何春木 林法力

摘 要 結(jié)合道路養(yǎng)護與管理、橋梁檢測與加固等課程的特點，分析開發(fā)虛擬仿真實驗的必要性。校企聯(lián)合方式開發(fā)了道路橋梁檢測與加固虛擬仿真實驗，根據(jù)“能實不虛、虛實結(jié)合”原則確定仿真實驗項目，每個項目設(shè)計了學習模式和考核模式，提供良好的人機交互操作，體驗感強、參與度高。采用項目教學法組織實驗教學，現(xiàn)場實驗和虛擬仿真實驗虛實互補，顯著改善實驗教學效果。

關(guān)鍵詞 實驗教學 虛擬仿真 項目教學法

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.10.011

Abstract Based on the courses' characteristics of road maintenance and management， bridge detection and reinforcement， the necessity of developing virtual simulation experiment is analyzed. The virtual simulation experiment of road and bridge detection and reinforcement has been developed by school-enterprise cooperation. The simulation experiment items are selected according to the principle of "real experiments fist and combining the real with the virtual". The learning mode and assessment mode have been designed to provide good human-computer interaction， strong experience and high participation. Project teaching method is used to organize experiment teaching. Real experiments and virtual simulation experiments are complementary to each other， which can significantly improve the effect of experiment teaching.

Keywords experimental teaching; virtual simulation; project-based learning

0 引言

交通運輸是興國之器、強國之基，在國民經(jīng)濟中占有不可動搖的戰(zhàn)略地位。十九大報告明確提出要建設(shè)“交通強國”，這是新時代黨和人民賦予交通運輸行業(yè)的光榮使命。建設(shè)交通強國，動力源泉在于創(chuàng)新，創(chuàng)新之路依靠人才。[1]我國交通建設(shè)行業(yè)已經(jīng)進入“建養(yǎng)并重”階段，[2]行業(yè)發(fā)展對養(yǎng)護管理人員的需求旺盛。因此臺州學院道路橋梁與渡河工程專業(yè)將道路橋梁養(yǎng)護與管理確定為人才培養(yǎng)特色之一，開設(shè)了道路養(yǎng)護與管理、橋梁檢測與加固等課程，強化相關(guān)知識和技能的培養(yǎng)。

道路養(yǎng)護與管理、橋梁檢測與加固等課程均具有實踐性強的特點。由于教學組織、教學安全等因素影響，相關(guān)實驗開課困難。傳統(tǒng)的課堂講授模式，學生與工程實際幾乎絕緣，嚴重缺乏實踐操作經(jīng)驗，學習效果較差。[3]隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高校實驗教學中的運用越來越廣泛。[4-5]開展虛擬仿真實驗教學建設(shè)，與真實實驗教學互為補充，成為解決工程類實驗教學困難的重要途徑。[6]

2015年，臺州學院采用校企合作方式開發(fā)了“道路橋梁檢測與加固”虛擬仿真實驗，根據(jù)“能實不虛、虛實結(jié)合”原則，[7]確定第一批共五個仿真實驗項目。探索采用項目式教學模式開展相關(guān)課程實驗教學，強化了學生檢測與加固技能的培養(yǎng)，教學效果明顯改善。

1 虛擬仿真實驗教學的必要性

分析近三年我校道路橋梁與渡河工程專業(yè)就業(yè)方向發(fā)現(xiàn)交通建設(shè)行業(yè)對養(yǎng)護管理人才的需求旺盛。如圖1所示，設(shè)計、施工和養(yǎng)護管理是本專業(yè)學生就業(yè)的三個主要方向，其中養(yǎng)護管理就業(yè)人數(shù)約占20%。同時，通過問卷調(diào)查、訪談等方式調(diào)研發(fā)現(xiàn)道路橋梁的改擴建工程在交通建設(shè)項目中的比重顯著增長，這就對設(shè)計和施工人員的知識結(jié)構(gòu)提出了新的要求。因此在本科教育階段強化道路養(yǎng)護管理、檢測加固相關(guān)知識和技能十分必要。

道路橋梁養(yǎng)護管理工作的一般思路是現(xiàn)狀調(diào)查與分析→技術(shù)狀況評價→制定養(yǎng)護管理對策→養(yǎng)護維修→效果評價與持續(xù)性監(jiān)控。道路技術(shù)狀況的檢測與評定是科學養(yǎng)護管理的重要依據(jù)，養(yǎng)護、維修與加固是延長道路使用壽命、改善道路服務(wù)質(zhì)量、提升道路社會經(jīng)濟價值的重要手段。[8-9]因此相關(guān)內(nèi)容是課堂教學的重點，不僅要求熟練掌握相關(guān)理論知識，還要有現(xiàn)場檢測、分析評價等實際操作能力。

