摘要：文章首先阐述了土木工程专业虚拟仿真实验教学的优势及特点，然后提出了土木工程专业虚拟仿真实验教学策略，最后对土木工程专业虚拟仿真实验教学进行了思考。
       关键词：土木工程专业；虚拟仿真；实验教学

　　着信息技术的快速发展，“互联网+”、云计算、大数据等技术被广泛应用，快速推动了BIM信息技术、装配式建筑、智能智造等在土木工程领域的应用[1-3]。实验教学是土木工程专业本科教学的重要组成部分，对于大学生工程应用能力的提升和创新能力的培养具有重要作用。而虚拟仿真教学是当今信息化时代大学生应用现代信息技术和培养创新能力的重要手段。鉴于土木工程具有的结构特点，如空间规模大、隐蔽工程多、可重复率低、建造成本高、建设周期长等，导致土木工程专业学生很难在短时间内完成实践教学环节[4]，而应用虚拟仿真技术则可以解决土木工程专业实验教学难以实现的问题。因此，有必要结合虚拟实验教学平台的设计和教学尝试，探索虚拟仿真实验教学方法，分析“虚实结合”教学组织模式，以期助力土木工程专业虚拟仿真实验教学的发展。

　　一、土木工程专业虚拟仿真实验教学的优势及特点

　　当今，信息时代的发展对科学知识和优秀人才的需要比以往任何时候都更为迫切。同时，经济和社会高速发展，导致应用型本科高校的专业和学科设置在培养具有创新创造能力的高端引领人才时面临严峻挑战。土木工程专业的现代化教育必须依托现代科学技术的发展成果，完成传统教学模式的创新和突变。由此，虚拟化信息教育模式应运而生，成为新时代应用型本科人才培养教学模式创新的突破点[5]。

　　（一）土木工程专业虚拟仿真实验教学的优势

　　虚拟仿真实验是以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以优质实验教学资源为核心，以信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化和实验教学改革与创新的新举措[6]。虚拟仿真实验教学的优势在于可准确模拟真实场地环境和受力状态下的特征，以网络信息技术、沉浸式交互技术等方式完成模拟真实环境中的实验操作，帮助学生感知教学内容，克服理论与实践脱节的问题[7]。尤其在体量庞大、构件复杂的土木工程专业实验教学中，师生很难在既定的课内时间完成复杂结构的实验内容，而虚拟仿真实验可以解决这一难题，尤其适合于地下隐蔽工程的教学。因此，虚拟仿真实验的设计应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。基于此，学生可借助信息技术的各种交互设备沉浸于虚拟环境，与虚拟实体进行交互，产生等同于真实物理环境的体验和感受[8]。

　　（二）土木工程专业虚拟仿真实验教学的特点

　　1.顺应信息时代的发展。21世纪，信息技术快速发展，土木工程专业也需要顺应时代发展特点，积极对实验教学的数字化和信息化进行探索。在信息终端产品广泛普及的今天，信息教学已成为可能。传统的面对面讲授、仪表操作演示等教学方法难以激发信息时代大学生的学习兴趣，而信息化教学则可迎合当代学生的喜好，提升其学习兴趣。对此，土木工程专业实验中有关位移、载荷等参数的采集也应从使用传统机械仪表转换为使用传感器采集，进而采用信息技术物联化和可视化。概言之，土木工程专业虚拟仿真实验既可迎合信息时代大学生获取信息的意愿和习惯，又有利于激发其学习兴趣和独立思考的能力。

　　2.低成本、高效率。传统的土木工程专业实践教学环节易受设备、环境、成本等因素制约而难以开展，尤其大型土木工程的建筑结构、构件等实验对象更是具有综合性强、结构规模大、资源消耗大、周期长等特点，对于本科生而言难以实现。传统的基于图片、影像等的教学模式严重影响了土木工程专业学生对建筑复杂体系结构的认知和接触，难以达到教学目的。而利用虚拟仿真技术可实现工程设计三维可视和虚拟实现。虚拟仿真实验通过一次性投入，建设虚拟仿真实验教学环境，便可让学生进入虚拟现实的实验环境进行实际操作，进而达到一定的学习效果，领略结构构件实验加载、测试全过程，降低了实验教学成本。

