高校土木工程虚拟仿真实验教学方法探索

高校土木工程虚拟仿真实验教学方法探索

卢海峰 1,2 孔晓璇 1,2 吴月秀 1,2 王书法 1,2

1. 武汉大学 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室 湖北武汉 430072； 2. 武汉大学 土木建筑工程学院 湖北武汉 430072

摘要：虚拟仿真实验教学项目是教育部重点支持和推进的项目，也是未来实验教学的趋势和方向，而土木工程类实验往往面临成本高、周期长、试样体量巨大、实验场地和加载设备难以配备等问题，使得很多实验难以在本科教学阶段广泛开展，就需要借助虚拟仿真实验教学来开展，土木工程类实验教学方法也必须在传统的实验教学基础上，依托虚拟仿真技术在多方面进行拓展和改革。本文通过对国内高校土木工程虚拟仿真实验教学情况的调研分析，结合本校土木工程虚拟仿真实验教学情况，对土木工程虚拟仿真实验教学方法进行了探索，提出了高校土木工程虚拟仿真实验教学方法优化设计建议，为高校土木工程虚拟仿真实验教学推广提供了指导。

关键词: 虚拟仿真；土木工程；实验教学方法；优化设计

根据习主席在国际教育信息大会上的重要讲话精神，教育部在2016-2017年连续发布6份文件，持续推进教育教学改革深化、虚拟仿真教学项目建设,并制定了2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划。土木工程类实验往往面临成本高、周期长、试样体量巨大、实验场地和加载设备难以配备等问题，使得很多实验难以在本科教学阶段广泛开展，而虚拟仿真技术和实验项目的开展对土木工程类实验教学具有十分重要的意义。虚拟仿真技术和实验项目是未来实验教学的趋势和方向，土木工程类实验教学也必须在传统的实验教学基础上，依托虚拟仿真技术在多方面进行拓展和改革。

虚拟仿真实验教学与传统的实验教学在形式和方法上都有很大的区别，对于大多数教师和学生都是第一次接触。本文依托学院建设的虚拟仿真实验教学项目，通过调研分析，对土木工程类虚拟仿真实验教学方法进行研究，使得学生通过虚拟仿真实验能够真正掌握土木工程相关实验技能和专业知识，并通过虚拟仿真实验开发学生自主创新的实验能力，为土木工程类虚拟仿真实验教学的进一步推广提供指导。

1. 高校土木工程虚拟仿真实验教学现状

教育部《2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》明确从2017年起，分年度建设1000个项目，其中土木类在2018年和2019年每年评选出10个国家级项目。土木类国家级虚拟仿真实验平台涵盖建筑学、城乡规划学、风景园林学、力学、土木工程、市政工程、工程管理、交通运输工程等多个土木类学科专业。2018年认定的土木类国家级虚拟仿真实验教学项目中包含土木工程项目11项，建筑环境与能源应用1项，建筑电气与智能化1项；2019年认定的土木类国家级虚拟仿真实验教学项目中包含土木工程项目16项，建筑环境与能源应用2项，市政安全2项。

（a）项目申报高校情况 (b) 项目获批高校情况

图 1 2019年国家虚拟仿真项目申请获批高校情况

2019年土木类国家虚拟仿真实验教学项目进入国家评审阶段的高校共有63所，其中双一流高校占比44%，非双一流高校占比56（图1a），大多数高校只有1项参评，广州大学、桂林电子科技大学、河北工业大学和浙江大学有各有2项参评，兰州理工大学有3项参评。从数据中可以看出，在土木类虚拟仿真实验教学项目投入方面，非双一流高校的重视程度和投入力度要明显大于双一流高校。从项目获批立项情况来看（图1b）,双一流高校项目获批比例显著大于非双一流高校，说明在建设能力和水平上，双一流高校还是有一定的优势。

为了进一步了解国内高校土木工程专业虚拟仿真实验教学现状，本文对同济大学、中南大学、中国矿业大学、桂林电子科技大学、武汉大学等20多所高校近800名学生进行了问卷调查。从调查结果中可以看出，学生对虚拟仿真实验教学项目认识程度有限，只有不到30%的学生了解虚拟仿真实验教学项目，有近30%的学生完全不知道（图2），选修过虚拟仿真课程的学生占比不到30%（图3），调查学生反映课程设置中只有31%将虚拟仿真实验课程列为必修课，开设了虚拟仿真实验课程但未列入必修课的占比45%，24%为开设虚拟仿真实验课程（图4）。

图 2 高校学生对虚拟仿真项目了解情况 图3学生选修虚拟仿真课程情况

图4高校开设虚拟仿真课程情况

目前，国内高校土木工程虚拟仿真实验教学还处在起步阶段，大多数高校虚拟仿真实验教学建设还处在政策驱动阶段，学生参与和普及程度有限，双一流高校重视程度有待提高和加强，学校需要在政策驱动的指引下逐步向学生需求导向过渡，制定完善合理的虚拟仿真实验教学建设方案和计划。

2. 高校土木工程虚拟仿真实验教学方法探索

虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会在《虚拟仿真实验教学课程建设与共享应用规范（试用版2020）》中指出：高校应该首先是为满足自身的教学需要来开展虚拟仿真实验教学项目建设，实验项目的选择应根据专业人才培养方案，对应专业教学计划学分课程中的实验教学基本单元。实验设计要能够激发学生的学习兴趣，要体现基本要求基础上的研究与探索，凸显高阶性、创新性与挑战度，提高学生自主学习与探究的能力，培养学生发现问题和解决问题的能力。

