龔泳帆 張又超

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

2018年6 月5 日，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》，通知中明確了將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，并且以應(yīng)用為導(dǎo)向，以資源共享為依托，推動(dòng)高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的建設(shè)?？梢?，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐國家信息化教育戰(zhàn)略的重要平臺(tái)，也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要基地。

土木工程包含基礎(chǔ)建設(shè)的計(jì)劃、 建造和維修等，是建造各類土地工程設(shè)施的學(xué)科。土木工程學(xué)科具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，以培養(yǎng)具有理論知識(shí)、實(shí)踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的“復(fù)合型”工程技術(shù)人才為目標(biāo)。目前，土木類專業(yè)仍存在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)少、實(shí)驗(yàn)周期長，設(shè)備要求高、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大等問題[1-3]，導(dǎo)致部分實(shí)體實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)階段難以有效開展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有學(xué)生自主設(shè)計(jì)、循環(huán)實(shí)驗(yàn)、機(jī)理可見、破壞可逆等實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)精神等均具有重要意義[4-5]。 因此，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新將會(huì)是教育信息化應(yīng)用模式創(chuàng)新的重大突破。

1 土木工程人才培養(yǎng)模式存在問題

長期以來，我國土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式都是重視課堂理論知識(shí)教學(xué)強(qiáng)于實(shí)踐操作教學(xué)，培養(yǎng)的學(xué)生具有理論知識(shí)豐富、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)匱乏的特點(diǎn)[6]。人才培養(yǎng)模式缺乏系統(tǒng)性的實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)體系，這與土木工程專業(yè)的“復(fù)合型”人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位格格不入，也阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式主要存在以下三個(gè)矛盾。

1.1 實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的矛盾

以全長55 千米的港珠澳大橋?yàn)槔?，從設(shè)計(jì)到建設(shè)前后歷時(shí)14年，僅主梁鋼用量就達(dá)到42 萬噸，相當(dāng)于10 座鳥巢的重量，是世界上最長的跨海大橋。 因此，通過實(shí)體縮尺實(shí)驗(yàn)來模擬結(jié)構(gòu)荷載與環(huán)境狀況，存在實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高、實(shí)驗(yàn)周期長和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高等問題，很難達(dá)到和實(shí)際情況一致。同時(shí)，由于很多土木工程實(shí)驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，大部分學(xué)生缺乏對(duì)危險(xiǎn)的預(yù)判性和敏感性，在實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)脆性破壞而引發(fā)安全事故。 因此，土木工程實(shí)驗(yàn)難度大、危險(xiǎn)性高，嚴(yán)重打擊了學(xué)生的參與度與積極性。

1.2 實(shí)踐教學(xué)與教學(xué)資源的矛盾

實(shí)踐教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)的過程中具有重要的作用，但是仍有部分高校無法提供必需的教學(xué)資源。首先，教學(xué)硬件資源匱乏，2018年全國高校本專科畢業(yè)生人數(shù)增加至820 萬，部分高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、環(huán)境和空間建設(shè)并未緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，沒有能力承擔(dān)持續(xù)增長的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。 其次，教學(xué)優(yōu)秀人才匱乏，新入職教師出于科研成果壓力，往往工作重心放在科研成果的產(chǎn)出上，忽視了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)操的重要性，甚至僅以演示的形式展示給學(xué)生。第三，教學(xué)課程資源匱乏， 部分高校的人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱修訂工作嚴(yán)重滯后，教學(xué)手段和內(nèi)容仍停留在原有水平未有進(jìn)步，無法滿足新時(shí)期、新形勢下社會(huì)對(duì)人才的需求。

1.3 實(shí)踐教學(xué)與評(píng)價(jià)方法的矛盾

大部分高校堅(jiān)持通過校-院兩級(jí)教學(xué)督導(dǎo)，對(duì)教師的課程教學(xué)質(zhì)量和效果進(jìn)行監(jiān)督和考評(píng)，但是實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和效果卻缺乏切實(shí)有效的監(jiān)督和考評(píng)，難以保證有序的實(shí)踐教學(xué)秩序、良好的教學(xué)效果。同時(shí)，部分教師并未重視土木工程實(shí)踐教學(xué)的難度，在探索實(shí)踐教學(xué)體系方面缺乏必要的精力投入，沒有探索出行之有效的創(chuàng)新人才培養(yǎng)對(duì)策。

