应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心建设探索

2018-04-11蒋建清曹国辉陈东海

实验室研究与探索 2018年2期

蒋建清，　曹国辉，　陈东海，　贺　冉，　何　敏

(湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳 413000)

0　引　言

应用型本科是以培养高层次应用型和技能型人才为目标的高等教育形式。从20 世纪60 年代开始，基于德国“双元制”应用技术大学教育理念，国外各高校陆续实施了重视和强化应用型人才培养的模式，我国应用型高校是在20 世纪90 年代末随着高校扩招和适应市场对应用型人才需求而发展起来的[1]。在我国新型城镇化发展的新形势下，培养熟练掌握建筑业生产一线实践技能并具备创新意识的土木工程高素质应用型人才显得非常迫切[2-4]。实验教学对于激发学生的创新应用意识和增长学生的工程实践技能，是其他教学形式难以替代的；实验教学是学生将理论知识在实践中运用的重要环节，在应用型土木工程人才培养中处于重要地位。

目前，应用型地方高校在土木工程实验教学中遇到了一些技术和管理难题，例如：①土木工程实验综合性强、资源消耗大、设备体积大、成本高，而国内土木工程建设活动呈现建筑结构往超高层、桥梁朝大跨度、地下空间向复杂地层发展的趋势，但校内实验受土木工程实验教学设备、现场安全、教学经费等条件制约，使一些高危、大型、复杂但与工程实践结合紧密的现场实体实验难以在实验室进行；②相关专业实验选课学生多、实验操作复杂、教学任务繁重，且土木工程实体实验耗材开支大、实验场地和设备安排难度大； ③土木工程建造周期长，但学生现场实验实训时间有限，在专业认识实习、生产实习和毕业实习等实验实训环节中，学生很难在实际项目的全部岗位和所有工程实施环节中受到完整地实践能力训练，难以满足土木工程高素质应用型人才工程实践能力培养的需求；④学生参与实验的自主性不强，传统的实验教学方式已难以提高当代大学生的实验兴趣[5-11]。

虚拟实验技术是以计算机为基础的虚拟现实技术在实验教学领域应用的一种现代教育教学技术，通过计算机软件和配套的硬件设备模拟实体实验的场景、仪器设备、实验现象、操作流程，可以克服实体实验周期长、危险性大、材料消耗多等诸多缺点，实现低成本、全天候的土木工程实验教学。基于虚拟实验技术构建的虚拟仿真实验平台，可以较好地解决土木工程实验实践教学环节中的技术和管理难题，是现场实验实习及室内实体实验教学的弥补和创新，有助于学生创新意识、工程实践能力、自主学习能力及信息化技术运用能力的培养[12-15]。

本文论述了应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心的建设理念、思路和虚拟仿真实验教学平台功能，提出 “多层次、模块化”的应用型土木工程虚拟仿真实验教学体系和资源平台，可为同类院校土木工程虚拟仿真实验教学中心提供参考。

1　建设理念和思路

根据实验教学规律和应用型人才成长规律，中心紧密结合建筑行业发展趋势，培养适应国家工程建设需要，适应社会科技进步，能胜任土木工程项目施工、检测、设计、管理等工作，具有社会责任感和较强技术应用能力、继续学习能力、创新意识、组织协调能力和团队精神的高素质应用型专门人才[16]，开展土木工程虚拟仿真实验教学，开发和丰富土木工程虚拟仿真实验教学资源，形成与现有实体实验“相互补充、虚实结合、优势互补”的土木工程实验教学平台。

(1)依据应用型土木工程人才培养方案，以学生工程执业能力培养为核心，突出创新应用意识培养，紧密依托校内和校企合作实验实践教学基地、结合“纵向、横向”项目，校企合作开发面向工程实际的“多层次、立体化、模块化”的虚实结合虚拟仿真教学资源体系。

(2)大力推动现代信息技术与实践教学融合，依托土木工程国家级实验教学中心、省基础课示范实验室、普通高校特色专业、普通高校优秀教学团队、大学生创新训练中心、校企合作人才培养示范基地等平台，利用多媒体虚拟现实技术和数值仿真技术，构建“高度仿真、虚实结合、开放共享”的虚拟仿真实验系统，全面改善实验条件，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索，开拓学生专业学识视野，激发学生创新意识和培养学生工程执业能力。

