虚拟仿真在土木工程专业教学中应用

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摘要:介绍土木工程实验教学存在的问题，结合扬州大学“混凝土框架抗震虚拟仿真实验”项目，阐述虚拟仿真实验教学平台的优势、必要性以及虚拟仿真实验教学平台建设的意义。虚拟仿真实验教学为土木工程教学提供了新的教学方式，势必成为未来土木工程教学改革的重点。

关键词:土木工程;仿真模拟;实践教学

“土木工程”作为一个理论与实际紧密联系的学科，在培养学生实际操作与动手能力方面发挥着重要作用。［1－2］目前，高校存在重理论学习、轻实验操作的现象，造成这种现象不能单纯归结于对教育方针理念的不重视，还得考虑到实验本身具有的特殊性，如时间跨度大、场地、机械要求苛刻、实验效果影响因素大等方面。随着计算机硬件和技术的发展，仿真技术的普及，虚拟仿真实验室应运而生［3－10］。

1土木工程实验教学存在的问题

目前实验教学要求越来越高，土木工程专业传统的实践教学内容和方法已经不能满足要求，主要存在以下几个方面的问题。1．1实验教学师资力量不足在很多高校都存在实验教师相对较少的现象，这就导致实验教师指导很难到位，难以在有限的时间内对大批量的学生进行精细的辅导，教学目标难以完成，设计性和研究性实验难以开展。造成这种现象的主要原因有:学校对实验教师的岗位设置较少，对其关注度不够高，以及大家片面地认为实验教师地位低于教学科研教师。同时，学校对实验教师的职业发展政策较少，使实验教师的人员流动加快，对实验教师队伍的发展极其不利。实验教师是学校开展实验教学的重要保障，因此，学校应该注重实验教师的人才队伍建设，从政策支持、人员培训、项目扶持等方面提高实验教师待遇，加强人才队伍建设，满足土木工程专业教学中虚拟仿真实验教学的需求。

1．2实验室建设成本高

传统的实验教学要购入费用较高的实验仪器和设备，不仅如此，实验室在后期也需要高额的维护费用，同时会受到时间、地点、人力、物力、财力等很多因素的限制。

1．3缺乏实地的实践教学

目前土木类专业实习公司考虑到现场安全和效益指标的因素，不会接收大量的或者长时间的实习学生，有的公司甚至会拒绝学生去实习而变为参观学习，导致实践教学的质量严重下降。

1．4实习周期与现场实施周期不一致

在短短的时间内，学生可能只会接触到比较少的施工环节和专业过程，不能进行一个比较完整的学习，导致实习效果不好。

1．5缺少实验教学资源和实验指导

实验教学的主要任务是培养具有创新设计能力和创新实践能力的复合型人才，但目前学生主要是通过学校发放的实验任务书来进行试验，实践训练不足，这就会使学生的创新能力无法被激发出来。当前很多高校都在进行虚拟仿真实验教学建设，但是他们通常根据本校在土木工程学科某个领域的研究专长和特色，建立相应的教学资源，这些资源无法实现共享，不能满足土木工程专业在不同领域培养不同人才的需求;与此同时，由不同虚拟软件制作公司研发制作了高校的各种虚拟仿真实验教学系统，各系统之间存在界面布局、软件架构、操作流程等差异，实验指导书比较缺乏，学生在实际的学习中对知识理解得不够具体和准确，因此，建设丰富的实验教学资源和进行较全面系统的实验指导是非常必要的。工程仿真实践平台具有透明性、资源共享、交互、用户自治、可扩展性和安全性等特点。它在许多方面都比传统实验和实习实践设备好很多，并具有很好的发展应用前景。其最终目标是利用信息网络、多媒体和人机交互等技术创建高度模拟的虚拟仿真实验教学平台，弥补土木工程专业实践教学的不足，培养学生的创新能力、实践能力、自主学习能力，以及获取和使用信息的能力。工程虚拟仿真实验平台可以解决实验硬件短缺、实验实践时间不够等问题。目前，一些高校土木工程实验室和设备条件很差，无法满足学生科研要求;教学大纲和实验的规则之间存在一定的差距。利用工程仿真实践平台，可以使用计算机仿真技术制作过程视频、动画，建立建筑模型，模拟物理对象等。可以在在满足学生实验要求的同时通过减少实验资金的投入，弥补实验室硬件条件的不足，从而提高实践教学的高效性，提高人才培养水平。学生实习受到时间和环境条件的限制，由于场地和施工周期的限制，学生只能在一定时间内接触到几个技术环节，很难深入了解专业知识。虚拟平台的出现提供了一种新的有效的专业实践方法，使学生能够整合他们所学的课程，从而系统、全面地理解所有的专业工作，大大提高了实际应用效果。

2土木工程虚拟仿真实验教学平台实例

建筑抗震问题是土木类专业研究的重点问题之一，混凝土框架抗震实验是土木类等专业本科教学的重要支撑实验。以应用最为广泛的混凝土结构为例，在对其整体结构和单元框架进行的抗震实验中，包含了混凝土设计原理、施工技术、结构抗震性能、结构检测、防灾减灾工程等多门土木类、水利类专业课程教学内容。但该类试验成本高、周期长、试件体量巨大、加载设备昂贵，难以在本科教学阶段开展。因此，扬州大学开展了“混凝土框架抗震虚拟仿真实验”的教学项目。实验教学方法的实施过程分为实验准备、试件制作、实验加载、实验观测和分析。

