徐偉杰，徐 明，郭 彤，宗周紅，劉 艷

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(教高廳〔2017〕4號)，教育部到2020年認(rèn)定1 000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，目的是將實(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，以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推教學(xué)質(zhì)量，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)[1]。顯然，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目集合了國內(nèi)最先進(jìn)的虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，代表虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展方向。隨著“金課”概念的提出，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目被認(rèn)為是國家級“金課”之一，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到重要的指導(dǎo)作用。土木類國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共20項(xiàng)，2018年和2019年各認(rèn)定10項(xiàng)。國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺于2018年11月10日至12月10日進(jìn)行公示，其中土木類第一批50項(xiàng)虛擬仿真項(xiàng)目?；?018年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺公示數(shù)據(jù)，對土木類虛擬仿真項(xiàng)目的學(xué)校、負(fù)責(zé)人和項(xiàng)目類型進(jìn)行歸類，分析公示中虛擬仿真項(xiàng)目的特點(diǎn)，指明土木類虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的發(fā)展趨勢，為后續(xù)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

一、土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)意義

作為傳統(tǒng)工科，土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有空間體量大、施工周期長、工程參與方多、危險(xiǎn)性高和難度大的特點(diǎn)。此外，土木工程實(shí)驗(yàn)還需要加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等，不僅對學(xué)生的專業(yè)性提出了較高的要求，也提高了實(shí)驗(yàn)成本[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練，可以重復(fù)實(shí)驗(yàn)、隨時(shí)實(shí)驗(yàn)、隨地實(shí)驗(yàn)，有效解決土木工程實(shí)驗(yàn)“高成本、高風(fēng)險(xiǎn)和高周期”的問題，是土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向[3-7]。

隨著科技的進(jìn)步，土木工程技術(shù)更新逐漸加快，由此也誕生了一大批國家重大工程項(xiàng)目，如三峽工程、南水北調(diào)工程、港珠澳大橋、青藏鐵路等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以搭建學(xué)生和先進(jìn)技術(shù)及重大工程實(shí)踐之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與前沿技術(shù)及工程實(shí)踐無縫對接，為土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供了重要支撐。國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目作為國家“金課”的重要組成部分，對公示項(xiàng)目的特點(diǎn)分析有助于今后土木類虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)。

二、2018年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目總體情況

(一)2017年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)認(rèn)定情況

2017年國家虛擬仿真項(xiàng)目第一次認(rèn)定，涉及生物科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等8大學(xué)科，有 303個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報(bào)，105個(gè)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目獲批，獲批數(shù)超過計(jì)劃數(shù)的5%。其中，各學(xué)科認(rèn)定數(shù)與計(jì)劃數(shù)如表1所示。

表1 2017年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)認(rèn)定情況

從表1可知，2017年電子信息類和交通運(yùn)輸類認(rèn)定數(shù)超過計(jì)劃數(shù)的40%，以上兩類項(xiàng)目在后續(xù)評審中競爭更加激烈。同樣，化工與制藥類認(rèn)定數(shù)超過計(jì)劃數(shù)的20%，后續(xù)評審難度加大，而核工程認(rèn)定數(shù)僅達(dá)計(jì)劃數(shù)的80%，為后續(xù)項(xiàng)目評審提供了較大空間。盡管在2017年的評審中并不包含土木類虛擬仿真項(xiàng)目，但在大土木框架下，交通運(yùn)輸類與土木類存在較大重合度，其數(shù)據(jù)可為土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供參考。

(二)2018年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)申報(bào)總體情況

2018年為國家虛擬仿真項(xiàng)目第二次認(rèn)定，也是土木類虛擬仿真項(xiàng)目的第一次認(rèn)定。2018年度開展認(rèn)定的學(xué)科分類涉及23個(gè)類別，認(rèn)定計(jì)劃為260個(gè)。與原計(jì)劃相比，新聞傳播學(xué)從文學(xué)類中剝離，賦予10個(gè)認(rèn)定數(shù)，并從2019—2020年提前至2018年，其他類別虛擬仿真項(xiàng)目與原計(jì)劃相同。

