王淑嬙 賀行洋 鄒貽權(quán)

摘要：湖北工業(yè)大學(xué)國家級土木工程與建筑實驗教學(xué)示范中心在發(fā)展過程中十分重視虛擬仿真實驗教學(xué)資源的內(nèi)涵建設(shè)，以工程教育的CDIO模式為指導(dǎo)，在開放的實驗教學(xué)體系下，探索教學(xué)資源建設(shè)的流程和轉(zhuǎn)化途徑，持續(xù)增加虛擬仿真實驗項目，并對其內(nèi)容進行不斷改善和優(yōu)化，以達到提高實驗教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實驗教學(xué)；教學(xué)資源；土木工程與建筑

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0159-07

虛擬仿真實驗是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，在學(xué)科建設(shè)發(fā)展、國家政策驅(qū)動和信息技術(shù)支持的三重推動下，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)進程加快。各大高校在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)、實驗教學(xué)資源建設(shè)和實驗教學(xué)隊伍建設(shè)及優(yōu)質(zhì)資源共享等方面開展了大量探索實踐。其中，信息化實驗教學(xué)資源建設(shè)是核心，是影響實驗教學(xué)效果的根本，因此加強教學(xué)資源內(nèi)涵建設(shè)是當(dāng)前的重要任務(wù)。

目前，土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)存在的主要問題有：（1）缺乏頂層設(shè)計，沒有充分論證理論課程和實驗課程之間的關(guān)系，未理清仿真實驗與實體實驗的關(guān)系，導(dǎo)致理論教學(xué)和實驗教學(xué)脫節(jié)[1-3]；（2）從實驗類型看，演示型實驗和驗證型實驗較多，綜合設(shè)計型和研究創(chuàng)新型實驗較少。實驗結(jié)果唯一，真正的交互性實驗很少[4-5]；（3）未體現(xiàn)持續(xù)改進思想，不注重過程質(zhì)量和效果質(zhì)量的控制與分析[6]。

湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑實驗教學(xué)中心的建設(shè)是在新型建筑工業(yè)化、建筑信息化、綠色化大背景下實施的[7]，中心以土木建筑與環(huán)境學(xué)院為依托，設(shè)有實體實驗教學(xué)分中心和虛擬仿真實驗教學(xué)分中心，面向全校共計14個本科專業(yè)開展實驗教學(xué)和科學(xué)研究，為學(xué)生綜合能力培養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐及教師科學(xué)研究提供了有力支撐，2015年被評為國家級實驗教學(xué)示范中心。在“4-4-12-X”的開放式實驗教學(xué)體系下[8]，以工程教育的CDIO模式為指導(dǎo)[9-10]，不斷改進和優(yōu)化實驗資源，在虛擬仿真實驗資源建設(shè)方面積累了一定的經(jīng)驗。

一、土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)的流程和途徑

（一） 土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)流程

為防止虛擬仿真實驗項目開發(fā)的盲目性，必須強調(diào)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)的體系化，重視前期論證。全過程遵循工程教育的CDIO模式，以構(gòu)思（Conceive）-設(shè)計（Design）-實施（Implement）-運作（Operate）理念為指導(dǎo)。在“4-4-12-X”的開放式實驗教學(xué)體系中設(shè)置了不同層次，面向不同專業(yè)，難易程度各異的實驗項目。為適應(yīng)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和學(xué)科發(fā)展，各模塊下的實驗項目可以逐漸拓展或動態(tài)改進，今后還可在各實驗?zāi)K基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，切實提高虛擬仿真實驗項目的質(zhì)量[8]。虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)流程如圖1所示。

