虚拟仿真实验平台在土木工程的应用

虚拟仿真实验平台在土木工程的应用
摘要：开展虚拟仿真教学是国家教育信息化的具体体现，是未来高校实践教学发展的必由之路。

首先，本文总结土木工程专业课程相关教学实验的特点，阐述进行虚拟仿真实验平台建设的必要性。

其次，分析虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的优势及作用，并提出虚拟仿真实验平台用于土木专业教学的具体举措。

最后，阐述虚拟仿真教学存在的共性问题及解决策略，为今后高校土工工程专业课程开展虚拟仿真实验平台建设提供参考。

关键词：虚拟仿真;教育信息化;土木工程;实践教学
土木工程具有十分鲜明的行业背景和特点，随着社会的发展和技术进步，工程结构越来越大型化、复杂化，超高层建筑、特大型桥梁、巨型大坝、复杂的地铁系统不断涌现，满足了人们的生活需求，同时也演变为社会实力的象征。

在土木工程专业的人才培养中，实验教学对学生实践能力、工程素质和创新精神的培养占有非常重要地位，由于开展实习、实践、实验等教学活动所需场地、时间和经费等诸多因素的制约，传统的实验形式单一、内容较少、知识分散，不能很好地适应工程建设快速发展对人才培养提出的新要求，迫切需要开展虚拟仿真实验，以弥补实体实验教学的不足。

同时，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出，"信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以髙度重视";。

为此教育部加强了对实验教学信息化工作的宏观指导，先后出台《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》《2017年教育信息化工作要点》《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》等相关文件，旨在深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平，其迫切性和重要性毋庸置疑。

一、土木工程专业实验的特点
土木工程是基于实践经验发展而来的学科，其核心课程如《混凝土结构设计原理》《桥梁工程》《钢结构设计基本原理》《隧道工程》《基础工程》《工程结构抗震》等，所涉及的教学实验普遍存在以下特点。

1.实验构件体量大、周期长
实体的房屋建筑、桥梁、隧道等工程，一般体量都很大，如高层结构中的剪力墙、大跨度桥梁的墩柱等，对这些大体量的结构或构件，在实验室完成其实体实验几乎是不可能的，同时，土木工程专业实验还存在成本髙、实验周期长等特点，如钢筋混凝土梁、柱构件实体实验模型，从试件设计，钢筋下料、模板制作、混凝土浇筑、养护直至加载试验不仅耗费大量资源，实验周期也很长，制约了学生的全程直接参与。

2.实验危险性高、消耗大
土木工程专业实验一般都要进行结构构件的破坏性实验，而很多破坏性实验都具有一定的突然性，实验过程中的安全情况难以控制，特别是工程结构抗震、抗火和抗风等实体实验项目，其危险性更高，加之实验均为一次性破坏实验，每次均要制作模型结构构件，造成实验资源消耗较大。

例如，地震模拟振动台设备价值昂贵，实验模型成本高、资源消耗大；结构抗火实体实验除实验条件限制外，实验过程危险性高，资源消粍也大；风洞实验设备同样昂贵，且利用率低，造成了极大浪费。

这些都在一定程度上制约了实体实验教学的开展。

3.缺乏全过程的实验体验
实验教学课程一般包括试件设计、试件制作、实验加载、实验测试、数据处理，最后完成实验报告。

由于每项实验学时及试件数量的限制，学生大多分为5～8人一组，每组负责一块内容，分工协作，以小组为单位共同完成，导致每个学生不能独立系统地完成整个实验工作，缺乏对试验的整体认知。

二、虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的优势及作用
1.虚拟仿真在土木工程教学中的优势
上述土木工程专业实验教学环节存在的不足，导致了学生专业理论学习和工程实践能力培养的明显不协调。

虚拟仿真实验是对真实实验的重要补充，通过建立虚拟仿真实验平台，充分发挥仿真实验教学的安全性、可重复性，学习时间和地域灵活性，节能绿色性，利用可视化的动态仿真帮助学生更直观地认识实验现象和实验结果，加深对理论知识的理解程度。

以《混凝土结构基本原理》课程为例，在传统教学过程中，该课程针对"钢筋混凝土受弯构件正截面受弯实验、斜截面受剪实验以及钢筋混凝土短柱偏心受压实验";等内容，由于真实实验滞后，多数情况下采用录像视频进行实验教学，学生虽然在一定程度上理解了混凝土基本原理，但对混凝土基本构件的受力性质和破坏现象不能深入掌握。

