徐 明， 熊宏齊， 吳 剛， 宗周紅， 汪 豐， 舒贛平

(東南大學(xué) a. 土木工程學(xué)院； b. 設(shè)備處， 江蘇 南京 210096)

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土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

徐 明a， 熊宏齊b， 吳 剛a， 宗周紅a， 汪 豐b， 舒贛平a

(東南大學(xué) a. 土木工程學(xué)院； b. 設(shè)備處， 江蘇 南京 210096)

虛擬仿真實驗教學(xué)信息技術(shù)在教育領(lǐng)域具有重要作用，是教育信息化的重要組成部分。根據(jù)土木工程實驗教學(xué)的特點，分析了土木工程專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性。現(xiàn)以土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)為例，介紹虛擬仿真實驗教學(xué)如何在高校土建類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮特長與優(yōu)勢，以及東南大學(xué)在構(gòu)建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，服務(wù)于本科土建類專業(yè)人才能力培養(yǎng)的建設(shè)思路。論述了虛擬仿真實驗教學(xué)對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)所起的促進(jìn)作用。

虛擬仿真實驗； 實驗教學(xué)； 土木工程； 實驗室建設(shè)

0 引 言

實驗教學(xué)對于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，增長學(xué)生的創(chuàng)新技能，涵養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新品格方面的作用，是其他任何教學(xué)形式所不能替代的[1]。在不斷深化教育教學(xué)改革，全面提高高等教育質(zhì)量的背景下，教育信息化在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面的作用不斷凸顯，教育部從2013 年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作[2]。現(xiàn)以土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)為例，介紹虛擬仿真實驗教學(xué)如何在高校土建類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮特長與優(yōu)勢，以及東南大學(xué)在構(gòu)建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，服務(wù)于本科土建類專業(yè)人才能力培養(yǎng)的建設(shè)思路。論述了虛擬仿真實驗教學(xué)對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)所起的促進(jìn)作用。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)必要性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代土木工程發(fā)展愈來愈呈現(xiàn)出“空間體量巨大、結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜、施工周期長、管理復(fù)雜化”的趨勢。在傳統(tǒng)的土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中，施工現(xiàn)場認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)，往往需要“一個構(gòu)架拼裝要看1周，一個基坑施工要看1年”；而傳統(tǒng)的校內(nèi)實驗受設(shè)備與技術(shù)的制約，其實驗形式單一、內(nèi)容有限、知識分散，顯現(xiàn)出“管中窺豹、略見一斑”的弊病，完全不能適應(yīng)建筑業(yè)的快速發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的新要求。迫切需要開展虛擬仿真實驗，與實體實驗與實踐相互補充，相得益彰，彌補真實實驗教學(xué)的不足[3-12]。

2 建設(shè)目標(biāo)

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心將傳承東南大學(xué)百年育人傳統(tǒng)，秉承“止於至善”的優(yōu)良校風(fēng)，遵循國際高等教育發(fā)展和現(xiàn)代人才培養(yǎng)的客觀規(guī)律，結(jié)合時代需要和學(xué)校特色，充分發(fā)揮重點學(xué)科和重點科研基地優(yōu)勢，強化校企聯(lián)合，以學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)為引領(lǐng)，以建設(shè)開放度高、共享性好的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源為重點，堅持“虛實結(jié)合、互相補充、能實不虛”的原則，以“立足教學(xué)、教研融合、面向工程、開放共享”為教學(xué)理念，力爭在虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)、共享管理平臺建設(shè)、實驗教學(xué)和管理隊伍建設(shè)、管理體系建設(shè)等各方面取得全面突破和創(chuàng)新，構(gòu)建多層次、模塊化、全方位的實驗教學(xué)體系，突出大工程人才培養(yǎng)特色，強化土建學(xué)科融合，打破時空限制，建立課內(nèi)課外一體化的人才培養(yǎng)體系，將土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)成為“教學(xué)資源豐富、管理機制完善、信息平臺功能全面、師資隊伍水平一流”的高水平的實驗教學(xué)示范基地[13-15]。