2018年申報(bào)總項(xiàng)目766項(xiàng)，總體計(jì)劃數(shù)與認(rèn)定數(shù)比例仍維持在3∶1左右，由于限額申報(bào)，學(xué)校層面、省教育廳層面層層篩選，766個(gè)項(xiàng)目從上千個(gè)項(xiàng)目的激烈競爭中脫穎而出，具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。各類別申報(bào)數(shù)與計(jì)劃數(shù)的比例(報(bào)計(jì)比)如圖1所示。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械類和化工制藥類報(bào)計(jì)比均超過7，是2018年競爭最激烈的兩組，這兩個(gè)類別的虛擬仿真項(xiàng)目均為第二年申報(bào)。而植物類、中醫(yī)類、航空航天類和動(dòng)物類的報(bào)計(jì)比均小于1.5，競爭相對較小，尤其是植物類，報(bào)計(jì)比為1。以上四類虛擬仿真項(xiàng)目均為第一次申報(bào)。顯然，第二次認(rèn)定虛擬仿真項(xiàng)目的競爭程度遠(yuǎn)大于第一次認(rèn)定的項(xiàng)目。

對于土木工程專業(yè)而言，土木類報(bào)計(jì)比為5，在23個(gè)項(xiàng)目中排名第6，在2018年第一次申報(bào)的類別中排名第3，僅次于心理學(xué)類和護(hù)理學(xué)類，屬于競爭相對激烈的類別。可以預(yù)見，在2019年的申報(bào)中，土木類虛擬仿真的競爭將更加激烈。另外，從大土木的角度來講，測繪、地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)與工程、交通運(yùn)輸類與土木類均有一定的重合。除了交通運(yùn)輸類之外，其他3個(gè)類別報(bào)計(jì)比均不大于整體的報(bào)計(jì)比。

三、土木類公示項(xiàng)目學(xué)校特點(diǎn)

由于國家級虛擬仿真認(rèn)定的方式是從學(xué)校、省和國家3個(gè)層面認(rèn)定，土木類虛擬仿真項(xiàng)目首先要在學(xué)校層面與其他類別虛擬仿真項(xiàng)目進(jìn)行評比，再與省內(nèi)所有專業(yè)的虛擬仿真項(xiàng)目評比。因此，文章主要分析土木類公示項(xiàng)目所屬學(xué)校的地理位置、是否具有國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及學(xué)科評估排名情況。2018年土木類國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分布在49所高校，除西南交通大學(xué)有2項(xiàng)外，其他高校均為1項(xiàng)。

(一)學(xué)校的地域分布

50個(gè)土木類虛擬仿真項(xiàng)目分布在24個(gè)省(直轄市)，其中四川省申報(bào)的土木類虛擬仿真數(shù)量最多，占總數(shù)的10%。湖南省、安徽省、河北省、河南省、江蘇省和云南省申報(bào)的土木類虛擬仿真都在3個(gè)及3個(gè)以上，如圖2(a)所示。從地域上來看，土木類虛擬仿真項(xiàng)目主要集中在華東、西南和華中，如圖2(b)所示。考慮到每個(gè)區(qū)域的省份數(shù)量(不含港澳臺)，華中地區(qū)每省申報(bào)數(shù)量最多，平均每省申報(bào)3項(xiàng)，而西北地區(qū)每省申報(bào)數(shù)量最少，平均每省申報(bào)0.8項(xiàng)。

不同區(qū)域的申報(bào)數(shù)量在一定程度上顯示了該地區(qū)虛擬仿真技術(shù)的土木工程教學(xué)應(yīng)用程度。此外，國家級虛擬仿真項(xiàng)目的申報(bào)是限額的，當(dāng)某個(gè)類別虛擬仿真項(xiàng)目申報(bào)數(shù)量較多時(shí)，該省其他類別的虛擬仿真申報(bào)數(shù)量就會(huì)相應(yīng)減少。因此，在土木類虛擬仿真項(xiàng)目申報(bào)數(shù)量較多的區(qū)域，虛擬仿真技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用程度或土木工程專業(yè)在高校的地位相對較高，在申報(bào)國家級虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)可以得到較多的支持。

