舒志樂，劉保縣，魏于航

(西華大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610039)

·實驗室建設與管理·

地方院校土木工程虛擬仿真中心建設實踐

舒志樂，劉?？h，魏于航

(西華大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610039)

土木工程實踐教學是對理論教學的一種補充和延續(xù)，僅靠傳統(tǒng)的教學方法和實驗設備無法達到預期的教學質量。該文從實驗交互平臺及教學與管理方面詳細介紹了土木工程虛擬仿真實驗教學體系的構建，形成了獨自特色的實驗教學體系、實驗教學方法、實驗室管理模式，提高了教學能力，拓寬了實踐范圍，并提出了相應的可持續(xù)發(fā)展方案。實踐證明，虛擬仿真實驗卻能彌補傳統(tǒng)實驗教學所無法解決的如實驗構件龐大，項目施工周期長，難重復之類的問題。

土木工程；虛擬仿真實驗；教學體系；可持續(xù)發(fā)展

土木工程是建立在工程實踐基礎之上的學科，實驗教學是專業(yè)教育必不可少的環(huán)節(jié)，是理論教學的一種延續(xù)，學生通過親歷實驗過程，能夠將所學的專業(yè)知識化為實踐技能。但傳統(tǒng)實驗受制于工程結構體量大(迪拜塔建筑高度超過800 m)、類型多、成本高(大型地震振動模擬臺造價上億元)，且施工過程周期長(普通的住宅樓施工工期大多也在一年以上)、難重復等特點，嚴重制約著實驗教學的順利開展和有限優(yōu)質教學資源的共享。 1989年美國弗吉尼亞大學威廉·沃爾夫提出了除理論和實驗之外的第3種設計手段和形式——虛擬仿真實驗，虛擬仿真實驗通過虛擬現(xiàn)實技術仿真或虛構某些情景能實現(xiàn)長周期、危險性大、材料消耗多等項目的虛擬實踐教學，展示不可視的結構和原理，有效加強了學生的實踐能力、綜合應用能力和創(chuàng)新能力。且其具有投入成本低、交互性好、操作安全、高度開放和資源共享等特點，已逐步成為現(xiàn)實實驗的完美補充和完善[1]。

1 土木工程虛擬仿真實驗教學體系的構建思路

土木工程專業(yè)實踐性強、工程能力培養(yǎng)要求高，一些理論知識概括抽象，其基本原理難以在現(xiàn)實世界直觀展示；或是理論體系縝密，關系脈絡復雜，學生缺乏對知識體系整體的構建能力；抑或是實驗構件大及加載設備體量大，操作困難，實驗環(huán)境惡劣，缺乏讓學生動手實踐的條件。為有效解決抽象理論與學生工程化培養(yǎng)的矛盾，提高實驗的安全性和實訓效果，以網(wǎng)絡、BIM技術、數(shù)據(jù)庫和虛擬現(xiàn)實技術構建具有高度直觀性、真實感和精確性的虛擬仿真平臺有著其他教學環(huán)節(jié)所不能替代的獨特作用。西華大學土木工程虛擬仿真中心秉承“科學規(guī)劃，虛實結合，積極引進，重點突出，適當超前，持續(xù)發(fā)展”的建設理念，以促進學生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為宗旨，遵循土木工程類各學科專業(yè)教學規(guī)律和要求，擇優(yōu)選擇實驗難度大、實驗環(huán)境惡劣、專業(yè)理論性強的實驗項目，以建設信息化實驗教學資源為重點，以創(chuàng)新性工程應用與研究型土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)為根本，整合校內、校際、校企優(yōu)質虛擬實驗教學資源，構建大平臺、大數(shù)據(jù)、跨專業(yè)共建、多學科協(xié)同創(chuàng)新的一體化實驗中心設計框架，系統(tǒng)規(guī)劃了“驗證性實驗”“綜合、設計性實驗”和“自主創(chuàng)新”3個層次的虛擬仿真實驗教學資源，分設“建筑工程虛擬設計與建造虛擬仿真實驗模塊”“道路與橋梁工程虛擬設計與建造實驗模塊”“巖土與地下結構虛擬仿真實驗模塊”和“市政工程虛擬仿真實驗模塊”4個教學模塊，分別從“理論教學”“實踐教學”和“科研運用”3個方面，對學生進行課程教學，最大程度培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，如圖1所示。實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)互通、教學創(chuàng)新、技術領先、人才培養(yǎng)等目的，打造高水平實驗教學和管理隊伍，探索虛擬仿真實驗教學保障機制和教學效果考核、評價、反饋機制，建成“大土木”特色鮮明的土木虛擬仿真實驗教學中心，實現(xiàn)優(yōu)質實驗教學資源的高度共享，為土木工程人才培養(yǎng)質量的持續(xù)提升提供堅實保障[2]。

