●張德秋王晶彥孟祥華周 宇孫 鵬
當(dāng)今在高校實驗教學(xué)過程中,新工科背景下,與時俱進(jìn)、伴隨著信息時代的高速發(fā)展以及高等學(xué)校對實踐教學(xué)能力的要求不斷提高,虛擬仿真實驗教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用逐漸顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)越性①②。虛擬仿真實驗教學(xué)既能增加教學(xué)的樂趣、又是一種有效而且重要的教學(xué)方式,它可以利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)信息平臺等技術(shù)手段應(yīng)用于土木工程實驗教學(xué)中,解決以往的土木工程實踐教學(xué)與當(dāng)今信息時代應(yīng)用型人才培養(yǎng)之間突出的顯著問題。早在2013年教育部就啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)③。許多高校建立了高質(zhì)量的、具有前沿性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,可以有效地促進(jìn)教學(xué)改革和創(chuàng)新,為社會培養(yǎng)出高質(zhì)量的技術(shù)型人才。
近年來國家為了快速推進(jìn)“新工科”的實施,教育部先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等④。這些文件的出臺,為“新工科”的發(fā)展指明了方向。其中虛實結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(xué)就是在新工科專業(yè)發(fā)展的背景下進(jìn)入到普通高校的實驗教學(xué)當(dāng)中的,培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新型人才,在今后的新興產(chǎn)業(yè)和新時代經(jīng)濟(jì)需求的發(fā)展上更加具有創(chuàng)新力、競爭力,也成為教育教學(xué)改革的新趨勢。具有顯著的優(yōu)勢如圖1。
圖1新工科虛擬仿真實驗教學(xué)優(yōu)勢圖
現(xiàn)如今是網(wǎng)絡(luò)的時代、信息的時代,電子科技在飛速的發(fā)展,社會向前大步的邁進(jìn)。虛擬仿真實驗教學(xué)為高校培養(yǎng)新工科背景下創(chuàng)新型應(yīng)用型技術(shù)人才打通了渠道。虛擬仿真實驗教學(xué)在全國各大高校及科研部門得到了應(yīng)用和推廣。我學(xué)院從虛擬仿真實驗室構(gòu)建以來,充分利用這一平臺,并結(jié)合教學(xué)培養(yǎng)方案,發(fā)揮原有實驗教學(xué)條件,提高實驗教學(xué)效果,為今后的實驗教學(xué)提供了新思路,為培養(yǎng)新型人才搭好了平臺。
學(xué)院已完成了虛擬仿真系統(tǒng)平臺建設(shè)。在2018年獲批了省級虛擬仿真項目,資金支持200萬元,為實驗室建設(shè)提供了有力保障。這一平臺利用當(dāng)今最先進(jìn)的三維仿真技術(shù),涵蓋了建筑工程類所有專業(yè)的施工工藝流程、施工管理等實習(xí)、實訓(xùn)方面的大部分內(nèi)容,為實驗教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的辦學(xué)條件,虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以施工工藝和管理為主線,通過三維立體的、真實的施工項目為背景實訓(xùn)演示,達(dá)到身臨其境的感覺,讓學(xué)生們在教室里就能完成實驗的任務(wù),解決了以往分組實驗教學(xué)的難處,使教學(xué)更具有系統(tǒng)性、連貫性。
基于以上的優(yōu)勢和現(xiàn)狀,在當(dāng)前新工科教學(xué)改革的大背景下,應(yīng)該怎樣合理地利用好虛擬仿真平臺,為實驗教學(xué)服務(wù),培養(yǎng)好當(dāng)代大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力,來完成人才培養(yǎng)目標(biāo),是我們急需解決的問題。
土木工程專業(yè)的實驗教學(xué)場所就是虛擬仿真實驗教學(xué)實驗中心⑤⑥。本專業(yè)的特點(diǎn)是綜合性較強(qiáng)需要鍛煉學(xué)生的理論知識和實踐能力,提高和培養(yǎng)這種綜合能力,就需要在虛擬仿真教學(xué)上下功夫,用仿真平臺來實現(xiàn)現(xiàn)實工作中的各種操作。由圖2可以看出,虛擬仿真平臺給我們提供了豐富的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)手段。