(3)充分利用学校现有实验实践教学条件，注重师资队伍建设，不断优化师资队伍结构和水平，建设一支“双师双能型”虚拟仿真实验管理与教学团队，并与国内大型建筑企业加强合作，引入合作企业的设计、施工、管理等兼职教师，组织虚拟仿真实验教学和管理人员到合作企业交流学习、合作开发虚拟仿真实验，不定期进行信息化应用技能培训，更新教学与管理理念，提高业务水平，确保虚拟仿真实验教学顺利开展。

(4)依托数字化校园网络，结合虚拟仿真实验教学平台的开放共享机制，构建高度信息化的虚拟仿真实验管理体系，实现虚拟仿真实验资源最优配置。完善中心的组织机构和开放运行模式；健全实验室管理制度、岗位职责、工作绩效考核办法等一系列规章制度，保障虚拟仿真实验教学的安全高效运行；通过校内外双系统质量分析评价机制，建立“学生、企业、社会三满意”实验教学质量评价机制和实验教学跟踪监控机制，提高虚拟仿真实验教学质量；通过实验教学开放、信息发布规范、交流及时、信息远程共享，达到虚拟仿真实验教学资源配置的最优化。

2　虚拟仿真实验教学体系

中心经过多年的实验教学和创新积累，不断丰富虚拟仿真实验教学资源，逐步加大校企合作力度和广度，秉承“理论与实践融合、虚实结合、能实不虚”的基本原则，以培养学生工程执业能力和创新意识为核心，面向土木工程、城市地下空间工程、交通工程、水利水电工程、工程造价与管理及其它相关专业等大土木类专业，构建“三结合、三层次、十二模块”的 “3+3+12”虚拟仿真实验教学体系(见图1)。

图1　土木工程虚拟仿真实验教学体系

其中，“3个层次”即按照应用型人才成长和培养规律，将实验教学内容划分为基础型、专业型及综合型。“12模块”即按专业知识体系把各层次实验细分为材料与力学、工程测量、土工、建筑工程、桥梁工程、岩土及地下空间、道路工程、交通工程、水利水电工程、大学生创新性、BIM技术应用虚拟、大学生学科竞赛等虚拟仿真实验模块。“3个结合”为：①虚拟仿真实验教学与理论教学相结合—“虚、理结合”。虚拟仿真实验与专业基础理论课程、专业核心理论课程、专业综合训练课程配套，教学计划中对理论课程和虚拟仿真实验课程作统筹安排，使学生在掌握理论知识后通过虚拟仿真实验进一步掌握其应用的领域和方法，提高学习兴趣和增强知识运用能力。②虚拟仿真实验与实体实验(含校外工程实践实验)相结合—“虚、实结合”。依托中心各个实体实验平台(包括校企合作现场工程实践实验基地)，将虚拟仿真实验与土建类实验课程中的实体实验相结合，弥补实体实验教学局限性，丰富实验教学手段，提高学生的综合实践技能。③虚拟仿真实验教学与课外创新实验相结合—“虚、创结合”。依托综合训练平台、“产、学、研”结合应用平台等本科生课外创新实验平台，中心开设综合型虚拟仿真实验项目，在科研能力强的教师悉心指导下，学生可以根据实际情况自主选题，应用虚拟仿真实验平台开展创新性的实验研究工作。

3　虚拟仿真实验资源平台

中心虚拟仿真教学资源遵循跨越不同训练层次(由专业基础应用能力提高到综合创新能力培养)、覆盖大土木学科知识(包括建筑工程、桥梁及道路交通工程、岩土及地下空间工程、水利水电工程等领域的知识)、体现不同实施方式(包括认知感受、操作技能、施工、设计、管理仿真等)的开发思路，紧密联系土木工程规范中提到的专业实验，并积极将科研团队的“纵向、横向”科研项目向虚拟仿真教学内容转化，将实际的土木工程设计、施工、工程管理等项目实验实操过程和虚拟仿真实验项目融于一体，校企合作开发形成一系列虚拟仿真实验训练项目，模拟土建类工程设计、施工管理、工程造价等建筑行业一线职业岗位工作环境，训练复杂性高、专业性强、危险性高的专业实践技能，为土建类专业学生提供多样化的实验方式，让学生能够基于虚拟仿真实验平台完成土木工程设计、施工和管理等综合性实践环节，并结合虚拟仿真技术指导学生参加各类学科竞赛，为土木工程高素质应用型人才的创新意识培养提供重要支撑。