道路橋梁技術(shù)狀況的檢測和評定是一個系統(tǒng)工程，檢測指標繁多。部分評價指標可以通過校外實習基地現(xiàn)場檢測確定，例如：路面破損的調(diào)查、路面抗滑性能檢測等。但是部分指標現(xiàn)場檢測十分困難，如橋梁承載力實驗的開設(shè)存在成本高、耗時長、演示實驗學生參與度低、實驗安全管理難度大等問題。

虛擬仿真實驗可以有效解決上述問題。它一次性開發(fā)、重復(fù)使用，費用低，實驗進度可控，為道路橋梁檢測與加固實驗教學開辟了一條安全、高效的途徑。

2 虛擬仿真實驗項目開發(fā)

2.1 實驗項目選擇

道路技術(shù)狀況評價包含路面、路基、橋隧構(gòu)造物和沿線設(shè)施四部分內(nèi)容，[10]每個部分均由多個技術(shù)指標表征其技術(shù)狀況。在虛擬仿真實驗項目的選擇時堅持“能實不虛、虛實結(jié)合”的基本原則，避免過度開發(fā)，浪費資源。具體從以下兩個方面落實：（1）優(yōu)先選擇難度大、成本高的實驗開展虛擬仿真實驗建設(shè)，其他仍采用真實實驗。（2）虛擬仿真實驗項目內(nèi)容和預(yù)設(shè)參數(shù)來源實際工程。

根據(jù)以上原則，最終選擇了土基回彈模量實驗、路基路面彎沉實驗、橋梁荷載實驗三個檢測實驗，橋梁粘貼法和增大截面法加固兩個橋梁加固實驗。預(yù)設(shè)參數(shù)直接利用教學團隊近年參與完成的臺州市某道路大修項目實測數(shù)據(jù)。

2.2 實驗設(shè)計與開發(fā)

虛擬仿真實驗采用3D仿真技術(shù)開發(fā)，模擬實驗全過程。校企合作進行原創(chuàng)性開發(fā)，教師設(shè)計動畫腳本并全程參與后期制作，企業(yè)實施技術(shù)開發(fā)。為了增強互動，優(yōu)化學習體驗，提高參與度，實驗設(shè)計了兩種教學模式：學習模式和考核模式。學習模式提供直觀的知識點和技能點提示，學生按部就班地完成實驗，如圖2所示?？己四Ｊ讲捎弥R問答、自主操作、數(shù)據(jù)處理等方式，考察學生對實驗方法、步驟和技術(shù)要點的掌握情況，自動評價學習效果，如圖3所示。以土基回彈模量實驗為例，其操作流程如圖4所示。

3 實驗教學方法

道路養(yǎng)護與管理、橋梁檢測與加固課程實驗教學采用項目教學法。項目教學法是指通過師生共同實施一個完整的項目而進行教學活動，[11]其最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學生為主體”，改變了以往“教師講、學生聽”被動的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學模式。[12]

3.1 教學項目構(gòu)建

以臺州市某道路為教學對象，虛擬仿真實驗預(yù)設(shè)參數(shù)直接利用該道路大修實測數(shù)據(jù)，真實實驗直接在現(xiàn)場開展。教學項目要求學生分組完成200m路面、路基技術(shù)狀況評定和1座中小橋技術(shù)狀況評定，并制定養(yǎng)護、維修和加固方案。

3.2 實驗教學實施

圍繞教學項目，實驗教學主要分三部分內(nèi)容：虛擬仿真實驗、現(xiàn)場實驗、檢測報告及養(yǎng)護維修加固方案。以橋梁檢測與加固課程實驗為例，結(jié)合教學進度，學生在課后自主學習虛擬仿真實驗——橋梁荷載實驗，期中統(tǒng)一組織學生現(xiàn)場完成1座兩跨簡支梁橋外觀檢測，綜合評價橋梁技術(shù)現(xiàn)狀。期末自主學習橋梁加固仿真實驗，編寫橋梁加固方案，形成完整的橋梁檢測報告。實驗成績按虛擬仿真實驗考核成績、現(xiàn)場檢測表現(xiàn)、檢測報告質(zhì)量等三方面進行綜合評價。

4 結(jié)語

通過虛擬仿真技術(shù)模擬道路橋梁檢測加固的工作過程，有效解決了大型實驗成本高、耗時長、效果不佳等問題。堅持“能實不虛、虛實結(jié)合”的原則開發(fā)虛擬仿真實驗，避免資源浪費。實驗教學采用項目教學法，將虛擬仿真實驗和真實實驗有機結(jié)合起來，發(fā)揮校外實踐基地和虛擬仿真技術(shù)各自優(yōu)點，虛實互補，明顯改善了教學效果。隨著虛擬仿真實驗成功開發(fā)與實施，學生的檢測加固能力得到了大幅提升。

基金項目：臺州市教育科學規(guī)劃課題（gg19011）

參考文獻

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