土木工程是一门应用性和实践性很强的学科，专业人才培养涉及知识面广，专业领域跨度较大，实验教学内容可以小到土颗粒的密度测试，大到结构杆件的破坏，甚至大型现场实验。问卷调查显示，近41%的学生倾向于虚拟仿真实验教学，32%的学生倾向于传统实验教学，另有27%的学生认为两者同样重要（图5）。学生们对于虚拟仿真实验教学课程在所有实验教学课程中应占有的比例意见也不一致，约57%的学生认为虚拟仿真实验教学课程在所有实验课程中的占比为20%，极其少量学生选择了占比0%和100%（图6）。两项调研结果反映出在土木工程实验教学上，传统实验与虚拟仿真实验的地位同等重要。

图5传统实验教学和虚拟仿真实验教学倾向性 图6 虚拟仿真实验在实验课程中的比例倾向性

土木工程实验教学既要考虑专业知识的训练，同时也要兼顾学生的兴趣爱好和行业的前沿发展问题。以2018年获批立项的土木工程虚拟仿真实验教学项目为例，开展了学生感兴趣项目调研（图7），结果显示虽然学生的兴趣爱好差异较大，但在部分热门和普适性的主题上还是有有一定共性的，比如地震、材料等相关领域学生关注度明显较高。

图7 学生感兴趣项目调研（以2018年获批国家级土木类项目为例）

虚拟仿真实验教学为学生提供了更为灵活的学习方式，学生可以自主在电脑上开展实验练习，时间更为灵活。然而，在对700多名学生进行的教学方式问卷调查中（图8），大多数学生希望集中在专门的虚拟仿真实验教室，由专业老师带领共同完成虚拟仿真实验课程。

图8 虚拟仿真项目教学形式调研

综合学生虚拟仿真实验教学的调查，考虑土木工程专业特点和发展趋势，建议高校土木工程虚拟仿真实验教学方法从以下几方面开展：（1）教学大纲的制定要考虑教学方宜采用传统教学和虚拟仿真教学相结合的方式：宏观虚拟仿真教学将工程搬到实验室，为学生提供更多的虚拟现场实践机会；传统实验教学为加深学生对专业知识点的认识，同时提高学生对土木工程内涵的触碰感。（2）教学内容的选择尽可能遴选能够涵盖大多数专业知识点的项目，同时考虑行业发展热点和前沿，激发学生兴趣和创新思维，培养新工科时代的土木工程师。（3）教学方式宜采用集中讲解操作和学生自主练习相结合的方式，并结合具体内容灵活安排授课方式，提高课堂互动性。

3. 高校土木工程虚拟仿真实验考核评估方法探索

教学包括教师传授教育和学生学习，同时也需要合理的考核评估方法来进行验证和督促，实验教学也不例外，也需要合理的考核评估方法来检验学生的学习效果和评估教学方法的合理性。实验考核要突出对实验核心知识和能力要素的过程考核，以便评价学生的达成度，实现对学生能力结构分析，并达到以此基础不断持续完善实验设计的要求。

图9 虚拟仿真项目教学评分方式调研

土木工程虚拟仿真实验教学是一种新的实验教学形式，若完全照搬传统实验教学的考核评估方法可能无法发挥虚拟仿真实验教学的特点。学生对虚拟仿真教学评分方式的调研结果（图9）也显示大多数（约74%）学生认为虚拟仿真实验教学考核评分应该由电脑自动评分和教师评分相结合。对于虚拟仿真实验教学所占学分的调研（图10），大多数学生选择了较为折中的学分设置，但对于课程评分设置方式的调研结果显示（图11），大家意见很难统一，对传统实验的执著和对虚拟仿真实验的新奇感同时存在，考核评估方式选择也存在多样性。

图10 虚拟仿真实验教学所占学分调研

图11 虚拟仿真实验教学课程评分设置调研

结合土木工程虚拟仿真实验教学方法设置探索研究结果，综合分析高校土木工程虚拟仿真实验教学考核评估方法调研分析结果，建议高校土木工程虚拟仿真实验教学考核评估方法可从以下几方面开展：（1）考核方式可以从过程考核、总结考核和综合考核三个方面来设计，过程考核重点考察学生操作能力，总结考核重点考察学生总结分析能力，综合考核重点考察学生自主创新能力。（2）考核方法宜采用线上线下、传统和虚拟相结合的方法，宏观大型现场土木工程实验可采用虚拟仿真实验考核方法，细节内容可采用传统实验方法予以辅助考核，同时可增设部分创新虚拟设计实验鼓励和提高学生自主创新能力。（3）考核形式可以采用学生自主线上考核评分与集中操作考核相结合的方式，利用全国统一虚拟仿真实验平台上的项目，采用积分制鼓励学生多参与操作。

4. 结语

虚拟仿真技术和实验项目是未来实验教学的趋势和方向，土木工程实验教学也必须在传统的实验教学基础上，依托虚拟仿真技术在多方面进行拓展和改革。本文通过调研分析，结合学科专业特点，对土木工程类虚拟仿真实验教学方法进行探索研究，研究工作一方面可以保障拟建设虚拟仿真教学项目的顺利实施，另一方面可为土木工程类其他虚拟仿真教学工作的开展提供指导，也有助于提高教师进行虚拟仿真实验教学的质量，对学生实验技能和理论知识的培养也具有重要的意义。

参考文献

[1] 教育部高等教育司. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函[2013]94 号）[Z].

[2] 虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会. 虚拟仿真实验教学课程建设与共享应用规范（试用版2020）.

[3] 徐明,熊宏齐,吴刚,宗周红,汪丰,舒赣平.土木工程虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验室研究与探索,2016,35(02):139-14.

[4] 孙澄宇,黄一如.同济大学虚拟仿真实验教学2.0建设[J].城市建筑,2015(28):43-46.

[5] 孔晓璇，卢海峰. 高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索[J]. 工程管理前沿，2020,6（9）:209-211.