3 建設(shè)思路

3.1 構(gòu)建立體化、多層次的虛擬仿真實驗平臺

依托東南大學(xué)國家級土木工程實驗教學(xué)示范中心，構(gòu)建虛實結(jié)合的虛擬仿真系統(tǒng)，給學(xué)生提供理論認(rèn)知與動手實踐的實驗環(huán)境，全面提高實驗效果，開闊學(xué)生的思維視野，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的虛擬仿真課程實驗及綜合訓(xùn)練項目跨越不同難度層次(由基本概念提高到研究創(chuàng)新等)，覆蓋不同知識內(nèi)涵(包括建筑、結(jié)構(gòu)、施工、管理等)，體現(xiàn)不同實現(xiàn)方式(包括認(rèn)知感受、動手操作、創(chuàng)意設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)等)。

3.2 依靠科研基地，實現(xiàn)科研項目向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化

依托國家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)研究中心、玄武巖纖維生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心、混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室、城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點實驗室、江蘇省工程力學(xué)分析高校重點實驗室等一大批重點科研基地，積極將科研團(tuán)隊的研究項目向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，開發(fā)形成一系列虛實結(jié)合的綜合工程訓(xùn)練項目，將設(shè)計、虛擬和仿真融于一體，讓學(xué)生能夠基于虛擬實驗平臺完成設(shè)計、施工等綜合實驗實踐環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了教學(xué)與科研的有機結(jié)合，為高端人才的培養(yǎng)提供了重要支撐。

3.3 聯(lián)合合作企業(yè)，構(gòu)建面向?qū)嶋H工程的虛擬仿真實驗平臺

依托于中國建筑工程總公司、中鐵大橋局集團(tuán)有限公司、柳州歐維姆機械股份有限公司、南京棲霞建設(shè)集團(tuán)等國內(nèi)土木行業(yè)知名企業(yè)，中心與其合作，將它們所完成的如港珠澳跨海大橋、滬通長江大橋、深圳大運會主體育館等大量國家重大工程項目轉(zhuǎn)化為一系列面向工程的虛擬仿真實驗項目。讓學(xué)生能過通過虛擬仿真實驗平臺，去體驗、經(jīng)歷、完成重大工程的各個重要環(huán)節(jié)，親身體會工程實踐的重要性，為今后的實際工作打下堅實的基礎(chǔ)。

3.4 充分利用學(xué)校實踐教學(xué)基礎(chǔ)

中心在優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)資源的同時，注重師資隊伍建設(shè)和管理體系建設(shè)。建立了由包含國家級教學(xué)名師、國家級教學(xué)團(tuán)隊引領(lǐng)的專職教學(xué)團(tuán)隊，并引入企業(yè)教師隊伍，確保專業(yè)教學(xué)和實驗指導(dǎo)順利開展，校內(nèi)師資與企業(yè)人員相互配合，內(nèi)引外聯(lián)，專兼結(jié)合，注重將專業(yè)科研以及虛擬仿真技術(shù)的成果應(yīng)用于實踐教學(xué)。在管理運行方面，建立了時間、空間、內(nèi)容“三維”開放的機制，以滿足不同個性、不同水平、不同專業(yè)學(xué)生的需求。

3.5 充分利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)

虛擬仿真實驗中心為土木工程專業(yè)的學(xué)生提供了多樣的實驗項目供選擇，資源共享，打破了專業(yè)實驗的限制，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。課程設(shè)置具有層次化、系列化、模塊化的特點，實驗體系連貫性強，可以擴(kuò)展學(xué)生的專業(yè)視野。這些教學(xué)和實踐項目讓“課堂成為實驗室”、“課外成為施工現(xiàn)場”，對土建類專業(yè)學(xué)生加深學(xué)科知識理解，親自操作完成復(fù)雜性高、專業(yè)性強、危險性高的專業(yè)技能提供了直觀、數(shù)字化、沉浸感的訓(xùn)練平臺。每年為全校土建類專業(yè)2 700余名學(xué)生共享。使得教學(xué)與實踐得到更緊密的結(jié)合，對加速培養(yǎng)高質(zhì)量的工程技術(shù)人才和專業(yè)研究人員將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