綜上所述，為了解決創(chuàng)新人才培養(yǎng)傳統(tǒng)模式中實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)、教學(xué)資源和評(píng)價(jià)方法之間的矛盾，盡可能拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度，需要高校逐漸提高實(shí)踐教學(xué)的效果與質(zhì)量，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和管理是一項(xiàng)重要的舉措[7]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)

土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)“成本高、周期長、人員安全風(fēng)險(xiǎn)”等難題，遵從“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，具有“損傷可見、過程可逆、自主設(shè)計(jì)”等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢。以此為基礎(chǔ)的土木工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐則以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，力求實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的靈活化、信息化、智能化和現(xiàn)代化。 同時(shí)，土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的持續(xù)建設(shè)是推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量，有利于高校為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的人才支撐。

2.1 完善與豐富課程教學(xué)內(nèi)容

以混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程為例，課程中涵蓋了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土木工程材料、施工技術(shù)、土木工程測試技術(shù)等多門專業(yè)課程知識(shí)。土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過“虛實(shí)結(jié)合”環(huán)節(jié)設(shè)置，不僅可以讓學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中完成混凝土配合比設(shè)計(jì)、 混凝土強(qiáng)度測試、鋼筋混凝土梁抗彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁抗剪性能實(shí)驗(yàn)，還可以讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)大型構(gòu)件的大型構(gòu)件制作、安裝以及實(shí)驗(yàn)加載等過程。 由于學(xué)生沒有實(shí)際操作的經(jīng)歷，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過改變參數(shù)重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)化構(gòu)件的結(jié)構(gòu)測試過程，完善與豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、拓展學(xué)生的視野和知識(shí)面。

2.2 研究與探索課程教學(xué)方法

以混凝土配合比設(shè)計(jì)為例，學(xué)生在課余時(shí)間可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，利用PC、手機(jī)、平板等終端設(shè)備，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程、對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生在探索性研究的過程中構(gòu)建理論知識(shí)體系，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的意識(shí)和探究性思維。土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以充分利用現(xiàn)有的信息化教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，將混合式教學(xué)方法、驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法和探究式教學(xué)方法等教學(xué)方法應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。學(xué)生可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中自主完成試件設(shè)計(jì)、混凝土施工制作、結(jié)構(gòu)檢測方法、抗震破壞特性等全部實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全實(shí)驗(yàn)過程的交互式操作。

2.3 改革與創(chuàng)新課程考核方式

土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)操作步驟考核、互動(dòng)測評(píng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三位一體的課程考核評(píng)價(jià)體系。首先，基于實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱要求，對(duì)步驟操作的正確性、規(guī)范性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其次，負(fù)責(zé)教師可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)效果提出建議，并可與學(xué)生進(jìn)行線上評(píng)測與實(shí)時(shí)交流。最后，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，提供試件設(shè)計(jì)、加載設(shè)計(jì)等模塊，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的數(shù)據(jù)支撐。 由此可知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)的重要輔助手段，有效解決了老師借助PPT、板書等手段講解相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)時(shí)，學(xué)生無法具象化相應(yīng)結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)過程的問題。通過合理的考核評(píng)價(jià)方式，引導(dǎo)學(xué)生完成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、自主設(shè)計(jì)、解決問題、課程評(píng)價(jià)的完整交互性操作閉環(huán)。

3 結(jié)論

本文依托土木工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與持續(xù)服務(wù)，提出土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式存在的問題。 立足于國家信息化教育戰(zhàn)略的新要求，探索土木工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，改革與創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等人才培養(yǎng)方案。通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，扎實(shí)推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與持續(xù)服務(wù)，可以更為靈活、生動(dòng)及高效的將土木工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)破壞形式等難以具象化的教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的人才支撐。