（1）在構(gòu)思階段，主要解決必要性問題。充分論證理論課程和實驗課程的關(guān)系，包括對應(yīng)知識點、實驗展開方式和手段、對應(yīng)課時數(shù)等。堅持“能實不虛、虛實互補和虛實結(jié)合”的原則，論證虛擬仿真實驗是否有必要，包括實驗虛擬化需求論證和與實體實驗之間的關(guān)系論證。實體實驗關(guān)系論證包括先后關(guān)系、驗證關(guān)系、仿真關(guān)系和改善效果。根據(jù)學(xué)科特點，理順虛擬實驗和實體實驗的關(guān)系，部分實驗項目先開展虛擬仿真實驗教學(xué)，待學(xué)生對工藝、流程和工法了解后再進入實體實驗環(huán)境；部分實驗先開展虛擬仿真實驗，然后通過實體實驗進行驗證；對于實驗教學(xué)過程中存在的實體實驗不具備或難以完成，或部分實體實驗教學(xué)效果不佳的情況開展虛擬實驗。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)與真實的實驗環(huán)境和實驗操作相互補充，激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣，提升土木工程與建筑實驗教學(xué)質(zhì)量。

（2）在設(shè)計階段，主要解決可行性問題。專業(yè)教師進行虛擬仿真實驗設(shè)計，重點包括實驗教學(xué)目標(biāo)、實驗內(nèi)容、具體任務(wù)和實施路徑等，由同行和專家對實驗內(nèi)容進行論證，對內(nèi)容、方法和手段進行優(yōu)化和改進；由軟件開發(fā)商進行經(jīng)濟和技術(shù)可行性論證。多方聯(lián)合論證保證了擬開發(fā)虛擬仿真實驗項目內(nèi)容的科學(xué)性、經(jīng)濟的合理性和技術(shù)的可行性。

（3）在開發(fā)和運行階段，主要完成項目實施和運作優(yōu)化。如果教師具備虛擬仿真實驗開發(fā)的能力，則可獨立完成開發(fā)、調(diào)試和運行優(yōu)化工作；必要時可與軟件開發(fā)商合作寫實驗?zāi)_本、開發(fā)虛擬仿真實驗。在運行階段，注重學(xué)生實驗過程體驗及意見反饋，為優(yōu)化實驗項目提供參考。

（二） 土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源轉(zhuǎn)化途徑

在虛擬仿真實驗教學(xué)資源持續(xù)建設(shè)中發(fā)現(xiàn)，已完成的虛擬仿真實驗大部分為演示型和驗證型實驗，實驗操作流程簡單，實驗結(jié)果單一，多為學(xué)科基礎(chǔ)實驗或?qū)I(yè)應(yīng)用類實驗。綜合設(shè)計型實驗和研究創(chuàng)新型實驗是一種交互性較強的實驗，輸入不同的實驗條件或約束因素，得出不同的結(jié)果，學(xué)生可以根據(jù)不同結(jié)果結(jié)合所學(xué)理論知識進行原因分析，并將這一能動思維過程反映在實驗分析報告中，以全面提升實驗教學(xué)資源質(zhì)量。

近年來，中心通過積極開發(fā)特色實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神、交流溝通能力和責(zé)任感。特色創(chuàng)新類實驗項目具有前瞻性強、邏輯設(shè)計復(fù)雜、專業(yè)性強等特點，主要以教師科研成果、教學(xué)研究成果、特色工程實踐、關(guān)聯(lián)知識點集成為素材，采用典型案例開發(fā)、實驗單元集成、實驗專題規(guī)劃等建設(shè)方式轉(zhuǎn)化成實驗教學(xué)項目，這些實驗項目主要依靠自主研發(fā)、合作開發(fā)和購置成熟軟件的途徑完成。虛擬仿真實驗教學(xué)資源轉(zhuǎn)化途徑如圖2所示。

二、土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)主要內(nèi)容

截止2015年底，中心已開展虛擬仿真實驗16項。2016年至今，中心通過上述資源轉(zhuǎn)化途徑新增虛擬仿真項目5個，分屬于“4-4-12-X”體系下的不同模塊，項目信息如表1所示。

