韋慧 金嬌 張宇豪

摘 ?要：在大學(xué)實驗教學(xué)體系中，虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)成為了重要手段之一。大學(xué)課程門類眾多，不同課程的實驗教學(xué)培養(yǎng)目標也不同，將虛擬仿真實驗融入到實驗教學(xué)中，應(yīng)結(jié)合專業(yè)的特點設(shè)置相應(yīng)的模塊。該文結(jié)合現(xiàn)代道路工程特色及虛擬仿真技術(shù)，首先闡述開展道路工程虛擬仿真實驗的意義，結(jié)合專業(yè)特點再提出道路工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)思路及模塊設(shè)計方案，對于提高教學(xué)質(zhì)量、促進人才培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：道路工程 ?虛擬仿真實驗 ?教學(xué)體系 ?模塊設(shè)計

中圖分類號：G642 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0055-02

目前，虛擬仿真實驗已在眾多高校得到廣泛應(yīng)用，成為實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和本科、研究生教育信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。虛擬仿真實驗是一種借助數(shù)據(jù)庫、多媒體、人機交互、仿真和虛擬現(xiàn)實以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，模擬儀器設(shè)備、真實實驗場景操作流程和環(huán)節(jié)，實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗操作軟硬件操作環(huán)境部分替代或全部替代的一種具有極具發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)手段。近年來，虛擬實驗教學(xué)體系已成為教學(xué)改革的方向之一。因此，深入思考專業(yè)特點，挖掘其優(yōu)質(zhì)的教育資源，對道路工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系進行設(shè)計，對于提高教學(xué)質(zhì)量、促進人才培養(yǎng)具有重要現(xiàn)實意義。

1 ?道路工程虛擬仿真實驗的意義

作為土木工程的一個分支，道路工程專業(yè)內(nèi)容涵蓋范圍極廣，包括：道路網(wǎng)規(guī)劃，路線勘測設(shè)計，路基、路面、給排水、橋涵、隧道工程、附屬設(shè)施工程的設(shè)計施工，運營養(yǎng)護階段的養(yǎng)護設(shè)計施工等。進行融入虛擬仿真實驗的道路工程實驗教學(xué)，具有重要意義。

（1）道路工程專業(yè)實驗綜合性較強、設(shè)備體量大、資源消耗大、試驗成本高，需要大量重復(fù)性試驗，材料消耗大，耗時長，不同類型試驗，試件規(guī)格不一致，難以反映其性能特征。

受到場地和實習(xí)時間的限制，還有一些與實際工程結(jié)合緊密的實驗無法在實驗室完成，傳統(tǒng)實驗教學(xué)要么靠教師通過粉筆+黑板、現(xiàn)場圖片進行講解，要么只能簡化試驗操作配以口頭講解完成教學(xué)過程，或者只能現(xiàn)場簡單參觀工程但無法通過實際操作了解整體工程的工藝流程，教學(xué)效果不良。通常，傳統(tǒng)實驗室無法完成的危險性、極端破壞性、試驗周期過長的實驗，往往可借助虛擬仿真實驗進行，將抽象的實驗過程生動、逼真、立體地表現(xiàn)出來，增強課堂趣味性，使學(xué)生樂于接受。

（2）道路工程專業(yè)許多實驗為大型綜合類實驗，相關(guān)教學(xué)實驗選課學(xué)生多且實驗安排難度較大、學(xué)生參與實驗的自主性不強，那么在虛擬實驗?zāi)K下，學(xué)生可以不受課時和資源的限制，完成多個實驗，同時學(xué)生可以自主設(shè)計實驗方案，輕松改變實驗參數(shù)，實現(xiàn)不同條件下的實驗研究，隨機產(chǎn)生不同實驗結(jié)果并進行統(tǒng)計定量分析，這樣有助于學(xué)生對實驗的深入了解，有利于學(xué)生對問題的綜合分析，以及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

（3）同時，還可以借助虛擬實驗，引導(dǎo)學(xué)生進行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，從而培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力。此外，在本科生課外創(chuàng)新和科研課題的訓(xùn)練過程中，應(yīng)用虛擬實驗對學(xué)生進行指導(dǎo)，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2 ?道路工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的建立