　　3.实验项目参数配置多元化。教师要根据土木工程专业课程教学大纲，设置符合教学要求的虚拟仿真实验项目，并对实验条件进行多元化预案设计，以供学生选择。学生要依据自身知识特点选取相关实验参数，完成实验系统的测试操作。

　　虚拟仿真实验可设计不同的实验场景和实验组织模式，以“建筑结构试验”课程“工字型钢梁的静载实验模拟系统”实验项目为例，可预设不同的实验条件，即设计不同的构件类型、加载工况、构件截面形式等，同时设置丰富的测试参数，如荷载、应力、应变、位移、倾角等，以达到实验参数配置多元化的目的。这样既拓展了学生参与实验的深度和广度，有效增强了学生的专业技能，激发了学生的思考能力、创新能力，同时也给求知欲较强的学生提供了思考各工况实验结果、进行对比分析的空间，避免了传统教学模式内容单一、简单重复的缺陷，有利于解决以往参观式实验教学存在的问题。

　　二、土木工程专业虚拟仿真实验教学策略

　　2017年10月，江苏省教育厅启动了土木工程专业虚拟仿真实验教学共享平台建设工作，该平台由东南大学牵头，省属高校参与共建。在此基础上，结合教育部产学合作平台项目，借助企业的资助和技术支持，依托省属高校虚拟仿真共享平台资源，尝试开展了建筑结构试验、地铁车站实验教学任务。虚拟实验教学的开展涉及虚拟实验教学体系建设、实验教学目标确定、实验项目设置等关键环节。

　　（一）确定虚拟仿真实验教学目标

　　第一，培养学生应用信息技术解决复杂工程问题的能力，锻炼学生独立思考的能力。基于虚拟仿真实验教学的开展，学生可在虚拟的三维空间内独立完成复杂实验项目的加载测试、计算、分析及实验报告的撰写等实验任务，使复杂工程、隐蔽工程实验项目得以顺利开展，进而锻炼了学生独立思考、解决复杂工程问题的能力，促使学生毕业后能快速适应当前信息技术广泛应用的现状，并能为其继续深造或参与工程研究奠定坚实的基础，也有利于学生学习现代新技术。同时，教师也熟悉了信息技术教学方式，有效改了专业实验条件。

　　第二，掌握复杂工程问题的测试技术和实验步骤。通过虚拟实验的训练，学生可掌握复杂构件的测试手段，并从多角度了解关键测试参数的详细实验操作步骤和构件变形特征。以钢梁的加载测试实验为例，学生可基于操作软件指令，依据实验步骤提示，通过闯关方式依次完成测试构件（H型钢梁、矩形混凝土梁等）的选取，应力、应变、位移等测试参数的确定，然后完成应变片粘贴的详细工艺，之后完成1/4桥、半桥等应变测试方式的选择和连接测试任务，最后加载测试并完成理论和实验的对比分析，形成完整的实验报告。通过虚拟仿真实验，实现了复杂工程、隐蔽工程的清晰再现，强化了学生对现场试验环境的感性认识，使其熟悉了复杂工程的测试手段和操作步骤，从而加深了学生对专业知识的理解和掌握，达到了培养学生解决复杂工程问题能力的目的[9]。

　　第三，培养学生综合分析能力和工程应用能力。在虚拟实验项目的测试过程中，要经历测试构件设置、加载、应力应变采集、理论分析等步骤，实验过程涉及材料力学、结构力学、混凝土结构设计原理等课程内容，可有效锻炼学生综合运用多种力学知识解决复杂问题的能力，如此不仅提高了学生综合思考能力和解决复杂工程问题的能力，也锻炼了学生独立自主分析解决问题的能力。虚拟实验系统反映了工程的受力、变形、破坏的全过程，学生可以系统全面地了解工程结构的承载、受力和变形的全过程，这对学生掌握结构力学原理和工程应用具有较强的引导作用，能够激发学生利用现代技术解决工程应用问题的兴趣和激情。

