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摘要：開展虛擬仿真教學是國家教育信息化的具體體現，是未來高校實踐教學發展的必由之路。首先，本文總結土木工程專業課程相關教學實驗的特點，闡述進行虛擬仿真實驗平臺建設的必要性。其次，分析虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學中的優勢及作用，并提出虛擬仿真實驗平臺用于土木專業教學的具體舉措。最后，闡述虛擬仿真教學存在的共性問題及解決策略，為今后高校土工工程專業課程開展虛擬仿真實驗平臺建設提供參考。
關鍵詞：虛擬仿真;教育信息化;土木工程;實踐教學
土木工程具有十分鮮明的行業背景和特點，隨著社會的發展和技術進步，工程結構越來越大型化、復雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復雜的地鐵系統不斷涌現，滿足了人們的生活需求，同時也演變為社會實力的象征。在土木工程專業的人才培養中，實驗教學對學生實踐能力、工程素質和創新精神的培養占有非常重要地位，由于開展實習、實踐、實驗等教學活動所需場地、時間和經費等諸多因素的制約，傳統的實驗形式單一、內容較少、知識分散，不能很好地適應工程建設快速發展對人才培養提出的新要求，迫切需要開展虛擬仿真實驗，以彌補實體實驗教學的不足。同時，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以髙度重視”。為此教育部加強了對實驗教學信息化工作的宏觀指導，先后出臺《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《2017年教育信息化工作要點》《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》和《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》等相關文件，旨在深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，拓展實驗教學內容廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，提升實驗教學質量和水平，其迫切性和重要性毋庸置疑。
一、土木工程專業實驗的特點
土木工程是基于實踐經驗發展而來的學科，其核心課程如《混凝土結構設計原理》《橋梁工程》《鋼結構設計基本原理》《隧道工程》《基礎工程》《工程結構抗震》等，所涉及的教學實驗普遍存在以下特點。
1.實驗構件體量大、周期長
實體的房屋建筑、橋梁、隧道等工程，一般體量都很大，如高層結構中的剪力墻、大跨度橋梁的墩柱等，對這些大體量的結構或構件，在實驗室完成其實體實驗幾乎是不可能的，同時，土木工程專業實驗還存在成本髙、實驗周期長等特點，如鋼筋混凝土梁、柱構件實體實驗模型，從試件設計，鋼筋下料、模板制作、混凝土澆筑、養護直至加載試驗不僅耗費大量資源，實驗周期也很長，制約了學生的全程直接參與。
2.實驗危險性高、消耗大
土木工程專業實驗一般都要進行結構構件的破壞性實驗，而很多破壞性實驗都具有一定的突然性，實驗過程中的安全情況難以控制，特別是工程結構抗震、抗火和抗風等實體實驗項目，其危險性更高，加之實驗均為一次性破壞實驗，每次均要制作模型結構構件，造成實驗資源消耗較大。例如，地震模擬振動臺設備價值昂貴，實驗模型成本高、資源消耗大；結構抗火實體實驗除實驗條件限制外，實驗過程危險性高，資源消粍也大；風洞實驗設備同樣昂貴，且利用率低，造成了極大浪費。這些都在一定程度上制約了實體實驗教學的開展。
3.缺乏全過程的實驗體驗
實驗教學課程一般包括試件設計、試件制作、實驗加載、實驗測試、數據處理，最后完成實驗報告。由于每項實驗學時及試件數量的限制，學生大多分為5～8人一組，每組負責一塊內容，分工協作，以小組為單位共同完成，導致每個學生不能獨立系統地完成整個實驗工作，缺乏對試驗的整體認知。
二、虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學中的優勢及作用
1.虛擬仿真在土木工程教學中的優勢