圖1 土木工程虛擬仿真實驗教學體系框架圖

2 土木工程虛擬仿真實驗教學體系的構建

2.1 以專業(yè)軟件為支撐的實驗項目交互平臺的構建

以專業(yè)軟件為支撐的項目交互平臺主要涉及土木工程、給排水科學與工程、建筑環(huán)境與能源工程應用、風景園林、工程造價和工程管理6個專業(yè)的虛擬仿真實驗教學任務。平臺著眼于綠色產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，以綠色建筑、建筑信息化、新型工業(yè)化等技術為向導，以促進學生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為宗旨，遵循土建類各學科專業(yè)教學規(guī)律和要求，內容涵蓋4大模塊，且每個模塊下均設有子模塊，構成完整的土木工程虛擬仿真實驗教學體系[3]。

1)建筑工程虛擬設計與建造虛擬仿真實驗模塊。

該模塊包含混凝土結構設計原理、工程測量實驗、工程結構抗震與防災、結構力學、土木工程材料和工程項目管理等課程，以PKPM、SAP2000、MIDAS、ANSYS、結構力學求解器及自主研發(fā)的結構拓撲優(yōu)化等專業(yè)軟件為基礎，結合Revit、Naviswork、工程造價軟件、項目管理等軟件系統(tǒng)與中心自主建設的實驗資源構建而成，其下設的子模塊及其所設置的實驗項目詳細如圖2所示[4]。工程測量仿真平臺能模擬各種場地條件，能模擬場地平整、施工放樣、竣工驗收等多個環(huán)節(jié)，逼真地展現(xiàn)了工程測量課程中主要實驗項目的操作過程。結構設計平臺從概念設計到虛擬仿真計算，并根據(jù)計算結果對概念設計進行優(yōu)化，加強對結構整體受力特性的把握，不斷提高學生比較、觀察和綜合分析問題的能力。土木工程施工及項目管理平臺改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式，仿真模擬建筑工程施工全過程，特別是施工周期長、難度大、隱蔽性高的項目過程。

圖2 建筑工程虛擬設計與建造虛擬仿真實驗模塊的組成

2)道路與橋梁工程虛擬設計與建造實驗模塊。

該模塊主要包括公路勘測設計、城市道路設計、橋梁工程、土木工程施工、橋梁結構抗震與防災、工程項目管理等課程，以BridgeMaster、Dr.Bridge、MIDAS、ANSYS等專業(yè)軟件為基礎，以圖庫管理和工程數(shù)據(jù)管理兩個模塊為核心，由地形圖處理、路線設計、交叉設計、工程結構物設計、工程量統(tǒng)計模塊、圖表生成與管理等組成，如圖3所示。道路勘測設計平臺將地形、地質資料集成為數(shù)字化、一體化、可視化界面，根據(jù)規(guī)范符合性檢驗和方案合理性分析等測試結果，在眾多個比選方案中選擇出最優(yōu)的方案，并可同步生成三維可視化的模型效果，給學生帶來“身臨其境”的感覺。施工平臺可以讓學生對暗浜處理、水泥穩(wěn)定碎石施工、瀝青混凝土施工和井道路附屬結構施工、橋面鋪裝層施工有較為深入的認識，在虛擬環(huán)境中操作可直觀全面掌握施工過程，對墩臺、板梁、路基防護與支擋、瀝青混凝土路面和路橋附屬結構施工過程有較為清楚的認識，為后續(xù)參加相關的課程理論學習和實踐學習打下堅實的基礎[5]。