　　（二）选定虚拟仿真实验教学项目

　　依据实验教学目标的要求，结合南京工程学院（以下简称“我院”）现有的基础性实体实验内容及与兄弟院校共享的实验项目，为避免重复投入建设，经综合考虑和研究，我院设置了三项具有代表性的虚拟仿真实验项目，分别涉及钢梁（钢筋混凝土梁）、桩基础、地铁隧道三个方面。如此设置主要是考虑以下因素。①具有典型性、代表性的实验项目。②具有复杂性、隐蔽性、危险性及长周期的实验项目。如混凝土梁、柱等大型构件的承载、变形、稳定性测试等实验项目不易在实验室完成，可基于VR技术开展虚拟仿真实验。③考虑主干课程。即基于我院土木工程专业课程，如建筑结构试验、地下结构工程、轨道交通工程，并结合现有实体实验基础，将实体实验难以完成的实验项目虚拟化，以增强实验项目知识点的连续性和复杂性，以及隐蔽工程问题的实验可行性。综合考虑各种因素，主要设置以下虚拟仿真实验项目：H型钢梁（钢筋混凝土梁）载荷—应变测试模拟实验、城市轨道交通地下车站桩基础承载试验仿真模拟、地铁隧道围岩承压虚拟仿真实验。以上实验项目共涉及传统基础性实验项目20余项，支撑7门专业主干课程、5门实体实验课程，并辐射其他10余门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课程，受益学生多达2 000余名。

　　（三）开展虚拟仿真实验教学

　　在虚拟仿真实验教学过程中，首先要建立“预习—指导—实验”的虚拟实验教学模式。对于教学大纲规定的实验内容，教师要通过开放访问平台让学生完成预习任务。在虚拟课堂上，教师布置实验任务，讲述虚拟仿真实验操作要求，必要时可演示操作，让学生了解虚拟仿真实验的开展过程和实验方法。然后要求学生开展虚拟仿真实验。虚拟仿真实验教学过程中，教师要进行巡视，观察学生的操作方法，避免个别学生不作为甚至做其他与教学无关的事情。虚拟仿真实验教学中，教师也要注意积累教学经验，逐步改进实验项目，尤其在硬件、软件和实验项目模块方面实现长期规划和实验组织工艺化，逐步建设成体系化、规模化的实验教学系统，具体包括实验预习、开放实验、实验项目库、实验报告格式、测评考试等多个系统模块。

　　下面以H型钢梁（钢筋混凝土梁）载荷—应变测试模拟实验为例，简要说明虚拟仿真实验教学组织过程。首先学生通过24小时开放的虚拟仿真实验平台提前预习实验内容，理解实验目的及关键参数的测试方法。在虚拟课堂上，因软件暂无在线师生交流功能，故教师只能当面讲授实验方法和操作步骤，并监督学生完成虚拟仿真实验项目，期间可巡视并回答学生遇到的问题。学生在实验过程中要完成以下任务。首先选取实验构件，即选取钢梁或混凝土梁，接着选取截面形式、几何尺寸，确定构件测试的物理、力学参数。然后依次完成应变片粘贴、桥路连接方式选取（1/4桥、半桥等）的任务。应变片的粘贴主要依据系统提示，要依次完成构件打磨、清洁、粘贴、排气、焊接等详细的应变片粘贴工艺流程。应变片粘贴完成后，再依次完成1/4桥方式、半桥方式的甄别和选调，以及导线的连接等任务。在这一过程中，学生如身临其境，独立自主完成了连贯、烦琐的测试准备任务，如图1所示。下一步再确定测试参数，如应力、应变、位移等。学生设计完成各类参数后就可以开展加载测试任务。最后记录结构变形数据、观察变形特点并完成理论分析，如试验结果满足理论要求则可提交实验报告，获得实验成绩，如图2所示。该实验考核的关键要素如下：桥路连接方式和钢梁受弯最大应变的理论计算。虚拟仿真实验教学中，对于关键要素的仿真达到了100%的模拟度。学生通过虚拟仿真实验如同置身现实场景，如此提高了学生对实体实验的理解和参与程度，且学生自主操作完成实验，而非传统的听课、观课，这有效增强了学生的创新思维能力。三、土木工程专业虚拟仿真实验教学的思考