（1）建設(shè)理念。

結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)方針，以道路工程行業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，堅持“虛實結(jié)合、相互補充”的建設(shè)原則，緊跟現(xiàn)代道路工程及虛擬仿真技術(shù)進展，充分發(fā)揮專業(yè)特色優(yōu)勢，加強學(xué)科交叉，構(gòu)建大數(shù)據(jù)、大平臺、跨專業(yè)共建平臺，以全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標，將能力培養(yǎng)和知識傳授進行融合，開展虛擬仿真實驗實踐教學(xué)形式改革，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維精神、創(chuàng)新能力、動手能力，以實現(xiàn)信息共享、教學(xué)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)等目的。

（2）模塊設(shè)計。

不同高校的道路工程專業(yè)都具有各自的特色，在模塊的設(shè)計上不能生搬照抄，而是凸顯自身特色，取長補短，設(shè)立有利于拓寬教育改革和科學(xué)研究的虛擬仿真平臺和實驗教學(xué)課程體系。從大類上，道路工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)可分為道路工程設(shè)計、交通基礎(chǔ)設(shè)施施工與檢測、交通基礎(chǔ)設(shè)施運維管理三大模塊。

道路工程設(shè)計模塊可下設(shè)道路勘測設(shè)計、工程測量、路基路面設(shè)計虛擬仿真實驗等。針對道路工程變形測量、健康監(jiān)測、路線選線、路基路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計等實驗內(nèi)容存在無實際操作環(huán)境等的問題和難點，采用虛擬儀器、課件大師、Flash動畫及其他制作工具，向?qū)W生傳授基本測量、設(shè)計技能，分步驟展示實體工程全國過程測量和設(shè)計過程，引導(dǎo)學(xué)生生動地了解測量、設(shè)計的各個流程，達到為本科生理論學(xué)習(xí)聯(lián)系實際工程實踐提供過渡性平臺的目的和效果。

交通基礎(chǔ)設(shè)施施工與檢測模塊可下設(shè)土木工程材料、路基路面施工及檢測虛擬仿真實驗等?，F(xiàn)有實驗儀器臺套數(shù)和場地條件有限，實驗過程消耗大，開展虛擬試驗。由于土木工程材料、路基路面施工及檢測實驗量大，實操性強，則模塊內(nèi)容可包括相應(yīng)實驗的實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗?guī)程、實驗視頻、虛擬實驗操作5個部分。要充分利用豐富的多媒體資源、圖像處理、數(shù)值計算技術(shù)，使虛擬實驗過程更加形象化。對于實驗操作特別需要注意的地方，設(shè)計一些常見操作錯誤的過程環(huán)節(jié)并進行糾錯及說明，使學(xué)生充分了解和掌握實驗過程。

交通基礎(chǔ)設(shè)施運維管理模塊可下設(shè)道路養(yǎng)護管理虛擬仿真實驗、交通流監(jiān)控及仿真實驗等。采用路面破損系統(tǒng)輔助識別系統(tǒng)、基于GIS的道路智能化養(yǎng)護管理系統(tǒng)軟件、交通流量監(jiān)測系統(tǒng)等先進技術(shù)手段，為學(xué)生提供仿真軟件操作平臺進行養(yǎng)護作業(yè)、交通流量監(jiān)測實踐，使學(xué)生熟練掌握道路養(yǎng)護過程中路面病害診斷與評價、路面性能預(yù)測、交通控制等的方法，培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能。

此外，還可設(shè)立研究創(chuàng)新型實驗?zāi)K，以學(xué)生自主選題為主，利用已有的虛擬實驗技術(shù)條件，學(xué)生可自行開發(fā)虛擬實驗項目，從實驗方案設(shè)計、實驗操作，到數(shù)據(jù)和圖形分析等，鍛煉學(xué)生的動手能力。

3 ?結(jié)語

在大學(xué)實驗教學(xué)體系中，虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)成為重要的教學(xué)手段之一。利用虛擬實驗教學(xué)，不僅能夠節(jié)約教學(xué)資源、減少實驗設(shè)備損耗、實現(xiàn)教師指導(dǎo)工作的高效化，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)短板，其重要作用和現(xiàn)實意義不可估量。

參考文獻

[1] 紀金豹，李炎鋒，李振寶，等.土木工程虛擬實驗中心的建設(shè)與思考[J].實驗室研究與探索，2015，34（10）：142-145，156.

[2] 汪德江，葉志明.結(jié)構(gòu)工程虛擬實驗室的開發(fā)探索[J].力學(xué)與實踐，2004（6）：78-79.

[3] 李彬彬，蘇明周.土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系探索與構(gòu)建[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2015，34（2）：96-100.

[4] 鄧友生，劉娟，張晉，等.BIM土木工程虛擬實驗室建設(shè)探索[J].實驗室科學(xué)，2017，20（1）：178-181.