圖3 道路與橋梁工程虛擬設計與建造實驗模塊的組成

3)巖土與地下結構虛擬仿真實驗模塊。

該模塊主要包括土力學、基礎工程、原位測試與監(jiān)測、地下結構設計原理、地下工程施工等課程。用計算機模擬的智能儀器代替構件大、成本高、易損壞、難重復的試驗儀器，通過虛擬儀器來代替常規(guī)的、擴展的儀器的功能，基于虛擬現(xiàn)實思想開發(fā)三軸試驗儀器，利用基于參數(shù)化的動態(tài)實時仿真過程來演示土木工程施工過程和工程建設項目管理過程等，如圖4所示。使學生能夠更加有效地把控整個項目實施流程，并可以實時調整項目參數(shù)，將理論知識與項目操作實時結合起來[6]。

圖4 巖土與地下結構虛擬仿真實驗模塊的組成

4)市政工程虛擬仿真實驗模塊。

該模塊主要包括空氣調節(jié)、制冷技術、建筑環(huán)境學、給排水工程等課程，由CFD模擬軟件(Fluent及FDS)、能耗分析及采光軟件Designbuilder、系統(tǒng)動態(tài)仿真模擬軟件Trnsys組成，如圖5所示，不僅可以讓學生更多的了解建筑微氣候，空調系統(tǒng)的運行狀況，掌握相關的專業(yè)軟件的應用技能，對綠色建筑有更直觀的認識，還能對自己在未來工作中扮演的角色有更深刻的理解[7]。

圖5 市政工程虛擬仿真實驗模塊的組成

2.2 實驗教學與管理平臺的構建

2.2.1 虛擬仿真實驗教學隊伍的搭建

2.2.2 虛擬仿真實驗教學中心的管理體系

1)組織建設。

虛擬仿真實驗教學平臺的運行離不開一個好的管理體系，本文將此平臺模式分為校、院兩級，如圖6所示。學校資產(chǎn)與設備管理處負責常規(guī)業(yè)務，同時對平臺進行宏觀指導等。建筑與土木工程學院負責人事，行政管理，教學計劃制定并對各項計劃進行定期考核等。仿真實驗教學平臺中心在完成自身規(guī)劃發(fā)展同時，還應包括制定近期教學任務、長期發(fā)展計劃等，同時負責自身師資力量建設。教學中心工作人員均需通過公開招聘上崗，擇優(yōu)錄用。組建專門的管理會，對中心實驗教學項目開展進度，新的創(chuàng)新項目組織規(guī)劃，實驗設備儀器建設等事項等情況進行監(jiān)督考核[9]。

圖6 土木工程虛擬仿真實驗教學中心管理模式

2)制度建設。

實驗中心應根據(jù)國家相關部門指導規(guī)則制定一系列除了教學質量，還要針對實驗教學中心的環(huán)境與安全、儀器設備的維修、報廢等管理制度，使教學中心不僅在教學質量上越來越高，同時在制度建設上也要做到有章可循，越來越規(guī)范化和科學化。

3)管理規(guī)范建設。

為落實教學中心管理規(guī)章的執(zhí)行效果，首先需設立教學監(jiān)督組，同時制定針對教學體系和教師質量詳細的考評辦法，形成一套完善的教學質量監(jiān)督體系[10]。

教學監(jiān)督組由在職教師或有相關工作經(jīng)驗教師組成，負責對教學質量的監(jiān)督，可以現(xiàn)場征求教師及學生對教學體系，教學方法等工作的看法，并形成報告，最后可對報告相應情況提出評價和意見。教學考評，主要是明確各個崗位的職責和目標，要求對所以崗位工作人員都要進行年考制度。教師測評制度主要包括教師互相聽課、定期抽查、期末總結和教學反饋等。年終由監(jiān)督組對全體教師及工作人員進行年終考核，對優(yōu)秀工作者進行評優(yōu)獎勵。