(二)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

教育部在2014年和2015年共批準(zhǔn)了200個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的表現(xiàn)值得關(guān)注。土木工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要包括東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、福建工程學(xué)院、中南大學(xué)、西南交通大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)6所。由于在國家虛擬仿真項(xiàng)目中沒有工程管理類，山東建筑大學(xué)的建筑工程管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也可劃歸為土木工程專業(yè)的國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。在上述7所高校中，除福建工程學(xué)院外，其他高校均至少申報(bào)1項(xiàng)土木類國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，占總申報(bào)數(shù)量的14%。其中，西南交通大學(xué)申報(bào)的土木類國家級虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目數(shù)量最多。

此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和長沙理工大學(xué)分別依托建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和公路交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心申報(bào)了土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。盡管國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目將土木類與建筑類、交通運(yùn)輸類、水利類并列，但土建交的虛擬仿真項(xiàng)目在很大程度上存在交集。

總體來看，具備國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的高校在申報(bào)國家級土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)較為積極，申報(bào)比例較高。但考慮到國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的數(shù)量有限，其申報(bào)項(xiàng)目在土木類總申報(bào)項(xiàng)目中占少數(shù)。

(三)學(xué)科排名

由于虛擬仿真項(xiàng)目主要用于教學(xué)，本次學(xué)科排名參照2017年教育部教學(xué)評估的結(jié)果，如表2所示。從表2可以發(fā)現(xiàn)，參加2017年土木工程專業(yè)教學(xué)評估高校申報(bào)數(shù)量略高于未參加教學(xué)評估高校。從申報(bào)數(shù)量上看，評估結(jié)果為C+和B-的高校申報(bào)數(shù)量最多，而從申報(bào)比例上看，評估結(jié)果為A+的高校申報(bào)率達(dá)到100%，而評估結(jié)果為A的高校申報(bào)率為50%。顯然，教學(xué)評估結(jié)果排名越高，申報(bào)虛擬仿真項(xiàng)目的比例越大。較高的教學(xué)評估排名意味該校的土木工程學(xué)科在學(xué)校層面甚至省級層面上與其他專業(yè)相比可獲得更多的資源，從而更易獲得學(xué)校和省里的推薦。此外，通過表2還可以發(fā)現(xiàn)，土木類虛擬仿真項(xiàng)目并沒有完全被教學(xué)評估前列的學(xué)校占據(jù)，即便是未參評的高校同樣有機(jī)會(huì)進(jìn)入國家虛擬仿真項(xiàng)目評選。

表2 學(xué)科評估結(jié)果與申報(bào)高校數(shù)量

(四)土木類一流學(xué)科高校表現(xiàn)

國務(wù)院2015年11月印發(fā)了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，為建成高等教育強(qiáng)國明確了任務(wù)路徑。在一流學(xué)科建設(shè)過程中，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是具體目標(biāo)之一。虛擬仿真技術(shù)作為一種新教學(xué)手段，具有土木工程一流學(xué)科的高校在國家級虛擬仿真項(xiàng)目評審中的表現(xiàn)值得關(guān)注。入選土木工程一流學(xué)科建設(shè)的高校有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)(自定)、北京工業(yè)大學(xué)(自定)和廣西大學(xué)(自定)。上述8所高校中，除清華大學(xué)和上海交通大學(xué)外，其他學(xué)校均有項(xiàng)目申報(bào)，申報(bào)率為75%。其中，自定為一流學(xué)科的3所高校均參與了國家級虛擬仿真項(xiàng)目的申報(bào)。顯然，具有土木工程一流學(xué)科的高校在申報(bào)國家級虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)具有較高的積極性，同時(shí)也更能獲得各個(gè)層面的支持。

綜上，具有土木工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、土木工程一流學(xué)科和在土木工程專業(yè)教學(xué)評估表現(xiàn)突出的高校申報(bào)土木類國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目意愿更加強(qiáng)烈，也更容易獲得推薦。但考慮到學(xué)科和地域等方面的平衡因素，土木類國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也對其他類型的高校提供了展示舞臺。因此，土木類虛擬仿真項(xiàng)目的發(fā)展不能僅靠幾個(gè)學(xué)校的投入，還要充分發(fā)揮全國土木類各高校自身的特色，才能完全發(fā)揮虛擬仿真項(xiàng)目的優(yōu)勢。

四、公示項(xiàng)目負(fù)責(zé)人特點(diǎn)

