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
土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建.docx
土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建摘要：西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心坚持以学生为主体，统筹协调理论教学和实验教学、虚拟教学与实体教学、虚拟技术与现实技术的结合，构建多层次、立体化、开放式、虚实结合的虚拟仿真实验教学体系。
创新虚拟仿真实验教学新理念，开拓虚拟仿真实验教学的三维立体教学思路，促进了学生知识、能力、素质的全面发展，实现虚拟仿真实验教学的新发展，为实验教学的发展做出新的贡献。
关键词：土木工程；虚拟仿真；实验教学体系；作者简介：李彬彬(1979-)，男，西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心工程师，博士，研究方向为实验教学与技术；；苏明周(1971-)，男，西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心主任，博士，研究方向为实验教学与管理。
一、引言虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。
虚拟仿真实验教学以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[2]。
西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心坚持以学生为主体，全面促进学生知识、能力、素质协调发展，理论、实践、创新全面提高，理论教学和实验教学统筹协调，实验教学环节突出基础、突出综合、突出开放、突出创新，突出课内课外一体教学，虚拟教学与实体教学相结合，虚拟对象与实体对象相结合，虚拟技术与现实技术相结合，形成以“基础—综合—研究创新”为主线的等多次、立体化、开放式、虚实结合的教学体系。
二、虚拟仿真实验教学体系内涵虚拟实验教学旨在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面，是学科专业与信息技术深度融合的产物，是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节。
西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中秉承“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的理念，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设，全面提升我校学生创新精神和实践能力。
土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建
土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建一、引言虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。
虚拟仿真实验教学以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[2]。
西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心坚持以学生为主体，全面促进学生知识、能力、素质协调发展，理论、实践、创新全面提高，理论教学和实验教学统筹协调，实验教学环节突出基础、突出综合、突出开放、突出创新，突出课内课外一体教学，虚拟教学与实体教学相结合，虚拟对象与实体对象相结合，虚拟技术与现实技术相结合，形成以“基础—综合—研究创新”为主线的等多次、立体化、开放式、虚实结合的教学体系。
二、虚拟仿真实验教学体系内涵虚拟实验教学旨在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面，是学科专业与信息技术深度融合的产物，是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节。
