梁 博 张 伟 孙艺键

（中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013）

土木工程学科虚拟实验室的整体框架研究和软件系统开发

梁 博 张 伟 孙艺键

（中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013）

在我国高校普遍存在实验室资源不足的背景下，本文对建设土木工程学科虚拟实验室进行探索研究。提出了土木工程学科虚拟实验室的建设思路、架构和网络部署模型及虚拟实验课程框架等土木工程学科虚拟实验室整体框架。并开发了土木工程学科虚拟实验室系统，还对建筑认知实验课程、工程施工管理类实验课程、PKPM建筑全生命系列实训课程等典型虚拟实验课程的开发和应用进行了详细介绍。该系统已在国内几十家高校中得到应用，为国内土木工程学科实验教学提供了新思路。

土木工程学科；虚拟实验室；整体框架；建筑认知实验；辅助评标系统

1 引言

1.1 我国高校普遍存在实验室资源不足的困境

随着我国高等教育由精英教育转为大众教育，高校的招生人数突飞猛进。全国高校招生人数已经从2000年的220万，发展到2010年的657万。

高校扩招的同时，高校教育资源特别是价格高昂的实验设备没有得到相应的发展。导致在实际的实验教学中，由于实验设备质量、数量存在大量不足，实验时间、空间、条件等限制，有些实验无法进行［1］。高校教学中实践环节的缺乏已经成为突出问题。

1.2 工程实验在土木工程学科教育中的重要性

土木工程等相关专业，作为面向实践应用的工科专业，主要培养掌握各类土木工程学科的基本理论和基本知识，能在工程建设领域从事规划、设计、施工、管理和研究工作的高级工程技术人才，要求在工程制图、工程测量、计算机应用、专业实验、结构设计及施工实践等方面进行基本实践训练，更需要重视实践环节。

传统教学手段下，需要大量的实验设备和实验教学人员。目前由于受到经费限制［2］，在全国200多所有土木工程专业的高校中，还有不少院校没有结构工程实验室。即使是有结构工程实验室的院校，也因为实验花费昂贵，仅能为学生提供参观或演示，较少有机会给学生提供真正的动手实验。

因此，根据《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》进行教学改革，“高度重视实践环节，提高学生实践能力”，“把信息技术作为提高教学质量的重要手段”，是目前高校教学工作急需解决的问题之一。

1.3 虚拟实验室为加强土木工程学科实践环节提供了机遇

虚拟实验室［3］是一种特别的、分布式的解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。

虚拟实验室的研究和应用得到许多研究机构及软件供应商的重视［3］，在我国高校中多个学科得到了应用［4-8］。土木工程学科领域也对结构工程虚拟实验室的开发进行了探索和尝试［2］，但缺少对土木工程学科各种虚拟实验的全面研究和应用。

图1 虚拟实验室网络部署模型

2 土木工程学科虚拟实验室的整体框架

2.1 土木工程学科虚拟实验室建设思路

土木工程虚拟实验室建设的目的是在实验室资源不足、学生的实践环节受时间和空间条件限制的背景下，提供一个基于计算机网络技术、仿真技术、虚拟现实技术等信息技术的模拟实验平台，可以使高校土木工程学科的实验和实践教学摆脱时空限制，提供了一个有效进行各类实验和实践模拟的工具，可以让学生将所学的多种课程进行综合集成实践模拟。

虚拟实验室建设包括硬件平台和软件平台两部分。

硬件平台提供虚拟实验室网络通信的基础设施，以满足远程教学为主要目的。包括服务器、网络环境和用户终端等，硬件平台建设具体内容参见2.2节。

软件平台主要是指实验课程体系的构建，也包括实验室运行制度与机制的设计。目标是构建一个面向建筑学、工程设计、工程管理、工程造价等土木工程相关专业的实验平台体系，实现专业建设、学科建设与实验室建设的良性互动。