上述土木工程專業實驗教學環節存在的不足，導致了學生專業理論學習和工程實踐能力培養的明顯不協調。虛擬仿真實驗是對真實實驗的重要補充，通過建立虛擬仿真實驗平臺，充分發揮仿真實驗教學的安全性、可重復性，學習時間和地域靈活性，節能綠色性，利用可視化的動態仿真幫助學生更直觀地認識實驗現象和實驗結果，加深對理論知識的理解程度。以《混凝土結構基本原理》課程為例，在傳統教學過程中，該課程針對“鋼筋混凝土受彎構件正截面受彎實驗、斜截面受剪實驗以及鋼筋混凝土短柱偏心受壓實驗”等內容，由于真實實驗滯后，多數情況下采用錄像視頻進行實驗教學，學生雖然在一定程度上理解了混凝土基本原理，但對混凝土基本構件的受力性質和破壞現象不能深入掌握。除此之外，該實驗屬破壞性實驗，實驗費用較高，危險性較大，且周期較長，實驗準備工作煩瑣。例如，每組實驗時每個構件成本約1000元，從材料準備、澆筑到開始實驗至少需要一個月的時間，而且，從初始準備到實驗實施粘貼應變片，布置測試儀表，調整加載裝置，調試等過程，需要實驗輔助人員2～3天的時間，由于這些實體實驗存在的一系列問題，虛擬仿真實驗便展現了其先天的優越性?；谔摂M仿真實驗平臺，學生通過軟件操作，即可完成從試件設計到加載破壞整個實驗過程，內容直觀形象，激發了學生的學習興趣，解決了實物實驗消耗大，危險性高，過程不可逆等問題，滿足了新時代學生“求變求新”和“碎片化”的學習特點，極大地提高了學生的學習效率。
2.虛擬仿真在土木工程教學中的作用
虛擬仿真實驗能夠有效整合各類實驗教學資源，建立有利于創新性人才培養的實驗教學體系，其構建技術先進、功能集約、資源優化、開放共享、運行高效、具有虛實結合的實驗教學平臺和貼近實際、高度仿真的虛擬實驗環境，為學生自主學習、自主實驗和創新實踐創造了條件。它能夠推動信息技術與學科專業的高度融合，加強實驗教學資源、管理和支持服務的信息化建設，深入探索信息技術在實驗教學中的應用，在信息技術支撐下改革實驗教學模式與方法。緊密結合教學與科研，將科研理念、成果及方法融入實驗教學，提高學生的科學研究和科技創新能力。虛擬仿真實驗具有經濟省錢、生動直觀、安全可靠、情景再現、客觀真實等優越性，真正實現了資源開放。因此，虛擬仿真實驗為我國土木工程實踐教學指明了方向。
三、虛擬仿真實驗平臺在土木工程教學中的具體應用
在教學方法上，依托網絡，借助網絡終端設備，登錄虛擬仿真實驗平臺，點擊相應的實驗項目，通過在線互動操作、答題等方式，完成實驗教學內容。首先，學生認真閱讀實驗指導書，了解實驗目的、試驗原理以及實驗步驟，進行實驗前預習。其次，教師通過虛擬仿真實驗平臺進行實驗內容講解，并演示操作。再次，學生進行本次試驗的虛擬仿真實驗操作，通過虛擬仿真管理平臺上傳實驗報告，供教師審閱。在評價體系上，設置針對學生的考核模塊，在線測試，學生通過虛擬仿真實驗操作后，對實驗結果加以分析，對實驗效果加以評價；同時形成實驗報告上傳，任課教師對實驗報告進行批閱，就學生的實驗質量進行評價，形成多層次、多角度的評價體系。在資源共享上，實踐教學仿真平臺整合虛擬教學資源，形成教、學、做、評一體化的教學軟件系統；教師可以輕松地安排教學內容，掌控實驗過程，進行成績統計；學生可以不受時間空間限制，只要有網絡的地方就可以動手操作實驗。不僅可滿足校內學生的使用，還可滿足其他高校師生及行業人員需求。
四、存在的問題及建議
在教育信息化的大背景下，全國各高校普遍重視虛擬仿真實驗平臺的建設，現針對虛擬仿真實驗平臺建設過程中的存在的幾個共性問題，提出相應解決策略。
1.虛擬仿真教學資源不夠豐富
土木工程是一門實踐性較強的學科，課程所涉及的相關實驗較多，虛擬仿真實驗教學優勢獨特，但前期投入較大，特別是內容制作花費昂貴。各高校普遍面臨的問題是在資金限制下虛擬仿真實驗資源不夠豐富或后繼實驗內容拓展不夠。針對此現象，首先，加大經費投入，對已有虛擬仿真實驗平臺進行擴展，收集分析學生對已有實驗項目的反饋意見，不斷優化結構，拓展新的資源，使平臺成為一個體系完善的在線實驗教學資源。其次，在虛擬仿真教學內容建設過程中一定要堅持“應用驅動、能實不虛”的原則，一些簡單重復實驗在正常實驗課就能完成，完全沒必要虛擬化。
2.虛擬仿真教學內容同質化
很多高校的虛擬仿真實驗平臺教學內容存在重復、同質化現象。有效的解決策略是全國資源共享，打破各虛擬仿真教學中心間的壁壘，讓大家都能享受到虛擬仿真教學的好處。在更多高校、專業及年級對本虛擬仿真實驗教學項目進行推廣，與高校進行戰略合作，以資源互換、遠程共享、合作共建等方式進行推廣，進一步延長開放時間，擴大開放范圍，最終實現全面免費開放共享。
五、結束語
開展虛擬仿真教學是未來高校實踐教學發展的必由之路，只要我們在土木工程專業理論和實踐教學的基礎上，突出應用驅動、資源共享，積極建設虛擬仿真實驗教學平臺，不斷推進現代信息技術融入實驗教學項目，探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學體系，必將助推高等教育教學質量變軌超車，實現我國的高等教育強國夢。
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作者:展猛 王社良 單位:黃淮學院建筑工程學院 西安建筑科技大學土木工程學院