西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中秉承“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的理念，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设，全面提升我校学生创新精神和实践能力。
1.基本概况西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心成立于2010年6月，是在土木工程仿真实验室(建于1982年)的基础上建立的，依托于土木工程国家级实验教学示范中心，结构工程与抗震教育部重点实验室以及土木工程(一级学科)博士后流动站和土木工程一级学科博士点，“结构工程”国家重点学科，“土木工程”国家级特色专业、陕西省特色专业，“土木工程省级”人才培养模式创新实验区等。
同时作为国家级土木工程实验教学示范中心的对外窗口，是西北地区土木工程实验教学示范基地。
中心现有专职实验教学和技术管理人员31人，其中正高职称9人，副高职称9人；中心人员均具有硕士学位，其中具有博士学位19人；中心主任由国家级实验教学示范中心主任兼任，全面负责中心的日常管理，中心实行校、院两级管理，面向全校服务。
土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建
务 。中心 下设有 工程 结构 仿真 教 学室 、土木 工程 管 理仿 真教 学室 ，土木 工程 实验技 术仿 真 实验 室和 智
作者 简 介 ：李彬 彬 （ １ ９ ７ ９ ． ） ，男 ，西安建 筑科 技 大学土 木工 程虚 拟仿 真实 验教 学 中心 工程 师 ，博 士 ，研 究方 向为 实验教 学 与技术 ；苏明周 （ １ ９ ７ １ ． ） ， 男 ，西安建 筑 科技 大学 土木 工程 虚拟仿 真 实验教 学 中心主 任 ，博士 ，研究 方 向为实 验教 学与 管理 。Ｅ ｍａ ｉ ｌ ：ｘ ａｂｉ ｎ ｂ ｉ ｎｌ ｉ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ
中图分类号 ：Ｇ ４ ２ ０
文献标 识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ８ — ７ １ ９ ２ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ — ０ ０ ９ ６ — ０ ５
一
、
引 言
木工程 虚 拟仿 真实 验教 学 中秉承 “ 科学 规划 、共享 资源 、突 出重 点、 提高效 益 、持 续发 展” 的理念 ， 以共享 优 质实验 教 学资源 为 核心 ，以建设 信 息化实 验教 学 资源 为 重 点 ，持 续推 进 实验 教 学信 息化 建 设 ，全 面 提升 我校 学 生创 新 精神 和实 践能 力 。 １ ． 基 本概 况
力 、素 质协 调发 展 ，理论 、 实践 、创新 全面提 高 ， 理 论教 学和 实验教 学统筹 协 调 ，实验教 学 环节突 出 基 础 、突 出综合 、突 出开放 、突 出创新 ，突 出课 内 课 外一 体教 学 ，虚 拟教 学与 实体 教 学相结 合 ，虚 拟
对 象与 实体 对象 相 结合 ，虚 拟技术 与现 实技 术相 结
多次、立体化、开放式、虚实结合的教学体系。
基于虚拟现实的土木工程仿真技术
基于虚拟现实的土木工程仿真技术随着科技的不断发展，虚拟现实技术在各个领域取得了巨大的突破和应用。
其中，基于虚拟现实的土木工程仿真技术也逐渐崭露头角，为土木工程领域的建设和设计带来了前所未有的便利和创新。
本文将深入探讨基于虚拟现实的土木工程仿真技术在设计、施工和培训等方面的应用，旨在为相关领域的专业人士提供参考和启发。
I. 虚拟现实技术简介虚拟现实技术是一种通过计算机生成的仿真环境，使用户能够身临其境地感受到虚拟场景。
该技术主要通过利用头戴式显示器、手柄等设备，将用户置身于一个逼真的虚拟空间中，实现沉浸式的体验。
虚拟现实技术主要包括虚拟场景的生成、交互设备的应用和实时渲染等方面。
II. 基于虚拟现实的土木工程仿真技术基于虚拟现实的土木工程仿真技术是将虚拟现实技术应用于土木工程领域的仿真模拟技术。
通过该技术，设计师、施工人员和培训人员可以在虚拟环境中模拟和演练各种场景，以便更好地理解和应对实际工程中的挑战。
III. 在土木工程设计中的应用1. 建筑设计利用虚拟现实技术，设计师可以在虚拟环境中创建建筑模型，并实时预览和调整各种设计需求。
通过虚拟现实技术，设计师可以更直观地感受设计效果，并及时修改和优化设计。
2. 土地规划基于虚拟现实的土地规划可以实现对土地利用情况的可视化模拟。