3 土木工程虛擬仿真實驗教學體系的可持續(xù)發(fā)展

3.1 加強實驗項目交互平臺的創(chuàng)新建設

以專業(yè)軟件為主的實驗項目交互平臺作為土木工程虛擬仿真實驗教學體系的載體，是該教學體系得以可持續(xù)發(fā)展的根本。故若要實現(xiàn)教學體系的可持續(xù)發(fā)展，則必須時刻保持該交互平臺的與時俱進，從軟硬件設施、功能、內容等各方面加強創(chuàng)新性建設。具體可從以下3個方面著手。

1)拓展實驗內容。

在現(xiàn)有的實驗項目基礎上，根據(jù)自身特點和條件，創(chuàng)新和完善實驗教學內容，保證實驗教學課程的全面性和與時俱進。

2)加強資源的自主研究與創(chuàng)新建設。

如今高校實驗教學資源匱乏，教學資源渠道主要來源于市場購買，這對教學目標所倡導的長期發(fā)展存在著一定的差異，所以需要加強對教學資源的自主研發(fā)和創(chuàng)新，豐富教學內容，提升自身水平，做到從源頭的可持續(xù)發(fā)展。

3)增強校企合作。

發(fā)揮學校學科專業(yè)優(yōu)勢，建立校企聯(lián)合培養(yǎng)體，探索與土建行業(yè)信息化軟件標桿企業(yè)、設計標桿企業(yè)和施工標桿企業(yè)的合作，提供更多的教學途徑和方式。積極尋找更高效的校企可持續(xù)合作模式，充分利用企業(yè)平臺和教學資源，最終達到提高教學能力，拓寬實踐范圍。

3.2 深化資源共享的建設

要使得虛擬仿真實驗教學體系得到更長久的發(fā)展，并最大限度地發(fā)揮其在教學上的作用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，則必須加強各個地區(qū)高校之間的資源交流，建立一個可以實現(xiàn)資源共享和共同管理的教學平臺，真正地實現(xiàn)資源共享，滿足虛擬仿真教學體系建設的各方面對理論、軟件和儀器等的需求。

1)提高資源建設的協(xié)調與協(xié)作。

目前，我國資源評價與協(xié)調體系缺乏，使得高校之間沒有更多的交流平臺和體系，據(jù)有關資料顯示，很多高校存在著教學機制不完善，教學質量達不到仿真實驗教學要求的現(xiàn)象，相互之間缺乏協(xié)調與交流，這又造成了重復建設、創(chuàng)新點少、進步較慢的現(xiàn)象。故建立高效的互助協(xié)作管理機制，是提高資源建設的協(xié)調與協(xié)作，加快資源轉換效率的有效途徑。

2)構建統(tǒng)一的技術標準和規(guī)范要求。

目前虛擬仿真實驗教學管理體系上沒有統(tǒng)一的標準，其中的組織構架、項目模塊等均有各個的特點，相互對接存在障礙。這對各高校之間的資源共享鑄成了一道難以突破的屏障，從而導致資源無法最大限度地實現(xiàn)共享，間接導致了資源的重復建設及資源的浪費，故建立資源開發(fā)和開放統(tǒng)一標準是實現(xiàn)資源共享及虛擬仿真實驗教學可持續(xù)發(fā)展的一項基礎性建設工程。

3)加強行業(yè)內高校間資源共享。

地方院校缺乏虛擬仿真教學中心建設和管理經(jīng)驗，可以與已經(jīng)發(fā)展成熟的虛擬仿真教學中心院校(如北京郵電大學、天津大學等)建立長期合作項目(如參加并積極主辦教學研討會，邀請國內外專家參加本中心示范教學，開放本中心研究成果和精品教學資源等)[11]。

4)加強社會資源共享。

對行業(yè)內相關專業(yè)集團公司開放共享資源學習，提供職工教學培訓，并可對集團公司項目建設提供技術支持。對同等發(fā)展中院校提供相應的參觀交流，以及師資隊伍培訓，開放學術研究成果。

