浅谈高校土木工程专业虚拟实验教学设计

吕小师+龚健

【摘要】近年来，随着高校课程教学改革的不断深入，虚拟教学技术越来越多的应用在课程教学过程中，尤其是实践性较强的土木工程专业。本文针对传统土木工程实验教学成本高、利用率低和管理困难的问题，设计了一些主干课程的虚拟实验教学，希望能解决目前传统实验教学的困境，提高高校土木工程专业实验教学质量。

【关键词】土木工程 虚拟技术 实验教学

【基金项目】河南理工大学教育教学改革项目（2015JG089）资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）23-0063-02

高校土木工程专业是一个实践性很强的专业，实验教学是其高校日常教学中的重要组成部分，很多课程的教学都设置有实验教学环节，包括课内实验和课外实验，它可以使学生更好的理解知识产生、发展和演变的过程，让理论知识更加形象、直观的再现在学生眼前，这对于提高学生对所学理论知识的感性认知、消化吸收、探索未知以及创新精神有很大的影响。虚拟实验教学技术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，它以全面提高高校学生的创新精神和实践能力为宗旨，旨在推动高等学校实验教学的改革与创新[1]。可见，在高校土木工程专业课程实验教学中推广虚拟实验教学非常重要。

一、传统实验教学的问题

传统实验教学是以满足基本教学为主，让学生通过实验对所学理论知识有一个感性认识。这时，往往受实验场地、实验设备等客观条件的限制，学生对所学知识的消化和创新得不到训练，没法发挥学生的想象力和创新力，达不到实验应有的教学效果。

1.实验教学成本高。大多数传统的土木工程实验环节都需要准备许多的实验材料和实验器材，如钢筋、水泥、应变片、测试仪表等，这些都是一次性消耗品，使得实验教学成本较高。

2.实验设备利用率低。现代先进技术不断更新，一些老的实验设备已经无法满足新的实验要求，其所进行的实验教学不便于再开设，造成了设备的闲置，利用率低下。

3.教学安全管理困难。传统的验证实验都是让学生亲自到实验室，实验材料的现场使用给实验教学环节产生很多不安全隐患，这就给教学环节的安全管理增加了难度。

二、虚拟实验教学技术

虚拟实验教学技术的基本思想是通过计算机和网络技术，采用相应的虚拟软件来虚拟出各种课程实验所要求的实验环境，实现一种以软件为仪器的实验目的。它能培养学生的实践能力，提高实验教学效果，同时，它也可以和传统实验教学形成互补，以更好的提高高校实验教学质量[2]。

1.技术优势。虚拟实验教学技术是一种将实践与理论、虚拟与现实相结合的创新性实验教学手段，具有开放性、互动性和灵活性等特点。它以实际模拟和学生兴趣出发，强度学生的主动学习，以培养学生的实践能力、应用能力和创新能力。

2.教学目标。主要是培养学生如何将理论知识更好的应用于客观实际的能力，进而培养学生的创新能力。实现学生在实验教学环节发现问题、分析问题和解决问题的团队协作能力。

3.组织形式。主要包括自主分析、分组讨论、集体研究等三种组织形式，它们之间是相互交叉、相互配合的关系，强调一种通过虚拟对现实情景多次再现和重复思考的过程，到达深化实验教学目标、提高实验教学效果的目的。

三、土木工程专业虚拟实验教学设计

虚拟实验教学技术可涵盖高校土木工程专业几乎所有的课程实验教学，如工程力学、工程管理、结构设计等。

1.建筑结构中的构件受力性能虚拟仿真实验设计。主要是通过实验模块对建筑结构中的梁、柱、节点等的受力性能进行仿真研究，以直观全面地让学生对这些专业知识点有一个感性的理解和更好的掌握。同时，也可通过本实验模块让学生对专业知识进行拓展和延伸，进而培养他们的创新能力。

2.土木工程项目施工管理仿真实验设计。主要是通过一些参数化的动态实时仿真来演示土木工程施工的过程和工程建设项目的管理，让学生在实时调整实验参数的同时实现对课程知识有一个综合的了解和掌握。这是一种以实现基础理论、过程仿真和资源耦合的三维教学体系的设计[3]。

3.土木工程CAD制图仿真实验设计。主要是利用Auto CAD的三维功能，通过构建一些虚拟模型库，再借助互联网技术，以再现课程教学中的知识难点，让学生能更加清晰、生动、形象的学习和练习。这样可以让学生在课余时间像玩游戏一样进行三维观察和模拟练习，实现自觉学习和提高动手能力的目的[4]。

四、虚拟实验教学保障体系

1.注意事项。一是要注意虚拟实验与实物实验的有机结合，它只是在虚拟软件下的一种全新的实验教学方法，不是所有的传统实验都适合虚拟化；二是要注意加强虚拟实验教学的过程管理，它为学生提供了一种全新的实验教学环境，要时刻把握实验教学方向，避免实验教学像游戏娱乐方向发展；三是要注意虚拟实验的结果总结，应通过虚拟实验平台加强与学生的沟通互动，以发现虚拟实验教学过程中的问题，及时解决，以保证其教学效果。

2.保障体系。主要包括实验模型精选、改革考核方式和学校技术支持等几个方面。首先要求教师对所授课程教学资源进行整合，整理出适合虚拟教学的实验模型来；其次是将传统的考核方式进行改革，加大虚拟实验环节在课程考核中所占的比例；虚拟实验主要是通过网络服务器群来实现的，需要学校层面加大这方面的投入，以提高教师和学生的体验速度。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].（2012-10-01），[2014.12.19]

[2]吴海燕.虚拟技术在工业工程实验中的应用设想[J].实验技术与管理.2002，19（3）：43-49

[3]李彬彬，苏明周.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J].西安建筑科技大学学报（社会科学版），2015，34（2）：96-100

[4]李洁.基于虚拟技术的《机械制图》教学改革构想与实践[J].职业教育研究，2011，9：167-168

作者简介：

吕小师（1975-），男，山西晋城人，工程师，工程硕士，主要从事岩土工程、爆破工程、矿业工程的教学与科研工作。