通过虚拟现实技术，规划师可以在虚拟环境中进行土地规划布局的模拟，更好地探索和优化土地利用方式，并提供科学的规划建议。
IV. 在土木工程施工中的应用1. 施工过程模拟虚拟现实技术可以模拟土木工程施工的各个环节，预先演练施工过程中的问题和难点。
施工人员可以在虚拟环境中体验解决方案的可行性，并针对实际情况进行调整和优化。
2. 安全培训通过虚拟现实技术，从事土木工程施工的工人可以接受更加真实的安全培训。
他们可以在虚拟环境中模拟危险场景并学习如何正确应对。
这样的培训方式不仅有效提高了培训效果，还降低了真实施工中的风险。
V. 在土木工程培训中的应用1. 学生教学通过虚拟现实技术，土木工程学生可以在虚拟环境中进行模拟实验和实际操作。
土木工程专业仿真模拟实验教学系统研究
木工程类专业人才培养质量 ， 具有 一定 的先进性 、 针对 性和适用性 。
关键 词 ：实验教学 改革 ； 筑工程专业实验 ； 建 仿真教学 ；ＬＳ ＦＡ Ｈ 中图分类号 ： ６ ２ ０ Ｇ ４ ． 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：１７ ７ ６ （０ ０ ０ — １７— ３ ６ ２— １９ ２ １ ） １ ０ ０ ０
２ 研 究 成 果
２ １ 土 力学 三轴压 缩实验 仿真 教学 系统 ．
进而使其对实际工程的掌握和处理能力受到极大 的制约 。
开展 以实 际工 程环境 为背 景基 于计算 机仿 真 技术 的土 木工 程类 专 业 实 验 教 学改 革 ， 仅 可 以 不
很 好地满 足人 才 培养 的需 求 ， 可 以在 一 定 程 度 还
应用文本 、 图形 、 图像、 频、 音 视频等媒体 手段， 构建 了以土力学、 筋混凝土结构 等土木工程专 业主干课 程实 钢
验教学 内容为主的实验教学 多媒体系统 ， 具有仿真性 、 互动性、 可重复性 、 低成本 性、 网络普及性等多种优点 ， 不仅可 以很好地满足人才培养的需求还可 以在 一定 程度 上解决 实验教学 资源 配置不足 的问题 ， 于提升土 对
室为 中心 、 以某 一 具 体 工程 部 位 为 依 托基 础 上 的 试验 ， 因此具有 一定 的局 限性 ， 无法 使学 生掌握 建
筑 工程 中施工 第一 现场 的真实 而全 面 的状 况 。其 结果往往 造成 学生 的工程 意识 薄弱 、 实践 能力 差 ，
好习惯 ， 提高综合能力 ， 满足建筑工程专业人才培 养 的需求 。
土木工 程专业 具有 综合 性强 、 实践 性强 、 与工
程实 际联 系紧密 的特点 。工 程实践 能力 培养 作为
土木虚拟现实实验室
一、虚拟建造1.钢结构连接节点功能简介：焊缝、螺栓、锚栓等典型钢结构连接方式，以及铰接、刚接、半刚接等典型钢结构节点的三维模型，包含各组件构造细部的高精度视图及其组装成连接或节点的工艺过程。
采用Flash和Tekla软件制作。
实施效果：主要面向土木工程专业3年级学生，使学生多视角全方位感知钢结构连接与节点的构成，培养学生通过平面视图对钢结构三维连接与节点进行工程表达的能力。
2.预应力工程施工功能简介：模拟先张法和后张法预应力工程的施工工艺，包括预应力筋张拉、预应力筋锚固、孔道灌浆（后张法）、封锚等。
采用Flash软件制作。
实施效果：主要面向土木工程专业3年级学生，让学生直观地学习预应力工程的施工工艺，并将实际工程中的构造细节、工艺细节进行全面展示，便于学生理解。
3.预制混凝土结构施工功能简介：模拟先张法和后张法预应力工程的施工工艺，包括预应力筋张拉、预应力筋锚固、孔道灌浆（后张法）、封锚等。
采用Flash软件制作。
实施效果：主要面向土木工程专业3年级学生，让学生直观地学习预应力工程的施工工艺，并将实际工程中的构造细节、工艺细节进行全面展示，便于学生理解。
功能简介：以重型钢结构厂房为主要对象，同时论及轻型门式刚架厂房体系，演示单层钢结构厂房的典型施工流程，着重展示钢结构厂房的重要结构单元及其典型连接和构造的施工和装配过程。
采用3DMAX软件制作。
实施效果：主要面向2-4年级学生，使其直观快速地学习单层厂房的结构布置、支撑体系、典型连接和施工工艺；通过模拟厂房建造过程及装配方式，便于学生理解钢结构单层厂房结构设计的关键点功能简介：以多层钢框架结构为主要对象，演示钢结构框架房屋结构的典型施工流程，着重展示钢结构框架的重要结构单元及其典型连接和构造的施工和装配过程。
采用AutoCAD、3DMAX软件制作。
实施效果：主要面向2-4年级学生，使其直观快速地学习钢框架结构的结构组成、体系传力和施工工艺。
通过模拟钢框架结构建造过程，便于学生理解钢框架结构设计的关键点。
土木工程专业虚实结合实验教学虚拟教研室建设探索