4 構(gòu)建虛擬實驗教學(xué)體系

中心確立了“立足教學(xué)、教研融合、面向工程、開放共享”的虛擬仿真實驗教學(xué)理念，旨在將虛擬實驗與真實實驗相互補充，將高水平的科研成果反哺實驗教學(xué), 將重大工程實踐轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，通過現(xiàn)代化信息手段和云資源庫建設(shè)，實現(xiàn)教學(xué)資源與仿真實驗的開放與共享，不斷提升學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

中心面向土木工程、建筑學(xué)、交通工程及其它相關(guān)專業(yè)，形成了“三層次、四模塊、五結(jié)合”的教學(xué)體系?！叭龑哟巍奔窗凑杖瞬排囵B(yǎng)需求與培養(yǎng)規(guī)律，將實驗教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、提高訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練；“四模塊”是按專業(yè)知識體系與工程實踐規(guī)律，包括土木工程設(shè)計、施工、管理、創(chuàng)新實踐四大模塊；“五結(jié)合”是與理論課程、與實體實驗、與科研成果、與實際工程及與企業(yè)實踐相結(jié)合。四大虛擬仿真實驗?zāi)K18門實驗課程支撐8門專業(yè)主干課程與12門實體實驗實踐課程，輻射其他16門專業(yè)課程，基本覆蓋了土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課(見圖1、2)。

圖1 實驗教學(xué)體系

圖2 虛擬仿真實驗平臺與理論及實體實驗課程關(guān)系

5 實驗教學(xué)成效

5.1 豐富實驗教學(xué)資源

在常規(guī)實驗之外，面向土木工程、建筑學(xué)、交通工程等專業(yè)，4個虛擬仿真實驗?zāi)K18門實驗課程70個實驗項目，每年為2 700多名學(xué)生開展虛擬仿真實驗教學(xué)工作。由于虛擬仿真實驗教學(xué)的開展，之前無法開展的真實實驗教學(xué)在虛擬教學(xué)中心得以實現(xiàn)，使土木工程專業(yè)實踐教學(xué)學(xué)時比例從2004年的19%上升到2013年的25%。

5.2 完善實驗教學(xué)體系

基于計算機虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的實驗平臺，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析、土木工程施工、土木工程管理等專業(yè)課程群中,在原有103項實體實驗與實踐項目基礎(chǔ)上，通過70項新增的虛擬仿真實驗，增加了過去無法進(jìn)行的實驗內(nèi)容。實現(xiàn)了基本原理的形象再現(xiàn)、創(chuàng)新實驗可操作，使基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新實驗?zāi)軌蚋鶕?jù)課程需要設(shè)置，使真實實驗與虛擬仿真實驗相互補充，從而形成了“基礎(chǔ)—提高—創(chuàng)新”三層次、完整的虛實結(jié)合的實踐教學(xué)體系，保證了適應(yīng)現(xiàn)代土木工程發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

5.3 提升學(xué)生信息化能力

通過虛擬仿真實驗教學(xué)，學(xué)生對于土木工程虛擬仿真設(shè)計與分析的常用軟件，如PKPM、ANSYS、ABAQUS、Midas等有了更直觀感性的認(rèn)識，基于這些軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、輔助設(shè)計、項目管理的能力得到了大幅提升。虛擬仿真實驗教學(xué)化抽象為具體，有效地激發(fā)了學(xué)生想象力，促進(jìn)了實踐創(chuàng)新，提升了學(xué)生的信息化應(yīng)用能力。近年來，我校學(xué)生在老師指導(dǎo)下，基于ANSYS及ABAQUS等大型有限元分析軟件，開展各種結(jié)構(gòu)模型仿真分析，在此基礎(chǔ)上制作實體模型，參加各種層次、類型的競賽，均取得了優(yōu)異成績(見圖3)。