（一）盾構(gòu)機工作過程仿真實驗

中國隧道工程和地鐵工程數(shù)量劇增，大型機械設(shè)備——盾構(gòu)機的應(yīng)用日益廣泛，由于盾構(gòu)機價格昂貴且工作環(huán)境復(fù)雜、不安全，所以在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生只能從課本中接觸到有限的信息，對其結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理和作業(yè)過程了解甚少，因此開發(fā)盾構(gòu)機工作過程仿真實驗，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中了解盾構(gòu)機主要部件組成、下井拼裝過程和施工過程。

（1）盾構(gòu)機整體結(jié)構(gòu)認知仿真實驗中，盾構(gòu)機的每個主要部件在點擊后有名稱、型號、尺寸、功能等屬性，通過全方位旋轉(zhuǎn)并點擊來學(xué)習(xí)認識盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)。

（2）盾構(gòu)機組裝過程仿真實驗中，學(xué)生可以了解盾構(gòu)機下井組裝全過程，包括鋪設(shè)軌道，車架依次下放，螺旋安裝機輸送，前體、中體、刀盤、管片安裝機、盾尾等部件的拼接。

（3）盾構(gòu)機施工過程仿真實驗中，讓學(xué)生認識盾構(gòu)機施工掘進過程，主要包括挖土、運土、管片運輸、管片拼裝等施工全過程。

盾構(gòu)機工作過程虛擬仿真實驗分為學(xué)習(xí)和考核兩大模塊，如圖3所示，分別包含了認知結(jié)構(gòu)、下井組裝和施工過程模擬三方面的內(nèi)容。

（二）預(yù)制梁生產(chǎn)管理仿真實驗

預(yù)制梁作為道路和橋梁的基本組成單元需求巨大，梁場生產(chǎn)計劃安排與施工進度安排緊密相關(guān)。學(xué)生去預(yù)制梁生產(chǎn)及施工現(xiàn)場機會較少，對于制梁、存梁和架梁全過程缺乏系統(tǒng)認識，不清楚預(yù)制梁施工計劃與生產(chǎn)計劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為此，開發(fā)預(yù)制梁生產(chǎn)管理仿真實驗，如圖4所示。

（1）制梁流程虛擬仿真實驗中，可以模擬從模板工程、鋼筋工程、混凝土工程到最后的養(yǎng)護以及張拉工程的所有步驟，讓學(xué)生熟悉施工工序和各工種之間的關(guān)系。

（2）架梁施工過程虛擬仿真實驗中，讓學(xué)生能夠了解成品梁是按照怎樣的方式進行架梁的，從而學(xué)習(xí)架梁的方法，了解其工序。

（3）預(yù)制梁生產(chǎn)計劃虛擬仿真實驗中，根據(jù)實驗背景合理安排生產(chǎn)計劃，根據(jù)施工順序，倒推預(yù)制梁生產(chǎn)計劃；提取生產(chǎn)時間影響因素，編制參數(shù)化計算公式，按制梁工藝對生產(chǎn)計劃時間倒推，進行交互性實驗操作，使學(xué)生掌握施工進度與生產(chǎn)進度直接的邏輯關(guān)系。

該實驗由科研項目成果轉(zhuǎn)化形成，不同專業(yè)對應(yīng)的課時數(shù)不同。對于路橋?qū)I(yè)的學(xué)生掌握制梁和架梁全過程即達到實驗?zāi)康?。對于工程管理專業(yè)的學(xué)生在了解全過程的基礎(chǔ)上，要完成預(yù)制梁生產(chǎn)計劃虛擬仿真實驗，掌握施工進度與生產(chǎn)進度的關(guān)聯(lián)。

