，由后台教师进行批改并在系统里反馈成绩。

（四）大数据在虚拟仿真实验平台的应用

大数据技术的使用使得虚拟仿真实验平台的数据库逐渐呈现多元化，用户可利用该平台数据库实现数字化工程设计，通过参数设置调整模拟施工现场以及各种实验仪器设备，并且通过智能终端对关注的数据迅捷地采集、归类、汇总、存储、挖掘、分析。图9为北京工业大学虚拟仿真多个实验平台，以北京工业大学钢筋混凝土简支梁正截面虚拟仿真实验为例，系统可以进行钢筋混凝土少筋梁、适筋梁、超筋梁三种破坏形态的实验模拟，学生可以在虚拟实验场景中改变实验工况和参数，对每种试件设置截面尺寸、构件长度、配筋等参数模型，改变包含支座形式、分配梁、加载点控制、应变片布设、位移计布设条件完成多次实验，动态显示加载曲线，动态显示加载曲线和试件的破坏情况，从而完成多种工况的模拟实验，弥补真实实验中实验条件的限制。将高水平科研成果融入虚拟仿真实验平台，虚拟仿真实验项目范围扩大，且安全性能够得到保障，学生可以更快速、更有效、更准确地掌握实验知识。基于虚拟仿真技术，结合大数据库，扩展虚拟平台理论知识讲解、计算公式说明等专业知识的介绍模块，以及仪器参数、工作流程的介绍，从而达到培养学生自主模拟实验、学习理论知识、掌握经验、灵活运用的目的。

四、大数据应用虚拟仿真实验课程改革中的挑战及应对策略

（一）对教师的挑战及应对策略

大数据时代下，传统的教学手段已逐渐不再适应新的教学模式，教师可以脱离讲台，学生可以在虚拟环境中自主学习，自主探索。教师应逐渐适应、熟悉、精通新型混合式教学手段，既要精通专业知识，又要不断学习计算机和统计学新理论，此外，大数据应用下的虚拟仿真实验教学对教师的实践能力也有一定的要求，这无疑是对教师的教学素养提出了更高的要求。如果教师不能适应大数据时代变革极有可能会影响教学质量。对此，高校应做到：

1. 鼓励教师成立相关课程组，及时交流与探讨。

2. 定期组织教师集体学习运用大数据技术。

3. 健全案例教学数据及资源，为教师及时提供丰富的教学资料。

4. 组建土木工程实验室专业团队专门与校外企业对接，开发更多适用性更强，贴合度更高的实验项目。

（二）对学生的挑战及应对策略

面对大数据时代下虚拟仿真实验教学改革过程中的互动教学，自主学习，要求学生充分掌握基础知识，及时转变学习习惯，并且进行大量的课外学习，掌握现代数据应用技能。此外，在新的教学形式下，对学生的心理素养，接纳能力提出了更高的要求。

1. 学生应努力提高自己的专业知识储备，学习计算机及数据应用新理论。

2. 学生应提高自己的心智素养，接纳不断更新的数据和方式，积极创新，勇于探索，更快地融入不断革新的虚拟仿真实验课程。

五、结束语

随着信息技术的发展，我们正逐渐步入大数据时代，大数据冲击着各行各业，高校人才培养与社会需求之间已存在突出矛盾，越来越多的创新型人才被需要，教育信息化是未来发展趋势也是现实需求。以大数据为依托，对虚拟仿真实验教学进行改进，通过让学生在高度仿真的场景中进行实验操作，同时利用大数据分析模块调整现有虚拟仿真平台的功能，不仅可以节省大量时间和费用，避免操作实际设备带来的危险，还提升了学生的学习效果，为提高高等教育教学质量、实验教学改革和解决社会对创新型人才的需求发挥了重要作用。

参考文献：

[1]柳洪洁，宋月鹏，马兰婷.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[2]王勇，张婷.基于大数据分析的计算机网络课程的虚拟仿真试驗教学研究[J].科技视野，2019（12）：124-126.

[3]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）：82-85.

[4]琚生根，孙界平，陈黎，等.大数据下计算机网络虚拟实验智能分析平台设计框架[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：113-115+120.

基金项目：北京工业大学教育教学研究项目“土木工程虚拟仿真实验教学优质资源共享与教学模式研究”（编号：ER2020B023）

作者简介：王小娟（1982-），女，汉族，湖南常德人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：混凝土结构教学科研。