实验课程体系主要包括以下几种类型：1）认知型实验：按照课程学习要求，准备一系列图片、文字、动画等实验素材供学生进行学习，最后以单项选择题的方式对学生进行考核。系统提示学生按正确的步骤进行，并最后对学生的考核情况自动给出分数，反馈给教师；2）交互型实验：开发相关的人机交互模拟软件程序，学生模拟实际实验情况，进行操作，最后由系统记录其操作并自动生成实验报告，教师审阅后给出分数；3）设计型实验：根据课程教学的需要，给学生指定设计题目，学生自行设计，最后提交电子形式的设计报告，上传至系统。教师需要准备设计题目，审阅学生的设计报告并打分；4）操作型实验：学生按照指定实验的要求，进行操作或者演习。教师需要准备实验题目，并根据学生的实际表现进行考核。

2.2 虚拟实验室架构和网络部署模型

虚拟实验室的平台和大部分应用采用B／S架构，部分采用C／S架构。虚拟实验室网络部署模型见图1。

学生可以在学校机房、宿舍甚至家里通过局域网、校园网或者广域网（Internet）连接来访问虚拟实验室的各种服务。

2.3 虚拟实验课程框架

虚拟实验课程的设计主要基于以下几点考虑：

（1）弥补传统实验资源不足，掌握相关实验技能

这类虚拟实验课程以工程力学、建筑材料等基础课程类实验为代表。为解决实验室资源不足造成日常教学中无法进行课程计划内的教学实验的困境，提供一个虚拟实验平台。虚拟实验平台可以摆脱实验资源、时间、空间限制，便于更多的学生学习和使用，并可以相互协同、互相交流，节省了教学资源。

以学生掌握相关实验知识和技术为主要目的，通过实验录像的视频教学、仿真／虚拟现实技术等虚拟实验技术，实现虚拟计算机环境下学生了解实验目的、实验装置及实验步骤，并使其掌握独立进行实验的能力。

（2）与传统实践环节结合，提供基于信息技术的新型实践环境

这类虚拟实验课程以工程造价、施工组织设计、土木工程认知、各类课程设计等专业技能课程类实验为代表。传统教学模式下，教师会组织学生深入施工现场了解各类工程进行土木工程认知实践；安排概预算案例课程、施工组织设计课程设计、建筑设计、结构设计等各种课程设计实践环节。

随着信息技术的发展，这些实践教学活动可以基于虚拟实验室平台系统进行，体验一种基于信息技术的新型实践环境。例如：学生可以不用四处走访工地，更加安全地了解更多的各类工程实例，增加对土木工程的认知性；基于当前工程设计、工程施工实际使用的计算机工具软件，各类课程设计实践可以在更贴近实际工作环境的情况下进行，教学实践与社会需求更加一致，避免教学与社会需求脱节。

虚拟实验课程设计的整体框架见图2。

3 土木工程学科虚拟实验室系统开发

3.1 土木工程学科虚拟实验室系统模块设计

中国建筑科学研究院设计开发的土木工程学科虚拟实验室系统模块见图3。

土木工程学科虚拟实验室系统包括四个子系统：

（1）实验管理子系统，包括实验课程维护管理、实验课程安排、实验成绩管理及实验综合查询等，主要供虚拟实验室管理人员使用。

（2）实验中心子系统，是虚拟实验室系统的核心子系统，系统设计了覆盖基础性课程实验、施工管理类课程实验、工程设计类课程实验及全生命周期工程设计软件教学在内的二十余项虚拟实验课程。

（3）师生互动平台子系统，是教师与学生进行信息沟通的信息交流平台，包括网上实验通知、电子邮件、手机短信及实验室论坛等多种途径。

（4）控制平台子系统，是实验室系统的后台控制系统，主要供开发人员和系统管理员使用，包括业务定制系统、系统权限管理、系统流程管理及功能菜单维护等内容。

下文对实验中心子系统的若干虚拟实验课程的开发与应用进行介绍。

图2 虚拟实验课程设计的整体框架

图3 土木工程学科虚拟实验室系统模块图

图4 建筑认知实验课程的设计思想

3.2 建筑认知实验课程开发与应用

为使学生全面掌握建筑的整体知识体系，即钢筋混凝土构件的内部钢筋构造、建筑基本构件类型、典型建筑结构及实际建筑结构案例，建筑认知实验课程设计了四个部分的认知实验。建筑认知实验课程的设计思想见图4。