3.3 加強保障性資源的建設

虛擬仿真實驗教學的運行離不開好的管理機制作為其得以施行的保障，故若需實現(xiàn)教學體系的可持續(xù)發(fā)展就必須不斷加強對管理平臺的建設，還需要對資源管理體系進行不斷優(yōu)化。

要實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學的可持續(xù)發(fā)展，其中對外教學資源共享是關鍵的一步，而一個強大的資源共享平臺不僅需要資金的投入，還需要維護和發(fā)展人員作為人才保障。故在此基礎上還要建立相應的經(jīng)費和人員機制，盡最大可能利用社會資源、社會服務、高校資源，共同發(fā)展教學體制的建設。

4 虛擬仿真實驗教學中心特色與創(chuàng)新

西華大學虛擬仿真實驗教學中心在建設發(fā)展過程中，通過不斷的探索和完善，形成了獨自特色的實驗教學體系、實驗教學方法、實驗室管理模式，具體體現(xiàn)在以下4個方面。

1)構建了多專業(yè)、多層次的虛擬仿真教學模塊，適應不同專業(yè)、不同層次人才培養(yǎng)需要。

2)構建了新型完整的建筑與土木工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學模式，如BIM實驗室教學。

3)構建了“開放式、創(chuàng)新型”的虛擬仿真實驗教學平臺。

4)實驗中心充分利用學院科研條件，在科教融合方面形成了自身的特色。中心建立教學與科研互補共享機制，形成虛擬仿真教研共享平臺。

5 結束語

土木工程虛擬仿真實驗教學體系可承擔土木工程及相關6個專業(yè)的實驗教學任務，內容涵蓋建筑工程虛擬設計與建造、道路與橋梁工程、巖土與地下工程、市政工程4大模塊。但現(xiàn)行的土木工程虛擬仿真實驗教學仍處于起步階段，尚需在建設過程中發(fā)現(xiàn)問題，深入思考，積極探索，方可不斷推進虛擬仿真實驗教學體系的可持續(xù)發(fā)展。

[1]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].[2016-02-11].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/ 201506/t20150618_190671.html.

[2]李萍，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):5-825.

[3]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):5-8.

[4]馮峰，孫聰，曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發(fā)展[J].實驗技術與管理，2014，31(12):11-14.

[5]李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014，31(2):5-8.

[6]蒲丹，周舟，任安杰.多層次綜合性虛擬仿真實驗教學中心建 設 經(jīng) 驗 初 探[J].實驗 技 術 與 管 理，2014，31(3):5-8.

[7]許秀云，張玉梁.依托現(xiàn)代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011，30(5)：130-132.

[8]黃金魯克.2013 地平線報告：信息技術挑戰(zhàn)催生高教變革[N].中國教育報，2013-05-10(2).

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[10]王基生，于平太，李瑩.虛擬實驗平臺開發(fā)和應用的理性思考[J].現(xiàn)代教育技術，2010(2)：136-139.

[11]馬文頂,吳作武,萬志軍,等.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理,2014(9):14-18.

ConstructionPracticeofVirtualSimulationCenterofCivilEngineeringinLocalCollegesandUniversities

SHU Zhile,LIU Baoxian ,WEI Yuhang

(Architectural and Civil Engineering of XHU University，Chengdu 610039,China)

The practice teaching of civil engineering is a supplement and continuation of theoretical teaching，experimental teaching is a necessary means to combine theory with practice，relying on traditional teaching methods and experimental equipment can not achieve the expected quality of teaching.This paper introduces the construction of virtual simulation experiment system of civil engineering from experimental interactive platform and teaching and management.Formed a unique experimental teaching system，experimental teaching methods，laboratory management model，improve the teaching ability，broaden the scope of practice，and put forward the corresponding sustainable development program.The virtual simulation experiment can make up for the problems that the traditional experiment teaching can’t solve，such as the huge experimental components，the project construction period is long，difficult to repeat the problem.

civil engineering;virtual simulation experiment;teaching system；sustainable development

2016-03-16；修改日期:2016-05-18

四川省教育廳教改項目(05020670)；西華大學“教學師資支持計劃(21050013)。

舒志樂(1976-)，男，博士，副教授，主要從事土木工程方面的教學與研究。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.040