土木工程是一门理论与实践相结合的学科，全国约188所大学开设了土木工程专业。
土木工程实验课程是本专业的必修课程，是提升学生实践能力和创新能力的重要途径[1]。
随着高等教育数字化发展的推进，虚拟仿真实验教学项目得到了快速发展并发挥了巨大的作用，对于培养学生的专业素养、动手能力、团队精神等均具有重要意义[2]。
然而，学生的学习方式、学习内容、学习能力、学习形态也随着发生了巨大的重构。
在此背景下，“土木工程专业虚实结合实验教学虚拟教研室”应运而生。
该教研室的设立，旨在促进土木工程实验课程的数字化转型，推动教师教研形态改革[3]。
基于“虚实结合、能实不虚”的原则，结合扬州大学及其他高校已建国家级、省级土木类虚拟仿真实验项目资源，规划与建设土木工程专业实体实验与虚拟仿真实验相结合的实验教学体系，通过合理分工实验课程“虚实结合”内容，有效运用混合式、探索式等多维度教学方法，规范考核体系，改革实验教学方式。
教研室的设立有助于将信息技术深化与教育教学深度融合，为教师高频次、高质量、创新性开展教研活动提供平台[4]，为全面提升土木工程实验教学质量增强底部支撑。
1虚拟教研室的组建基础1.1具有名师名课支撑虚拟教研室负责人康爱红教授为国家级一流本科课程、省级一流虚拟仿真课程负责人，江苏省333第二层培养对象，江苏省“青蓝工程”优秀教学团队带头人，江苏省高等教育教学成果二等奖获得者，扬州大学“课程思政”先进教学团队、课程思政示范课程负责人。
负责人具有良好的引领辐射能力。
扬州大学土木工程专业于2016年通过工程教育专业认证，且入选国家一流本科专业建设点，拥有国家级一流本科课程1门，国家级虚拟仿真实验教学项目1项，江苏省虚拟仿真实验一流课程2项等，搭建了江苏省工程研究中心、江苏省产教融合型品牌专业等创新平台。
以上成果为虚拟教研室建设提供了强有力的工作基础。
1.2具有资深专家加盟虚拟教研室与华南理工大学、广州大学、东南大学、长安大学、长沙理工大学等土木工程资深专家联合共建。
虚拟试验技术在土力学试验教学中的应用
虚拟试验技术在土力学试验教学中的应用作者：冯少杰，高振林来源：《教育教学论坛》 2013年第3期冯少杰，高振林（北方工业大学建筑工程学院土木系，北京100144）摘要：随着虚拟现实技术的发展，虚拟试验技术已在高校试验教学中广泛应用。
虚拟试验可以为学生提供逼真的、生动的试验环境，使试验教学过程具有较强的视觉冲击力和灵活的交互性，使学习过程形象化、生动化，能够激发学生参与试验的积极性。
有利于提高学生的实践技能。
文中主要介绍了虚拟试验技术在土木工程专业土力学试验教学中的应用。
实践证明，虚拟试验教学系统既能保证教学效果，又能丰富试验手段、提升学生试验的自主性和创新能力。
关键词：虚拟试验；土力学；试验教学中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）03-0073-02土力学试验是土木工程专业课程教学体系中非常重要的实践性教学环节，注重培养学生独立思考和实践能力。
在教学环节中，学生通过动手试验，可以深入理解土的物理力学性质，熟悉土工试验设备、掌握试验数据的分析与处理，从而循序渐进地提高学生对土力学理论的理解，有利于培养学生的解决工程问题的能力。
土力学试验室一直是土木工程专业本科试验教学的基础，但是近年来，随着高等院校招生规模的扩大，学生数量呈现爆炸性增长，因此，有限的试验教学设备，加上硬件设施未能及时扩建，成为了制约试验教学环节的一大难题，另外，由于参加试验的学生人数多、试验准备需要花费较长时间、试验结果受人为影响因素多等问题的存在，使得土力学试验教学效果难以得到保障。
为了解决目前存在的试验教学压力，将虚拟试验技术运用到土力学教学环节，建立了虚拟试验教学系统，在土力学试验教学改革方面做出了一定的探索。
一、虚拟试验系统建设1.设计思想。
考虑到传统试验教学存在的问题，故将虚拟现实技术引入到土力学试验教学环节，构建一个网络虚拟试验系统。
虚拟试验总体设计思想是通过虚拟现实技术、多媒体技术等实现的计算机辅助教学，可向学生提供直观的、交互式体验的教学平台[1]。
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供 了机 遇
实验 时间 、 间、 空 条件等 限制 ， 些实验 无法进行 ¨ 。 有
高校教学 中实践环节 的缺 乏已经成 为突出问题 。
１２ 工程 实验在土木 工程 学科教 育中 的重 要性 ．
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 于信 息技术 的模 拟实验平 台 ， 以使高 校土 可