圖3 東南大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽

5.4 增強創(chuàng)新實踐能力

中心重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，結(jié)合國家、省、校級大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，學(xué)生獲得一批有影響力的獎項。自2008年以來，土木工程專業(yè)學(xué)生獲批“國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”47項、“江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目”50項、“基于教師科研的大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目”29項、校/院級科研創(chuàng)新訓(xùn)練項目90余項/年，達(dá)到每名學(xué)生在大學(xué)四年期間至少完成1項科研創(chuàng)新訓(xùn)練項目，在以上項目的完成過程中，學(xué)生利用土木工程創(chuàng)新實踐虛擬仿真平臺進(jìn)行仿真分析。在全國結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑信息模型、力學(xué)、混凝土材料設(shè)計競賽等大賽中獲特等獎2項、一等獎14項、二等獎12項、三等獎18項，獲省部級競賽獎勵58項。授權(quán)多項國家發(fā)明專利及實用新型專利；每年參加“東南大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”的學(xué)生包括土木、交通、建筑、材料等專業(yè)的學(xué)生達(dá)1 500人以上，在模型設(shè)計過程中，依托土木工程創(chuàng)新實踐虛擬仿真平臺進(jìn)行模型的仿真分析。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊及重要論文集上發(fā)表論文50余篇，多次參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議及論壇并宣讀論文。學(xué)生以綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強，受到行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的好評；深造率保持在40%以上，校際交流的推薦免試研究生受到國內(nèi)頂尖學(xué)校的青睞。

5.5 提升專業(yè)建設(shè)水平

在本科教學(xué)質(zhì)量工程上，中心近年來成果顯著，土木工程專業(yè)和工程管理專業(yè)為國家級特色專業(yè)建設(shè)點，教育部綜合改革試點專業(yè)，國家級卓越工程師培養(yǎng)計劃專業(yè)；有 1個國家級教學(xué)團(tuán)隊，2個國家級工程實踐教育中心，1個國家大學(xué)生校外實踐教育基地；6門國家精品課程，5門國家級精品資源共享課立項建設(shè)課程，2本國家級精品教材，6種(10本)十二五國家級規(guī)劃教材；1名國家級教學(xué)名師，1名省級教學(xué)名師。

6 結(jié) 語

通過多年的建設(shè)，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心已經(jīng)成為由國家級教學(xué)團(tuán)隊及國家級教學(xué)名師負(fù)責(zé)規(guī)劃和建設(shè)，面向土木工程、工程管理2個國家級高等教育特色專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的實驗實踐教學(xué)基地，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”、“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計”、“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6門國家級精品課程和其他相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗教學(xué)，面向7個專業(yè)的學(xué)生開展創(chuàng)新訓(xùn)練。2014年，中心獲批為國家級土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

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[2] 教育部高教司．關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z]．教育部高教司函[2013]94號．

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Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Civil Engineering

XUMinga,XIONGHong-qib,WUGanga,ZONGZhou-honga,WANGFengb,SHUGan-pinga

(a. School of Civil Engineering; b. Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University, Nanjing 210096, China)

The virtual simulation experimental teaching is an important application of the information technology in higher education, and becomes an important part of educational informatization. According to the characteristics of the experimental teaching of civil engineering, the necessity of carrying out the virtual simulation experiment teaching of civil engineering is analyzed. Taking the construction of Virtual Experimental Teaching Center for Civil Engineering in Southeast University as an example, this paper analyzes the strengths and advantages of virtual simulation teaching in cultivation of talents of civil subjects in colleges and universities, and then elucidates the constructing idea of forming multi-layered and modularized virtual simulation experimental teaching system in Southeast University, for the purpose of cultivating practical ability of talents in various specialties. The promoting effect of virtual simulation experiment teaching to students' practical ability and innovation ability is discussed.

virtual simulation experiment; experimental teaching; civil engineering; laboratory construction

2015-03-25

2014年東南大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目(201427);東南大學(xué)實驗室建設(shè)與管理重點項目(2010-L005)

徐 明(1972-)，男，黑龍江大慶人，博士，研究員級高級工程師，土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心副主任, 主要研究方向為：實驗教學(xué)及技術(shù)。

Tel.：13601463343; E-mail:xuming@seu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0139-04