除此之外，该实验属破坏性实验，实验费用较高，危险性较大，且周期较长，实验准备工作烦琐。

例如，每组实验时每个构件成本约1000元，从材料准备、浇筑到开始实验至少需要一个月的时间，而且，从初始准备到实验实施粘贴应变片，布置测试仪表，调整加载装置，调试等过程，需要实验辅助人员2～3天的时间，由于这些实体实验存在的一系列问题，虚拟仿真实验便展现了其先天的优越性。

基于虚拟仿真实验平台，学生通过软件操作，即可完成从试件设计到加载破坏整个实验过程，内容直观形象，激发了学生的学习兴趣，解决了实物实验消耗大，危险性高，过程不可逆等问题，满足了新时代学生"求变求新";和"碎片化";的学习特点，极大地提高了学生的学习效率。

2.虚拟仿真在土木工程教学中的作用
虚拟仿真实验能够有效整合各类实验教学资源，建立有利于创新性人才培养的实验教学体系，其构建技术先进、功能集约、资源优化、开放共享、运行高效、具有虚实结合的实验教学平台和贴近实际、高度仿真的虚拟实验环境，为学生自主学习、自主实验和创新实践创造了条件。

它能够推动信息技术与学科专业的高度融合，加强实验教学资源、管理和支持服务的信息化建设，深入探索信息技术在实验教学中的应用，在信息技术支撑下改革实验教学模式与方法。

紧密结合教学与科研，将科研理念、成果及方法融入实验教学，提高学生的科学研究和科技创新能力。

虚拟仿真实验具有经济省钱、生动直观、安全可靠、情景再现、客观真实等优越性，真正实现了资源开放。

因此，虚拟仿真实验为我国土木工程实践教学指明了方向。

三、虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的具体应用
在教学方法上，依托网络，借助网络终端设备，登录虚拟仿真实验平台，点击相应的实验项目，通过在线互动操作、答题等方式，完成实验教学内容。

首先，学生认真阅读实验指导书，了解实验目的、试验原理以及实验步骤，进行实验前预习。

其次，教师通过虚拟仿真实验平台进行实验内容讲解，并演示操作。

再次，学生进行本次试验的虚拟仿真实验操作，通过虚拟仿真管理平台上传实验报告，供教师审阅。

在评价体系上，设置针对学生的考核模块，在线测试，学生通过虚拟仿真实验操作后，对实验结果加以分析，对实验效果加以评价；同时形成实验报告上传，任课教师对实验报告进行批阅，就学生的实验质量进行评价，形成多层次、多角度的评价体系。

在资源共享上，实践教学仿真平台整合虚拟教学资源，形成教、学、做、评一体化的教学软件系统；教师可以轻松地安排教学内容，掌控实验过程，进行成绩统计；学生可以不受时间空间限制，只要有网络的地方就可以动手操作实验。

不仅可满足校内学生的使用，还可满足其他高校师生及行业人员需求。

四、存在的问题及建议
在教育信息化的大背景下，全国各高校普遍重视虚拟仿真实验平台的建设，现针对虚拟仿真实验平台建设过程中的存在的几个共性问题，提出相应解决策略。

1.虚拟仿真教学资源不够丰富
土木工程是一门实践性较强的学科，课程所涉及的相关实验较多，虚拟仿真实验教学优势独特，但前期投入较大，特别是内容制作花费昂贵。

各高校普遍面临的问题是在资金限制
下虚拟仿真实验资源不够丰富或后继实验内容拓展不够。

针对此现象，首先，加大经费投入，对已有虚拟仿真实验平台进行扩展，收集分析学生对已有实验项目的反馈意见，不断优化结构，拓展新的资源，使平台成为一个体系完善的在线实验教学资源。

其次，在虚拟仿真教学内容建设过程中一定要坚持"应用驱动、能实不虚";的原则，一些简单重复实验在正常实验课就能完成，完全没必要虚拟化。

2.虚拟仿真教学内容同质化
很多高校的虚拟仿真实验平台教学内容存在重复、同质化现象。

有效的解决策略是全国资源共享，打破各虚拟仿真教学中心间的壁垒，让大家都能享受到虚拟仿真教学的好处。

在更多高校、专业及年级对本虚拟仿真实验教学项目进行推广，与高校进行战略合作，以资源互换、远程共享、合作共建等方式进行推广，进一步延长开放时间，扩大开放范围，最终实现全面免费开放共享。

五、结束语
开展虚拟仿真教学是未来高校实践教学发展的必由之路，只要我们在土木工程专业理论和实践教学的基础上，突出应用驱动、资源共享，积极建设虚拟仿真实验教学平台，不断推进现代信息技术融入实验教学项目，探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系，必将助推高等教育教学质量变轨超车，实现我国的高等教育强国梦。

参考文献：
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