（三） PC構(gòu)件生產(chǎn)流程虛擬仿真實驗

目前大型裝配式建筑生產(chǎn)實習(xí)實訓(xùn)基地較少，學(xué)生實踐環(huán)節(jié)不好展開。PC構(gòu)件生產(chǎn)在廠房進行，學(xué)生在生產(chǎn)現(xiàn)場實踐存在諸多安全隱患，并且走馬觀花式地參觀實踐效果差，學(xué)生難以從系統(tǒng)角度發(fā)現(xiàn)問題，不利于主動思考，因此，開發(fā)交互式PC構(gòu)件生產(chǎn)流程虛擬仿真實驗項目十分必要。

（1）PC構(gòu)件生產(chǎn)廠區(qū)布局和生產(chǎn)線仿真：以某PC構(gòu)件廠為例，構(gòu)建了PC構(gòu)件生產(chǎn)廠區(qū)布局和生產(chǎn)線仿真模型，為實驗項目的展開提供廠區(qū)生產(chǎn)環(huán)境。

（2）不同方案生產(chǎn)流程仿真：在環(huán)形生產(chǎn)線中模擬工位固定模臺按固定節(jié)拍輪轉(zhuǎn)的生產(chǎn)方式，根據(jù)模臺上構(gòu)件的數(shù)量和類型又采用不同的生產(chǎn)方案，如單構(gòu)件單線體生產(chǎn)、雙構(gòu)件單線體生產(chǎn)和多構(gòu)件多線體生產(chǎn)。

（3）交互式參數(shù)設(shè)置：PC構(gòu)件生產(chǎn)線進行模擬仿真需要對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，根據(jù)前期實地調(diào)研及PC工廠設(shè)計數(shù)據(jù)綜合分析得出。基本參數(shù)包括工位流水節(jié)拍、構(gòu)件傳送速度、構(gòu)件尺寸及種類、機械參數(shù)、人工參數(shù)等，在實驗過程中每種參數(shù)及變量都可以根據(jù)實際情況進行更改。

（4）實驗結(jié)果輸出：實驗項目的邏輯關(guān)系、參數(shù)設(shè)定好后，通過運行仿真模型的方式在二維或三維環(huán)境中直觀查看生產(chǎn)線的運行和模臺上構(gòu)件的組合情況，查看單個或多個構(gòu)件動態(tài)生產(chǎn)信息，如圖5所示。實驗過程中的數(shù)據(jù)都能以圖表的形式輸出，方便學(xué)生分析實驗結(jié)果，填寫實驗報告。

（四） 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌虛擬仿真實驗

近年來，結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌問題受到工程界廣泛關(guān)注，并成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程和防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要研究前沿，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生只能對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌有一個表面認識，難以對連續(xù)倒塌過程有直觀了解，對以拆除構(gòu)件法為代表的抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法缺乏深入理解。

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程若通過實驗室試驗進行模擬，存在成本高、過程復(fù)雜、可重復(fù)性差，危險性大等諸多問題，難以在教學(xué)中實施。借助物理引擎、3D可視化等技術(shù)，開展了結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的虛擬仿真實驗，該實驗還涉及基于拆除構(gòu)件法的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌實驗和地震作用下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌實驗。學(xué)生對結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程和抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法有更直觀的認識，增強了學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，實驗界面如圖6所示。

（五）橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實驗

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般要進行構(gòu)件尺寸和形狀的優(yōu)化，而在實際教學(xué)中，學(xué)生只能從課本中接觸到關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限信息，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)也只能使學(xué)生對各種橋梁結(jié)構(gòu)有一個表面認知，并不能從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度更為深入地認識橋梁。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是以最少的材料、最低的造價、最簡單的工藝，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能，包括強度、剛度和穩(wěn)定性。該實驗主要是讓學(xué)生了解從形狀及尺寸的優(yōu)化會對結(jié)構(gòu)承載能力產(chǎn)生的影響，讓學(xué)生對橋梁結(jié)構(gòu)型式有較為深入的認識，并通過在虛擬環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載，理解各種橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實驗中，橋梁結(jié)構(gòu)可以按照優(yōu)化意圖進行組裝，操作人員可以從任意位置和角度觀察橋梁結(jié)構(gòu)，任意改變構(gòu)件的尺寸和形式，進行虛擬加載實驗，從而得到最優(yōu)的構(gòu)件尺寸和形式，實驗界面如圖7所示。