建筑认知实验课程主要通过四种方式辅助建筑认知教学。其中建筑结构实际案例库主要是来自我国当前建筑实践中的典型案例，学生通过PKPM建筑认知软件可以实现对该结构模型的各种浏览操作，包括以平面、透视、漫游等多视角形式查看模型；通过显示开关来选择部分基本构件显示来了解该结构的基本构件组成；通过楼层显示（分层、全楼、动态模型等）来了解结构的楼层结构组成。由于PKPM建筑认知软件与主流建筑结构设计软件PKPM的前处理模块操作方式一致，也可以培养学生使用软件的技能。

3.3 工程施工管理类实验课程开发与应用

工程施工管理类课程依托中国建筑科学研究院的工程造价系列软件、网络计划软件、施工方案图库软件、三维现场平面图软件等软件产品，包括三个部分内容：工程造价课程实验、施工组织设计课程实验、辅助评标管理模拟实验。典型的虚拟实验课程包括：

（1）工程造价管理电算化的实战模拟实验

该模拟实验依托工程造价软件系统和辅助评标软件系统共同完成。工程造价管理电算化的实战模拟实验的应用场景见图5。

图5 工程造价管理电算化的实战模拟实验的应用场景

图6 计算机辅助施工组织设计的实战模拟实验的应用场景

实验步骤：①教师使用系统提供的工程预算实验指导书，或者根据教学需要自行准备工程预算指导书，给学生布置实验任务；②学生根据工程预算实验指导书的要求，上机使用工程造价软件系统完成工程预算书编制，并把结果文件上交教师；③教师把学生完成的工程预算书电子文件导入辅助评标软件系统，根据系统已配置好的标底（系统提供的若干套供实战模拟的工程资料的预算参考答案）或者自行导入标底（自行准备工程预算指导书者需要自行编制标底并导入），利用辅助评标软件系统的自动校对标记功能，快速评估学生的实验质量并给出实验成绩。

（2）计算机辅助施工组织设计的实战模拟实验

该模拟实验依托网络计划软件、施工方案图库软件、三维现场平面图软件等施工系列软件系统和辅助评标软件系统共同完成。学生使用施工系列软件系统完成施工组织设计，教师可以使用辅助评标系统的技术标评标子系统辅助测评学生成绩。计算机辅助施工组织设计的实战模拟实验的应用场景见图6：

实验步骤：①教师使用系统提供的计算机辅助施工组织设计实验指导书，或者根据教学需要自行准备施工组织设计实验指导书，给学生布置实验任务；②学生根据施工组织设计实验指导书的要求，上机使用施工系列软件系统（包括进度计划软件、施工平面图软件、三维现场平面图软件等）完成工程施工组织设计任务书编制，并把结果文件（包括电子文件和纸质文件）上交教师；③教师使用辅助评标软件系统的技术标评标子系统评价学生完成的技术标书，并给出实验成绩。

（3）招投标管理的实践认知模拟实验

招投标管理的实践认知模拟实验是在完成前面的工程造价管理电算化的实战模拟实验和计算机辅助施工组织设计的实战模拟实验两个实验基础上的选修实验。该模拟实验依托辅助评标软件系统完成。学生若干人一组，分组使用辅助评标系统协作完成一个招投标管理流程模拟实验，可以不给出实验成绩。招投标管理的实践认知模拟实验的应用场景见图7。