3.1　基础型虚拟仿真实验资源平台

基础型虚拟仿真实验教学平台主要面向低年级本科生的基础课程学习，并模拟工程现场的材料检测、地基验收和施工测量等工程实践项目，加强学生基础知识在工程实践中应用的能力。该平台包括3个模块，即：材料与力学虚拟仿真实验模块、工程测量模块及土工虚拟仿真实验模块。

材料与力学虚拟仿真实验模块主要针对土木工程等土建类相关专业材料力学、弹性力学、理论力学、结构力学、土木工程材料等课程相关实验内容，可设置：钢材力学特性虚拟仿真实验、钢筋混凝土简支梁力学性能虚拟仿真实验、沥青性能虚拟仿真实验、混凝土抗压强度虚拟仿真实验等实验项目。

工程测量虚拟仿真实验模块主要针对土木工程等土建类相关专业工程测量实习和工程检测环节，可设置：测量仪器认知学习虚拟仿真实验、导线控制测量虚拟仿真实验、道路(房建、桥梁等)施工测量虚拟仿真实验等实验项目。

土工虚拟仿真实验模块主要针对土木工程等土建类相关专业土力学实验、岩体力学实验和相关项目原位测试试验，可设置：地基载荷虚拟仿真实验、旁压虚拟仿真实验、基桩静载虚拟仿真实验、击实虚拟仿真实验、锚杆抗拔虚拟仿真实验、静(动)三轴虚拟仿真实验等实验项目。

3.2　专业型虚拟仿真实验资源平台

专业型虚拟仿真实验教学平台主要面向高年级本科生的专业课程和实践课程学习，该平台主要目标在于拓展学生专业视野、激发学生兴趣，引导学生知识库的更新和优化，使学生能熟练运用多种专业数值仿真实验软件(如Midas桥梁模拟分析、YJK房屋结构仿真分析、Midas GTS NX岩土工程仿真分析、VISSIM交通仿真分析等)，提升学生从事大型工程施工、设计、管理的应用能力和对大型工程技术问题的综合解决能力。该平台包括6个模块，即：桥梁工程虚拟仿真实验模块、建筑工程虚拟仿真实验模块、道路工程虚拟仿真实验模块、岩土与地下工程虚拟仿真实验模块、交通工程虚拟仿真实验模块、水利水电虚拟仿真实验模块。此平台各模块可设置如下虚拟仿真实验项目(典型的实验成果如图2所示)。

(a) 某天桥有限元仿真模型图

(b) 第6跨跨中截面挠度影响线仿真

(1)桥梁工程虚拟仿真实验模块。桥梁静载试验虚拟仿真实验、桥梁动载试验虚拟仿真实验、大跨径桥梁施工控制虚拟仿真实验、桥梁结构设计虚拟仿真实验、桥梁施工支架安全稳定性虚拟仿真实验和桥梁施工过程虚拟仿真实验等实验项目。

(2)建筑工程虚拟仿真实验模块。多层混凝土框架结构设计虚拟仿真实验、多层钢框架结构设计虚拟仿真实验、装配式建筑结构设计虚拟仿真实验、建筑工程施工工艺实训虚拟仿真实验、建筑工程项目造价管理虚拟仿真实验和建筑工程三维可视化安全管理虚拟仿真实验等实验项目。

(3)岩土与地下工程虚拟仿真实验模块。三维边坡稳定分析虚拟仿真实验、二维隧道衬砌分析虚拟仿真实验、三维桥台基础施工虚拟仿真实验、三维基坑施工虚拟仿真实验、三维隧道盾构掘进施工虚拟仿真实验等实验项目。