三、土建類虛擬仿真實驗教學(xué)資源的利用與持續(xù)改進

中心面向土木工程相關(guān)專業(yè)已開設(shè)22項虛擬仿真實驗，其中演示型實驗和驗證型實驗共12項，綜合設(shè)計型實驗6項，研究創(chuàng)新型實驗6項，還有5項創(chuàng)新型實驗項目正在開發(fā)中。自2015年起中心明確要求已開發(fā)完成的虛擬仿真實驗項目寫進相關(guān)課程教學(xué)計劃，并編制完整的實驗大綱、指導(dǎo)手冊、實驗報告評分標(biāo)準(zhǔn)及考核知識點。每年每門虛擬仿真實驗課程約有100余人參加。實驗課程開展后，教師根據(jù)學(xué)生的反饋意見以及對實驗報告的深度分析，改進、優(yōu)化實驗。

在實驗教學(xué)過程中，總結(jié)學(xué)生的實驗反饋意見發(fā)現(xiàn)，演示型實驗和驗證型實驗較為成熟，無論是練習(xí)模塊還是考試模塊都能穩(wěn)定運行，學(xué)生參與度高，能很好地輔助理論教學(xué)。工程實踐項目或科研項目轉(zhuǎn)化而成的創(chuàng)新型實驗還有待完善，歸納如下。

（1）在盾構(gòu)機工作過程仿真實驗中，路橋?qū)I(yè)的學(xué)生提出希望今后將盾構(gòu)機掘進過程與開挖土體的性質(zhì)結(jié)合起來。（2）預(yù)制梁生產(chǎn)計劃虛擬仿真實驗中，學(xué)生反饋輸入的變量較多，邏輯關(guān)系弄清楚需要更多的實驗課時數(shù)，希望減少變量的數(shù)量或增加實驗課時數(shù)。（3）在橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬仿真實驗中，學(xué)生希望在練習(xí)模塊增加文字解釋，以便更好地理解每種場景下的結(jié)構(gòu)形式。綜合上述反饋、學(xué)生實驗過程記錄和實驗報告，進一步完善實驗相關(guān)內(nèi)容，增強實驗交互性和界面的友好性，以不斷提高實驗教學(xué)的效果。

四、結(jié)語

優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的建設(shè)要有先進的理念作指導(dǎo)，形成科學(xué)的立項流程及可持續(xù)的轉(zhuǎn)化途徑，不斷整改和優(yōu)化實驗內(nèi)容，以提高實驗教學(xué)質(zhì)量。在滿足校內(nèi)實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，中心積極擴大教學(xué)資源的共享范圍，通過培訓(xùn)、沙龍、競賽、夏（冬）令營、Workshop等多種形式展開與其他高?；蚱髽I(yè)的交流，互通有無，取長補短。目前優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源已實現(xiàn)全國8所院校、多家行業(yè)企業(yè)間的共享，為推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)中心建設(shè)做出了有益的探索。

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Abstract： In the course of its development， the National Demonstration Center for Experimental Civil Engineering and Architecture Education of Hubei University of Technology attaches great importance to the connotation construction of virtual simulation experimental teaching resources. Under the guidance of the CDIO （Conceive-Design-Implement-Operate） model of engineering education and the open experimental teaching system， it explores the process and transformation approach of teaching resources construction， continues to increase the number of virtual simulation projects， and continues to improve and optimize their contents， to achieve the purpose of improving the effect of experimental teaching.

Key words： virtual simulation； experimental teaching； teaching resource； civil engineering and architecture

（責(zé)任編輯 梁遠華）