实验步骤：①学生以管理员身份完成一些基础数据配置，包括工程信息设置、投标单位设置、评标专家设置；②学生把小组成员在工程预算电算化的实战模拟实验完成的工程预算书（商务标）导入到辅助评标系统中，使用辅助评标系统的自动校核功能完成数据校对工作；③为每个学生分配一个专家帐号，以专家身份对在计算机辅助施工组织设计的实战模拟实验完成的技术标进行打分评价，并对商务标进行评价；④每个学生根据自己的打分和评价情况，推荐中标的单位（某一学生完成的技术标和商务标）；⑤汇总专家意见（学生模拟），按照评标管理办法确定最终中标单位，完成招投标管理流程模拟实验；⑥学生也可以自行对软件中内置的招投标案例进行浏览、操作以加强认知。

图7 招投标管理的实践认知模拟实验的应用场景

3.4 PKPM建筑全生命系列实训课程开发与应用

该在线课程依托中国建筑科学研究院在建筑工程软件领域丰富的职业培训教材和资源。整个PKPM建筑全生命系列课程提供了建筑结构设计、建筑设计、园林规划、建筑设备设计和节能、钢结构设计系列软件、建筑工程量和钢筋统计、建筑工程造价、施工技术系列、施工管理系列、钢结构详图设计共十大类共计132个课件，而且在不断扩展和更新中。

系统采用了流媒体展示的形式，通过对大量建筑工程系列软件学习课件的分类展示，提供一个互动地学习平台，可使学生在短期内迅速对常用的建筑工程设计、施工软件有初步的了解。

4 结语

本文在我国高校普遍存在实验室资源不足的背景下，对土木工程学科虚拟实验室建设进行研究，提出了土木工程学科虚拟实验室的整体框架并进行了开发了土木工程学科虚拟实验室系统。目前，该系统已经在国内几十家著名高校中得到应用，为国内土木工程学科的实验课程发展提供了新的发展思路。

［1］姚芳，李哲等.基于虚拟现实技术的网络虚拟实验室构建研究［J］.长春师范学院学报（人文社会科学版），2008，（10）.

［2］汪德江，叶志明.结构工程虚拟实验室的开发探索［J］.力学与实践，2004，（6）.

［3］刘筱兰，张薇等.虚拟实验室的类型及发展趋势［J］.计算机应用研究，2004，（11）.

［4］韩强，郝忠民.虚拟实验室在高校实践教学中的应用与研究［J］.吉林工程技术师范学院学报（自然科学版），2007，（6）.

［5］魏雯，赵展.基于高职院校电子类虚拟实验室的研究［J］.内江科技，2009，（12）.

［6］唐永芬，王斌.基于协同工作的虚拟实验室的构建［J］.甘肃联合大学学报（自然科学版），2010，（2）.

［7］陈艳丽，马华等.基于SOA的开放式远程实验教学系统框架［J］.计算机时代，2010，（4）.

［8］杨世洲，吴敏.基于Web的虚拟实验室的建设［J］.中国现代教育装备，2010，（3）.

Framework Research and Development of Virtual Laboratory Software System for Civil Engineering

Liang Bo，Zhang Wei，Sun Yijian
（Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing 100013，China）

As the resources of university laboratory is limited，the paper focuses on research of virtual laboratory for civil engineering education in China.It proposes a framework of virtual laboratory software system for civil engineering，including its deployment ideas，network deployment model and curriculum framework for virtual experiments.The virtual laboratory software system is also introduced in the article.Development and application of some typical virtual laboratory courses are given dentally，including building cognitive course，virtual experiment course in construction management，a series of training courses for whole-life building software called PKPM.The virtual laboratory software system has been applied in dozens of Chinese universities，and it provides a new reference for experiment education in civil engineering.

Discipline of Civil Engineering；Virtual Laboratory；The Overall Framework；Building Cognitive Experiments；Supporting System for Bidding

TU201.4；TP391.9

A

1674－7461（2010）04－0034－06

梁博（1980－），男，工学博士。主要研究方向：工程建设信息化、施工企业管理信息化。E-mail：liangshikong＠126.com