(4)道路工程虚拟仿真实验模块。公路挡土墙设计仿真实验、公路路基路面造价虚拟仿真实验和道路工程施工虚拟仿真实验等实验项目。

(5)交通工程虚拟仿真实验模块。交通基本路段虚拟仿真实验、交叉口非机动车和行人虚拟仿真实验、信号控制交叉口虚拟仿真实验、立体交叉口虚拟仿真、城市干道信号协调虚拟仿真实验及公交优先控制虚拟仿真实验等实验项目。

(6)水利水电虚拟仿真实验模块。溢流坝泄流模型三维虚拟仿真实验、水轮机模型效率三维虚拟仿真实验、压力管道水击三维虚拟仿真实验及水电站调压室水力学三维虚拟仿真实验等实验项目。

3.3　综合型虚拟仿真实验平台

综合型虚拟仿真实验平台主要引导高年级本科生充分利用各种数值仿真实验技术进行实体实验和项目管理前期方案优化和参数研究，延伸实体实验范畴，为拓展学生视野、培养创新意识和工程实践创新应用能力提供新途径。综合型虚拟仿真实验平台包括3个模块：大学生创新项目虚拟仿真实验模块、大学生学科竞赛虚拟仿真实验模块及BIM技术应用虚拟仿真实验模块。

(1)大学生创新项目虚拟仿真实验模块。该模块主要引导学生充分利用数值仿真实验建立以“项目和课题”为核心的学习模式，倡导以学生为主体的创新性实验改革，调动学生在实验学习中的主动性、积极性和创造性，激发其创新思维，提高其面对工程技术难题的创新解决能力，可面向开放性试验、大学生创新训练试验及科研成果转化等项目中的仿真分析建立虚拟仿真实验项目。

(2)大学生学科竞赛虚拟仿真实验模块。该模块是服务大学生学科竞赛的虚拟仿真平台，基于学科竞赛中有关实体实验项目“实验面广、耗费大、高危险、不可逆”，用以辅助学科竞赛活动中实体实验的部分或全部任务，与实体实验形成优势互补，充分发挥实体实验和虚拟仿真实验各自的优势。比如，服务于土木工程结构模型竞赛，开发了竹制结构创新设计虚拟仿真实验、空间桁架桥梁结构创新设计虚拟仿真实验、两跨渡槽结构创新设计虚拟仿真实验、冲击荷载下薄壳容器结构创新设计虚拟仿真实验、单跨空间木质结构创新设计虚拟仿真实验及大跨度空间竹质结构创新设计虚拟仿真实验等(典型的实验成果见图3)。

(3)BIM技术应用虚拟仿真模块。该模块主要将BIM技术应用于土木工程毕业设计综合训练及土木工程复杂结构的综合认知训练，实现对常规综合实训中难以完成的建筑环境认知、建造模拟、构造分解及项目管理等项目的有效替代和拓展，提高学生熟练运用BIM虚拟仿真技术进行工程设计优化、协同施工、虚拟建造、工程量计算、创新工程项目管理应用的能力，培养和锻炼学生的沟通能力、团队协同创新能力，可设置如下实验：① BIM协同应用虚拟仿真实验。基于产学研合作项目，学生利用BIM软件，进行土建模型翻模、形成钢筋工程计算文件、土建工程量计算文件和土建招标控制价文件；利用BIM施工现场布置软件，设计基础、主体、装饰三个阶段的虚拟三维现场布置；利用BIM模板、脚手架设计软件，设计工程项目模板、脚手架的虚拟搭设实验；利用BIM进度计划编制软件，编制施工进度计划表，虚拟实现工程进度管理；基于BIM5D平台，开展项目施工虚拟建造实验和碰撞规避虚拟实验；最终形成涵盖建筑设计、工程量计算、工程项目施工招(投)标、协同施工、虚拟建造和工程造价管理的BIM协同应用虚拟仿真实验平台。② 土木工程复杂结构BIM模型综合认知仿真实验。建立土木工程复杂结构的BIM 虚拟信息模型，剖析其内部的各个系统，学生可以在虚拟环境中完成工程结构进行拆解和组装等实际动手操作训练，从而认知包括建筑结构、电力、给排水、暖通等各个专业工程的系统构成原理，并提高应用BIM工具进行辅助设计的能力。