土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，土木工程專業(yè)人員雖然具備專業(yè)知識，但往往不具備程序開發(fā)能力，而軟件制作公司具備程序開發(fā)能力，但并不具備專業(yè)知識。因此，土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)必須要有一個(gè)強(qiáng)大、專業(yè)、溝通順暢的團(tuán)隊(duì)，僅靠個(gè)人努力無法制作出優(yōu)秀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人則是制作團(tuán)隊(duì)的核心。針對公示的土木類國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人學(xué)歷、職稱和職務(wù)進(jìn)行分析，為后續(xù)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供參考。

公示中的土木類虛擬仿真項(xiàng)目負(fù)責(zé)人學(xué)歷和職稱如圖3所示。在50個(gè)項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)人學(xué)歷為本科的只有1人，占總項(xiàng)目的2%，碩士僅6人，占總項(xiàng)目的12%，剩下43個(gè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人均為博士，占總?cè)藬?shù)的86%，表明土木類國家虛擬仿真項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人均具備較高的學(xué)歷。同樣，在50個(gè)項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)人為講師的僅有3人，副教授7人，分別占總項(xiàng)目的6%和14%，而負(fù)責(zé)人為教授的有40項(xiàng)，占總項(xiàng)目的80%，表明土木類國家虛擬仿真項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人均具備較高的職稱。

綜合負(fù)責(zé)人的學(xué)歷和職稱來看，土木類的虛擬仿真項(xiàng)目對項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的專業(yè)能力提出了較高的要求。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人必須具備較強(qiáng)的專業(yè)素質(zhì)，否則無法勝任虛擬仿真項(xiàng)目的開發(fā)工作。

五、土木類虛擬仿真公示項(xiàng)目專業(yè)特點(diǎn)

國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺將土木類虛擬仿真項(xiàng)目分為土木工程、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、建筑電氣與智能化、城市地下空間工程、道路橋梁與渡河工程、鐵道工程、智能建造、給排水科學(xué)與工程8個(gè)專業(yè)。顯然除了土木工程和智能建造3個(gè)專業(yè)，其他專業(yè)與交通運(yùn)輸、建筑類、環(huán)境工程類和水利類有密切聯(lián)系，體現(xiàn)了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺對土木類虛擬仿真項(xiàng)目的定位并非是傳統(tǒng)的工民建，而是多學(xué)科交叉的大土木學(xué)科。因此，分析土木類虛擬仿真的專業(yè)特點(diǎn)，可為今后土木類虛擬仿真建設(shè)的內(nèi)容提供指導(dǎo)。

(一)土木類虛擬仿真項(xiàng)目專業(yè)分布

在2018年土木類虛擬仿真項(xiàng)目申報(bào)中，除鐵道工程和給排水科學(xué)工程外，其他6個(gè)專業(yè)均有申報(bào)，具體分布如圖4所示。通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，2018年土木類虛擬仿真項(xiàng)目以土木工程專業(yè)為主，共40項(xiàng)，占比80%。而建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程等5個(gè)專業(yè)合計(jì)10項(xiàng)，占比20%。顯然，土木類虛擬仿真項(xiàng)目還集中在傳統(tǒng)的土木工程專業(yè)。然而，這僅僅是紙面上的數(shù)據(jù)，實(shí)際上部分土木工程專業(yè)的項(xiàng)目歸屬于城市地下空間工程和道路橋梁與渡河工程專業(yè)，導(dǎo)致土木工程專業(yè)項(xiàng)目過于臃腫。此外，“VR技術(shù)在空間設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用”項(xiàng)目更偏向于建筑類而非土木工程類，考慮到2018年并未開始建筑類虛擬仿真項(xiàng)目申報(bào)，將其暫歸于土木工程專業(yè)。

由于鐵道工程專業(yè)更偏向于交通類，在2018年的申報(bào)中與鐵路相關(guān)的項(xiàng)目均在交通運(yùn)輸類申報(bào)，如北京交通大學(xué)的高速鐵路網(wǎng)行車組織全過程管控一體化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和蘭州交通大學(xué)的鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)認(rèn)知與維護(hù)巡檢虛擬仿真。而給排水科學(xué)工程與環(huán)境科學(xué)工程更為接近，在2018年的申報(bào)中與水處理相關(guān)的項(xiàng)目均在環(huán)境科學(xué)工程申報(bào)，如石河子大學(xué)的虛擬水質(zhì)監(jiān)測與污水處理實(shí)驗(yàn)和黑龍江科技大學(xué)的礦井水處理三維虛擬仿真系統(tǒng)。有一個(gè)特例是云南農(nóng)業(yè)大學(xué)的“裝配式智能建造”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是一個(gè)典型的土木類虛擬仿真項(xiàng)目，卻歸類于交通運(yùn)輸類。