　　虚拟仿真实验教学不同于传统的实体实验教学，虚拟仿真实验存在于虚幻的空间，相较实体实验，其对学生形成感官刺激和使学生接收感触的能力相对较弱，尤其对注意力不集中的学生来说，更易开小差。因此，有必要探索如何更好地开展虚拟仿真实验教学，以达到培养目标。在我院开设的三个方面虚拟仿真实验项目中，存在虚拟软件本身刻画欠精细、问题设置不深入、个别问题出现的位置不合理、关键环节考核不够、实验开展经验不足、专业连续性和系统性有待补充等问题，需要进一步改进和完善。

　　（一）虚拟仿真实验项目设计

　　依托虚拟仿真技术，建立系统性、专业连续性的虚拟仿真实验项目，如综合性实验项目、创新性实验项目，为学生提供了一个超越传统的课内、课外、社会实践的新的学习空间，同时这个新的学习空间又能反过来不断改变现有学习空间的教学方式[10]。具体而言，可依据基础的实体实验，设计复杂的虚拟实验和综合性的虚实结合项目。即在基础性的实体实验基础上，设计稍复杂的综合性试验项目，实现从理论学习到虚拟仿真实验的过渡，再由基础能力训练转向虚拟教学的远程操作、学会教学资源共享，达到系统性、强化训练的目的。例如，对于土木工程构件截面受力变形状态、隐蔽工程的构造、受力特性等内容，可通过虚拟仿真实验来体现，实现不同角度的观测，以丰富教学内容，提升实践教学质量。

　　（二）虚拟仿真实验的在线教学组织

　　基于学生对虚拟仿真实验教学组织的体验可以发现，其在教学设计、教学模式、学习方式等方面尚存在诸多问题。我院的虚拟仿真实验大多为基于Uni-ty3D软件开发的闯关式教学设计，教学组织相对单一，采用“预习—指导—实验”的教学模式，即教师采用现场讲授而非在线互动方式完成教学内容教授，同时部分实验内容辅以VR完成沉浸式体验教学。该虚拟仿真实验存在的主要缺陷如下：实验仅限于学生独自操作完成实验内容，而不能在线交互，教师要站在一旁监督辅助完成指导；同时实验选择内容也仅是预设的几种类型，教师和学生难以共画面在线交流；另外，诸如交互方式、上课监控和共享、学习模式选择、教学状态等方面也存在诸多不足。对此，虚拟仿真实验教学要完善教学平台，实现集在线教学设计、教学方式可选、多种交互方式等于一体的虚拟仿真实验教学组织形式。教学设计需设置教学导航方式、闯关方式和资源调用等模式，形成丰富的课程教学组织形式；教学方式可选择在线共享、实时在线、远程教学等方式；提供多种交互方式，以促进教师和学生、学生和学生之间的交互，真正实现不同区域的在线交互。此外，教学方式方面还可增加多种选择，如提问式、讨论式等。同时，改进实场景融入方式或多场景切换，实现虚实场景融合模式，以改进教学生态，增强学生学习兴趣。另外，要充分应用VR技术，实现移动式教学，调动手、眼等身体部位参与程度，这样有助于增强学生的学习兴趣和欲望。

　　（三）资源共享，远程访问

　　我院基于虚拟仿真实验平台开设的三个方面的项目在互相独立的同时应共用端口，统一开放，形成资源统筹优势，建立共享平台，实现学生远程虚拟仿真实验操作功能。学生也可登录江苏省高等学校虚拟仿真实验教学共享平台，远程获取东南大学、江苏大学、河海大学等提供的虚拟仿真实验资源。

　　四、结语

　　虚拟仿真实验是土木工程专业传统实验教学模式的创新和尝试，是依托现代信息技术融合信息化教学、虚实结合教学、远程开放式教学等多种教学方式的综合型教学，是土木工程专业本科学生理论与实验一体化教学的改革与创新，可以说虚拟仿真实验项目的建设开创了我院信息化教学的新时代。我院从虚拟仿真平台建立、虚拟仿真实验项目设置、资源优化等角度为学生提供了信息化教学的实验环境和条件，为学生独立自主学习和工程创新能力的培养建立了有效的支撑体系，提升了我院土木工程专业实验教学的逼真程度，进而提高了人才培养质量、教师实验教学能力和研究开发能力。

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