2．1虚拟仿真实验的功能

用户可灵活选用网络终端设备(PC、VR、平板、智能手机)，访问“混凝土框架抗震虚拟仿真实验”线上实验教学平台，校内学生通过身份认证，即可进入平台开展混凝土框架抗震虚拟仿真实验;校外用户需要先进行注册，注册成功后方可进入混凝土框架抗震虚拟仿真实验。“混凝土框架抗震虚拟仿真实验”采用的是沉浸式实验教学方法，用户在进行混凝土框架抗震虚拟仿真实验过程中配合使用VR头盔等外置硬件，实验效果更好。用户进入线上实验教学平台后，根据功能按钮的指向说明，通过与实验平台里的虚拟人物对话等方式，可以依次有序地开展凝土试件的设计、制作、安装、水平地震力加载等模块的虚拟实验。

2．2虚拟仿真实验步骤具体步骤见图1。

2．3虚拟仿真实验效果

应用“混凝土框架抗震虚拟仿真实验”教学系统，能够让学生在仿真空间实现大型结构抗震的实验实际操作，克服传统实体实验开展难的问题，使学生对混凝土构件的抗震特性具有直观感受。同时，这样的教学方法还具有很多实体实验不具备的优势:能够让学生更好地参与到混凝土框架设计，从“透视视角”展现内部破坏过程等。突出了以学生为中心的沉浸式、探索式的教学模式，将传统课堂上的教学要求、教学目的更好地与实验融合，达到了完善课程教学、优质实验资源共享的目的。虚拟仿真教学项目可以有效完成学科专业教学大纲的相关教学任务，是低年级学生通识实验向专业知识学习过度的重要环节，也是高年级学生专业基础课程“混凝土结构设计”相关知识点的综合应用。本实验项目有利于学生通过直观感受加深对混凝土结构设计、混凝土施工技术、结构抗震性能、结构实验检测等知识点的认知和理解，对于培养训练学生的专业素质、动手实践能力，以及满足行业工作需要等均具有重要意义。除了解决实体实验开展难的问题，学生仿真实验可以通过透视化的手段，观察混凝土结构破坏特征、钢筋在结构破坏时产生的变形等，具有学生参与设计、循环快速进行实验、钢筋损伤可见、破坏过程可逆等实体实验不具备的优势。仿真实验与传统教学课程的契合度较高，能够很好地与传统教学进行对接并延伸拓展，通过4个学时的学习，可以直接与原有实验观摩课程相结合，完成相关教学大纲的要求;在课堂以外，拓展了更为灵活、生动以学生为中心的课外学时模式，高效完成原有课程的教学内容。培养学生科学探索和科技创新的能力。在部分实验教学步骤中采用“虚实结合”的方法，以混凝土配合比制备为例，将小型试块的实测实验与大体量混凝土的仿真制备结合起来，学生可以在真实实验室中进行配合比试块的制作，并操作实验机检测其强度，同时大体量混凝土制备可以在虚拟系统中完成，做到“虚实结合、能实不虚”。

3虚拟仿真实验实践教学建设意义

3.1改革现有土木工程实验教学的概念

通过建立虚拟仿真实验室，原来的教学理念被升级改革。改变实验室的运营理念及建设模式，将实验室改造成一个开放的、流动的、不平衡的综合性平台，不断地与外界交流、交换信息，实验质量螺旋式不间断提升，改变原有的陈旧的实验教学方式，使实验室成为真正意义上的校内联动、校际共享、内外兼备的移动平台。虚拟仿真实验室还有以下优势:(1)实训系统。通过开放式的实训系统，本专业、本校学生甚至是校外个人及团体，均可自由地进行跨专业、跨行业的资源共享，自由地提出自己的构想及思路，互相碰撞、互相交流，最大化发挥平台作用;(2)科研平台。搭建科研平台能够创造并诱导出新的社会需求，通过需求来引导资金、技术的介入，从而促进科研的进步。(3)社会服务。学校不仅要履行好教书育人的职责，也要发挥好其在社会服务方面的职责，通过社会服务的导入，及时发现实验室内外的优点及不足，总结成果，改正问题，实现技术进步和自筹资金，进而不断更新和发展。

3.2创新土木工程实验教学与人才培育模式

现阶段，各学校现有的资金、技术、平台、设备很大程度上仅着眼于学校内部的需求与服务，对校外需求重视不足，但通过建立开放的虚拟仿真实验室，不论校内校外，都可享受开放式平台带来的资源共享、信息交流。学生通过平台实时了解社会动态与需求，社会通过平台找到了解决问题的技术支持，并可在线获得提升技能的资源，促进了工程技术的革新与发展，缩短了理论与实际的距离，达到优势互补、共同进步。

4结语

为更好服务于土木工程科学相关专业的人才培养要求，依托虚拟仿真实验教学是有效手段。在土木工程专业课程教学体系中加入虚拟仿真实验教学，以此打造虚拟仿真教学平台，构建专业的新型虚拟仿真教学体系，借助现代信息化技术达到教学目的，真正做到与时俱进。

作者:葛文杰 汤蓉 宋婉蓉 单位:扬州大学