首先,平臺提供的基礎(chǔ)知識板塊,能幫助學(xué)生更好地掌握土木工程的理論知識,其中包括:建筑常用類型、建筑力學(xué)知識、材料應(yīng)用知識、工程實操知識等內(nèi)容,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)的興趣,能把理論基礎(chǔ)知識掌握的更牢靠,為后期的實踐操作提供強(qiáng)有力的支撐。
圖2虛擬仿真實驗教學(xué)資源圖
其次,三維仿真板塊,能真實地還原施工現(xiàn)場,可以像操作游戲一樣完成實驗,這其中有三種模式,能達(dá)到實踐、教學(xué)、考評等目的。資料庫和工具箱,模仿了真實的施工場景包含了施工中用到的所有數(shù)據(jù)和資料、施工中用到的所有工具等,使學(xué)生們能快速地了解到施工的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、掌握工具的用途和使用方法。這里的流程菜單、地圖等可以學(xué)習(xí)施工管理、工藝和掌握整個施工現(xiàn)場的情況。測量放線是工程中的重點(diǎn),學(xué)生通過虛擬仿真平臺學(xué)習(xí)工程測量的方法,充分意識到測量對工程進(jìn)度、質(zhì)量等問題的影響。實驗教師可以反復(fù)地用虛擬仿真技術(shù)來講解各種測量方法,使學(xué)生更好地掌握測量的技巧,快速而準(zhǔn)確地放線施工。虛擬仿真系統(tǒng)包含了施工整個過程,保證了系統(tǒng)的完整性、準(zhǔn)確性。
最后,虛擬仿真系統(tǒng)能達(dá)到和實現(xiàn)的目標(biāo)。其一,學(xué)生將理論知識與實踐技能學(xué)習(xí)相結(jié)合起來,提高了綜合素質(zhì)。通過仿真系統(tǒng)的相關(guān)知識完成畢業(yè)設(shè)計等方面的工作。其二,教師能充分發(fā)揮這一平臺的優(yōu)勢,將理論知識與技能鍛煉實踐相結(jié)合起來,豐富了教學(xué)資源,形成了完整的、合理的、適用的人才培養(yǎng)方案,提高了教學(xué)水平和教學(xué)效果。其三,學(xué)院的教學(xué)條件得到了改善,也可以面向社會,對教師進(jìn)修、培訓(xùn)提供場所,實現(xiàn)資源共享,為今后的教育教學(xué)改革、教學(xué)評估提供了有力保障。
總之,在教育教學(xué)改革進(jìn)行中,國家對“新工科”創(chuàng)新型人才的全新培養(yǎng)形勢下,土木工程專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)不僅節(jié)約實驗教學(xué)成本,而且在教育教學(xué)改革中突顯出優(yōu)勢和重要性。利用土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)資源具有系統(tǒng)性、整體性、立體性強(qiáng)等特點(diǎn),提升地方高校辦學(xué)條件,提高實驗教師教學(xué)能力,培養(yǎng)出高質(zhì)量的創(chuàng)新型的合格人才。
[基金項目:黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目(項目編號:SJGY20190667);佳木斯大學(xué)教育教學(xué)研究項目(項目編號:2018JYXB-001);佳木斯大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(2020JY2-15)]
注釋:
①唐向陽,馬驍飛,郭翠梨等.建設(shè)高水平“化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的思路與探索[J].高等理科教育,2015(6):102-107
②林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究,2017(2):26-35
③教育部高教司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94號
④李正良,廖瑞金,董凌燕.新工科專業(yè)建設(shè):內(nèi)涵、路徑與培養(yǎng)模式[J].高等工程教育研究,2018(2):20-24,51
⑤曹玉珍,余輝,安家寶.等基于體感交互的虛擬操作實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室科學(xué),2015,18(4):53-55
⑥蔡釩,陳愛城,王明茲,等.虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建[J].實驗室科學(xué),2018,21(1):121-123,127