2018年交通運(yùn)輸類虛擬仿真項(xiàng)目報(bào)計(jì)比高于土木類，因此，在不考慮內(nèi)容的情況下，鐵道工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在土木類出線的可能性更高?？紤]到交通運(yùn)輸類2018年為最后一次申報(bào)，在2019年虛擬仿真項(xiàng)目中，與交通運(yùn)輸相關(guān)的虛擬仿真項(xiàng)目必然會(huì)轉(zhuǎn)移到土木類申報(bào)，將加劇土木類虛擬仿真項(xiàng)目的競爭壓力。而盡管環(huán)境科學(xué)與工程類虛擬仿真項(xiàng)目報(bào)計(jì)比要低于土木工程，在不考慮內(nèi)容情況下出線概率大于土木類虛擬仿真項(xiàng)目。

(二)土木工程專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目

廣義的土木工程專業(yè)包含結(jié)構(gòu)工程、橋梁工程、地下工程等內(nèi)容，考慮到國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺已將土木類虛擬仿真劃分為8個(gè)專業(yè)，其中的土木工程專業(yè)為狹義的土木工程，即結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。因此，首先將土木工程專業(yè)的虛擬仿真項(xiàng)目重新分類，其中不屬于本專業(yè)的項(xiàng)目如表3所示。

除去表3中的9個(gè)項(xiàng)目，剩下31個(gè)項(xiàng)目根據(jù)內(nèi)容可以分為建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真、土木工程施工虛擬仿真和其他三類，如圖5所示。建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真包括構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下(地震、風(fēng)和爆炸等)的虛擬仿真，側(cè)重構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞模式，具有較強(qiáng)的理論性，如鋼筋混凝土梁受彎性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及模擬等項(xiàng)目。由于建筑結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的核心內(nèi)容，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的虛擬仿真項(xiàng)目可與課堂教學(xué)密切結(jié)合，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。該類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要針對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、建筑結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等專業(yè)課程，共計(jì)20項(xiàng)，具體分布如圖6所示。顯然，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和建筑結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)是建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真的核心，共計(jì)12項(xiàng)，占總項(xiàng)目的60%。出現(xiàn)這種情況，一方面說明建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和建筑結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)在土木工程專業(yè)中的核心地位，另一方面也說明土木類虛擬仿真項(xiàng)目存在重復(fù)建設(shè)的問題。

表3 土木工程專業(yè)項(xiàng)目中屬于其他專業(yè)類別的項(xiàng)目

圖5土木工程專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目類型

圖6建筑結(jié)構(gòu)虛擬仿真項(xiàng)目類型

土木工程施工虛擬仿真主要內(nèi)容為建筑結(jié)構(gòu)的施工過程，盡管表3中部分項(xiàng)目也可認(rèn)為是施工的一部分，但其內(nèi)容已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出結(jié)構(gòu)工程專業(yè)學(xué)生對施工的掌握程度，因此應(yīng)歸于城市地下空間工程和道路橋梁與渡河工程專業(yè)。此外，土木工程施工與智能建造的界限較為模糊，在這里不詳細(xì)區(qū)分，而是按照申報(bào)類別分類。土木工程施工虛擬仿真共10項(xiàng)，類型如圖7所示，其核心是預(yù)制裝配式施工方法，占總項(xiàng)目的50%。由此可知，裝配式結(jié)構(gòu)是目前土木工程發(fā)展的熱點(diǎn)和重要方向。