图3竹制结构创新设计虚拟仿真实验

4　中心发展历程与教学成效

土木工程虚拟仿真实验教学中心发展始于1984年开始招生的工业与民用建筑专业实验室；1991年组建土木建筑系实验室；2003年，整合原有的建材、力学、土工等实验室，成立土木工程实验教学中心，由建筑工程实验室、结构工程实验室和道路交通工程实验室等建制实验室组成；2006年建筑工程实验室批准为湖南省普通高校基础课示范实验室，2009年通过评估验收；2015年1月获批国家级土木工程实验教学示范中心；2016年9月获批省级虚拟仿真实验教学中心。通过近年的建设和改革，中心主要教学成效如下：

(1)提升了学生的创新能力、专业实践能力、信息化应用能力和综合素质。近年来，土建类学生依托中心各个教学平台完成“大学生研究性学习与创新性实验计划”国家级项目10多个，省级项目60多个，校级项目100多个；参加省级以上竞赛获奖150多项，其中，在国家级竞赛中获奖20多次、省级竞赛中获奖120多次；学生参与教师的横向课题和工程实践项目200多项，累计合同金额2 000多万元；学生署名发表学术论文30多篇(EI、CSCD收录多篇)；参与仪器制作或专利设计多项；大部分学生获各类执业技能证书，基于土木工程虚拟仿真分析的常用软件(如Midas、 YJK、PKPM、VISSIM、ANSYS等)进行辅助设计、结构计算和项目管理的工程实践能力得到增强。

(2)整合实验教学资源，提供良好实验教学平台，构建“基础型、专业型及综合型”虚拟仿真教学资源体系，覆盖建筑工程、道路桥梁工程、城市地下空间工程、岩土工程、交通工程及水利水电工程等土建类专业，克服实体实验的诸多限制，提高了实验教学质量，给学生提供从工程认知学习到专业实践、综合应用训练多层次能力提升路径，有效提升了学生的工程执业能力。

(3)借助虚拟仿真实验教学中心网络管理平台及高速的校园网络条件，土木工程虚拟仿真实验教学可覆盖到校园内的教室、学生宿舍、图书馆及校外等网络终端，将实验教学拓展到无限的网络实验空间，实现虚拟仿真教学和校外实习教学的互补，提高了土建类专业校外实习的质量，升华了实验教学理念和实验教学效果，丰富了实验教学手段，完善了实验教学体系，提高了学生自主实验学习的兴趣和解决工程实际问题的能力，拓宽了学生的专业视野；逐步形成 “理论教学、实体实验教学和虚拟仿真实验教学相结合”的立体化实验教学模式，促进了实验教学管理体系的改革和实验教学队伍信息化水平的提高。

(4)提升了专业建设和社会服务水平，促进应用型人才培养，毕业生“学得好”“用得上”“下得去”“干得好”“留得住”。多家国有大中型企业主动与学校建立长期的用人关系，学生就业率高达 97%以上，土建类专业办学现已形成应用型特色与品牌，被授予湖南省普通高等学校毕业生就业工作“一把手”工程优秀单位和“全国毕业生就业典型经验高校”；近年来承担20多项教学改革与质量工程项目建设工作，获得国家级教学成果二等奖1项，湖南省教学成果一等奖1项，湖南省教学成果二等奖2项；参与企业重大技术难题攻关多项，产生良好的经济及社会效益。

5　结　语

虚拟仿真实验教学是应用型人才培养与现代信息技术深度融合的产物。实践表明，虚拟仿真实验教学应用于土木工程人才培养，可以解决传统土木工程实践教学与现代应用型人才培养之间的一些突出矛盾。应用型高校应紧密对接产业发展和行业需求、找准学校人才培养定位、面向工程实践，校企合作开发“层次化、模块化、体系化”的土木工程虚拟仿真实验教学资源，构建“高度仿真、虚实结合、开放共享”的应用型虚拟仿真实验系统，建设“专兼结合”的 “双师双能型”虚拟仿真实验管理与教学团队，依托虚拟仿真实验网络管理平台及信息化校园条件，积极开展土木工程虚拟仿真实验教学，提升学生的创新能力、专业实践能力、信息化应用能力、综合素质和自主实验学习的兴趣，提高应用型人才培养成效。

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