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 ， 以让 学 可
究设计 手段 和形式 。
土木工程 等相关 专 业 ， 为面 向实践 应 用 的工 作 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 ， 在工 程 建 设领 域 从 事规 划 、 计 、 能 设
施工 、 管理 和 研究 工 作 的高 级工 程 技 术 人 才 ， 求 要 在工 程制 图 、 程 测 量 、 算 机 应 用 、 业 实 验 、 工 计 专 结
【 摘 要】 在我 国高校普遍存在 实验室资 源不足 的背景 下， 文对建设 土木 工程 学科 虚拟 实验 室进行探 索研 究。 本
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 ， 对 建 筑认 知 实验 课 程 、 程 施 工 管理 类 实验 课 程 、 Ｋ Ｍ 还 工 ＰＰ 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
传统教 学手段 下 ， 要 大量 的实验 设 备 和实 验 需
【 作者简介 】 梁博（ ９０一） 男 ， １８ ， 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— ｉ：ｉｎ ｓ ｋ ｎｇ １ ｍａｌ ｌａ ｇ ｈｉｏ ＠ ２６． ｏ ｃｒ ｎ
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
教 学人员 。 目前 由于 受 到 经 费 限制 ， 全 国 ２ ０ 在 ０
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 ２ ０ ０ ０年 的 ２ ０万 ， 展到 ２ １ ２ 发 ０ ０年 的 ６ ７万 。 ５
３ ５
拟实验 室 的开发 进 行 了探 索 和 尝 试 ， 缺 少 对 土 但 木 工程 学科 各种 虚拟 实验 的全 面研 究 和应 用 。
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
因此 ， 据 《 育 部 关 于 进 一 步 深 化 本 科 教 学 根 教
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 、 量存 在 大量 不足 ， 数
改革全 面 提 高 教 学 质 量 的若 干 意 见 》 行 教 学 改 进 革 ， 高度 重视 实践 环 节 ， 高学 生 实 践 能力 ” “ “ 提 ， 把 信息 技术 作 为提 高 教 学 质 量 的重 要 手 段 ” 是 目前 ，
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 ， 因为 实 验 花 费 昂 贵 ， 能 为 学 生 提 供 参 观 或 也 仅 演示 ， 较少有 机会 给学生 提供真 正 的动手实验 。
第 ２卷
第 ４期
Ｖ０ ＿ Ｎｏ ４ ｌ２ ． Ｄｅ ２ ０ ｃ． ０１
２１ ０ ０年 １ ２月
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 １０ １ ） ００３
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 。
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 ， 我 国高 校 中多 个学 科 得 在
到 了应用 。土木 工 程 学科 领域 也 对 结 构工 程 虚
到应 用 ， 国 内土 木 工 程 学科 实验 教 学提供 了新 思路 。 为
【 关键词 】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
【 中图分类号】Ｕ ０ ．；Ｐ９． Ｔ ２１４Ｔ ３１９
【 文献标 志码 】 Ａ
【 文章编号 】１ ４ ７６ （００ ０ — ０４— ６ ６ — ４ １２１）４ ０３ ０ ７
虚 拟实验 室 是 一种 特 别 的 、 布 式 的解 决 问 分 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 、 同 研 究 、 同工 作 的平 台 ， 一 种 共 协 是 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 ， 除理论 与实 物 实验 之 外 的第 三 种研 是