(三)其他專業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目

相對于土木工程專業(yè)虛擬仿真，其他專業(yè)的虛擬仿真數(shù)量較少。按照項(xiàng)目與其他類別的關(guān)系分為兩類：第一類是橋梁地下及建造，包括城市地下空間工程、道路橋梁與渡河工程和智能建造中的6個(gè)項(xiàng)目及表3中的9個(gè)項(xiàng)目，合計(jì)15個(gè)，該類項(xiàng)目與交通運(yùn)輸類有較大的重合度；第二類項(xiàng)目為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程和建筑電氣與智能化的4個(gè)項(xiàng)目，該類項(xiàng)目與建筑類和環(huán)境工程類有較大重合。

第一類虛擬仿真項(xiàng)目主要包括橋梁施工、地下工程施工、智能施工、地下環(huán)境和道橋監(jiān)測與實(shí)訓(xùn)5個(gè)方面的內(nèi)容，如圖8所示。施工是該類項(xiàng)目的核心內(nèi)容，共9項(xiàng)，約占總項(xiàng)目的60%。

第二類虛擬仿真項(xiàng)目主要包括城市設(shè)計(jì)和暖通設(shè)備兩方面的內(nèi)容，其中城市設(shè)計(jì)虛擬仿真1項(xiàng)，暖通設(shè)備虛擬仿真3項(xiàng)。

六、土木類虛擬仿真公示項(xiàng)目性質(zhì)類型

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握知識，土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須要符合土木工程專業(yè)教學(xué)大綱的要求。根據(jù)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與土木工程專業(yè)本科教學(xué)大綱之間的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型、提高型、拓展型和綜合型。其中，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)是教學(xué)大綱有明確要求且能開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，共7項(xiàng)，提高型實(shí)驗(yàn)為大綱有明確要求但無法開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或大綱雖無明確要求但土木工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)了解的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，共26項(xiàng)，拓展型實(shí)驗(yàn)為大綱沒有明確要求且相關(guān)知識掌握程度對學(xué)生影響不大的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，共13項(xiàng)，綜合型實(shí)驗(yàn)為涉及多門課程的綜合型實(shí)驗(yàn)，共4項(xiàng)，如圖9所示。

(一)基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

土木工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是周期長、體量大，且具有一定的危險(xiǎn)性。即便能開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，往往也僅針對某一個(gè)工況，并不能反映綜合狀況。因此，基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可有效彌補(bǔ)實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足，從而實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”。典型基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有簡支鋼桁架靜載非破壞性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和鋼筋混凝土簡支梁受彎破壞全過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。

由于基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是所有土木專業(yè)學(xué)生必須要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其應(yīng)用范圍廣泛。相對于其他類型實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備簡單、操作方便。目前實(shí)驗(yàn)室能開設(shè)的基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要包括混凝土梁、柱承載力實(shí)驗(yàn)，總數(shù)量有限。由于基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用范圍廣、門檻低、數(shù)量有限，存在極其嚴(yán)重的重復(fù)建設(shè)問題。其中，7項(xiàng)基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中有6項(xiàng)是關(guān)于混凝土承載力的。顯然，扣除重復(fù)數(shù)目，基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有效數(shù)僅為2個(gè)，在總的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中占比較少。

(二)提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真項(xiàng)目的另一個(gè)特點(diǎn)是“能實(shí)不虛”，即能進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不需要或沒必要進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的對象往往是高危、高消耗、高周期的實(shí)驗(yàn)。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)滿足教學(xué)大綱需求，讓學(xué)生掌握或了解相應(yīng)的知識點(diǎn)。提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同時(shí)具備上述兩種特點(diǎn)，典型的實(shí)驗(yàn)包括鋼筋混凝土墩柱抗爆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和大型建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞仿真實(shí)驗(yàn)等。

與基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相比，提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有門檻高、專業(yè)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)難度大的特點(diǎn)。為達(dá)到教學(xué)目的，提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通常基于若干個(gè)大型(高危、高消耗、高周期)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬搭建完整的數(shù)據(jù)庫。提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將大綱范圍內(nèi)很難或無法進(jìn)行的實(shí)體實(shí)驗(yàn)采用虛擬方式展現(xiàn)，完全契合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的和意義，是今后土木類虛擬仿真項(xiàng)目的發(fā)展方向。

(三)拓展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

拓展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類似，都是針對實(shí)體實(shí)驗(yàn)無法或很難開展的情況，區(qū)別在于拓展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)介紹的相關(guān)知識對學(xué)生從事專業(yè)活動(dòng)影響不大，典型的實(shí)驗(yàn)包括城市設(shè)計(jì)實(shí)景環(huán)境建模虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。

大部分土木類拓展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都有兩種屬性，即土木工程專業(yè)的拓展類實(shí)驗(yàn)和其他專業(yè)的提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以城市設(shè)計(jì)實(shí)景環(huán)境建模虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，土木工程專業(yè)的學(xué)生顯然不需要掌握城市設(shè)計(jì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)知識，但對于建筑規(guī)劃專業(yè)和建筑環(huán)境專業(yè)，上述知識點(diǎn)是必須要掌握的。同樣，土木工程專業(yè)的提高型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如鋼筋混凝土墩柱抗爆虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和大型建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞仿真實(shí)驗(yàn)，對建筑規(guī)劃和建筑環(huán)境等專業(yè)而言則是拓展類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(四)綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

綜合型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指涉及多個(gè)知識點(diǎn)或多門課程的綜合型實(shí)驗(yàn)，該類型的實(shí)驗(yàn)兼具基礎(chǔ)型、提高型和拓展型的特點(diǎn)，打破課程間的限制，使學(xué)生更加全面掌握相關(guān)知識，同樣符合虛擬仿真目的和意義。典型的實(shí)驗(yàn)包括輕型鋼木結(jié)構(gòu)多學(xué)科開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和單層工業(yè)廠房施工技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。然而由于此類項(xiàng)目需要多學(xué)科配合，制作難度大，數(shù)量有限，應(yīng)在今后的建設(shè)中重點(diǎn)支持。

七、土木類虛擬仿真項(xiàng)目發(fā)展趨勢及建設(shè)思路

作為“金課”的重要組成部分，國家虛擬仿真項(xiàng)目應(yīng)具備以下特點(diǎn)：以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運(yùn)行模式、敬業(yè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍、持續(xù)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系和顯著示范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[1]。針對土木類虛擬仿真項(xiàng)目，具體發(fā)展趨勢及建設(shè)思路如下：

(1)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目需要滿足教學(xué)大綱要求。土木類虛擬仿真項(xiàng)目必須滿足土木工程人才培養(yǎng)的要求，土木工程專業(yè)排名靠前的學(xué)校在土木類虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)中具有較大優(yōu)勢，但其他高校并沒有被排除在虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)之外。

(2)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重點(diǎn)建設(shè)“兩高一長”項(xiàng)目?！皟筛咭婚L”即實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高、危險(xiǎn)性高和實(shí)驗(yàn)周期長?！澳軐?shí)不虛”是虛擬仿真項(xiàng)目的重要原則，虛擬仿真項(xiàng)目應(yīng)針對無法或很難進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，這也是土木類虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容多集中在混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)施工、工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)和地下工程施工四方面的原因。

(3)土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)體現(xiàn)“兩性一度”?！皟尚砸欢取奔刺摂M仿真項(xiàng)目的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。土木類虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)過程中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)有意識地依托大型實(shí)際工程并融入土木工程領(lǐng)域最新的研究成果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力。因此，提高型虛擬仿真項(xiàng)目將是今后土木類虛擬仿真項(xiàng)目的發(fā)展方向。

(4)發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟在土木類虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)中的指導(dǎo)作用。如何在避免重復(fù)的基礎(chǔ)上建設(shè)虛擬仿真資源，是今后土木類虛擬仿真項(xiàng)目面臨的重要問題。在2018年的50項(xiàng)土木類虛擬仿真項(xiàng)目中，有6項(xiàng)是關(guān)于混凝土承載力的，造成了極大的資源浪費(fèi)。為解決這個(gè)問題，應(yīng)充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟的指導(dǎo)作用，盡快提出土木類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)指南，從而實(shí)現(xiàn)虛擬仿真資源的優(yōu)化。

(5)發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，提高項(xiàng)目參與人員的積極性。由于虛擬仿真項(xiàng)目的專業(yè)性和復(fù)雜性，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)具備較高的學(xué)歷和職稱。除此之外，虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)過程中還需配備在線教學(xué)服務(wù)人員和技術(shù)支持人員，建設(shè)完成后，配備維護(hù)人員。因此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)過程中需要發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，并提高項(xiàng)目參與人員的積極性。