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虚拟仿真实验平台在土木工程的应用

2020-04-03 14:55 来源:土木工程论文 人参与在线咨询

摘要:开展虚拟仿真教学是国家教育信息化的具体体现,是未来高校实践教学发展的必由之路。首先,本文总结土木工程专业课程相关教学实验的特点,阐述进行虚拟仿真实验平台建设的必要性。其次,分析虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的优势及作用,并提出虚拟仿真实验平台用于土木专业教学的具体举措。最后,阐述虚拟仿真教学存在的共性问题及解决策略,为今后高校土工工程专业课程开展虚拟仿真实验平台建设提供参考。

关键词:虚拟仿真;教育信息化;土木工程;实践教学

土木工程具有十分鲜明的行业背景和特点,随着社会的发展和技术进步,工程结构越来越大型化、复杂化,超高层建筑、特大型桥梁、巨型大坝、复杂的地铁系统不断涌现,满足了人们的生活需求,同时也演变为社会实力的象征。在土木工程专业的人才培养中,实验教学对学生实践能力、工程素质和创新精神的培养占有非常重要地位,由于开展实习、实践、实验等教学活动所需场地、时间和经费等诸多因素的制约,传统的实验形式单一、内容较少、知识分散,不能很好地适应工程建设快速发展对人才培养提出的新要求,迫切需要开展虚拟仿真实验,以弥补实体实验教学的不足。同时,《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出,“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以髙度重视”。为此教育部加强了对实验教学信息化工作的宏观指导,先后出台《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》《2017年教育信息化工作要点》《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》等相关文件,旨在深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,拓展实验教学内容广度和深度,延伸实验教学时间和空间,提升实验教学质量和水平,其迫切性和重要性毋庸置疑。

一、土木工程专业实验的特点

土木工程是基于实践经验发展而来的学科,其核心课程如《混凝土结构设计原理》《桥梁工程》《钢结构设计基本原理》《隧道工程》《基础工程》《工程结构抗震》等,所涉及的教学实验普遍存在以下特点。

1.实验构件体量大、周期长

实体的房屋建筑、桥梁、隧道等工程,一般体量都很大,如高层结构中的剪力墙、大跨度桥梁的墩柱等,对这些大体量的结构或构件,在实验室完成其实体实验几乎是不可能的,同时,土木工程专业实验还存在成本髙、实验周期长等特点,如钢筋混凝土梁、柱构件实体实验模型,从试件设计,钢筋下料、模板制作、混凝土浇筑、养护直至加载试验不仅耗费大量资源,实验周期也很长,制约了学生的全程直接参与。

2.实验危险性高、消耗大

土木工程专业实验一般都要进行结构构件的破坏性实验,而很多破坏性实验都具有一定的突然性,实验过程中的安全情况难以控制,特别是工程结构抗震、抗火和抗风等实体实验项目,其危险性更高,加之实验均为一次性破坏实验,每次均要制作模型结构构件,造成实验资源消耗较大。例如,地震模拟振动台设备价值昂贵,实验模型成本高、资源消耗大;结构抗火实体实验除实验条件限制外,实验过程危险性高,资源消粍也大;风洞实验设备同样昂贵,且利用率低,造成了极大浪费。这些都在一定程度上制约了实体实验教学的开展。

3.缺乏全过程的实验体验

实验教学课程一般包括试件设计、试件制作、实验加载、实验测试、数据处理,最后完成实验报告。由于每项实验学时及试件数量的限制,学生大多分为5~8人一组,每组负责一块内容,分工协作,以小组为单位共同完成,导致每个学生不能独立系统地完成整个实验工作,缺乏对试验的整体认知。

二、虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的优势及作用

1.虚拟仿真在土木工程教学中的优势

上述土木工程专业实验教学环节存在的不足,导致了学生专业理论学习和工程实践能力培养的明显不协调。虚拟仿真实验是对真实实验的重要补充,通过建立虚拟仿真实验平台,充分发挥仿真实验教学的安全性、可重复性,学习时间和地域灵活性,节能绿色性,利用可视化的动态仿真帮助学生更直观地认识实验现象和实验结果,加深对理论知识的理解程度。以《混凝土结构基本原理》课程为例,在传统教学过程中,该课程针对“钢筋混凝土受弯构件正截面受弯实验、斜截面受剪实验以及钢筋混凝土短柱偏心受压实验”等内容,由于真实实验滞后,多数情况下采用录像视频进行实验教学,学生虽然在一定程度上理解了混凝土基本原理,但对混凝土基本构件的受力性质和破坏现象不能深入掌握。除此之外,该实验属破坏性实验,实验费用较高,危险性较大,且周期较长,实验准备工作烦琐。例如,每组实验时每个构件成本约1000元,从材料准备、浇筑到开始实验至少需要一个月的时间,而且,从初始准备到实验实施粘贴应变片,布置测试仪表,调整加载装置,调试等过程,需要实验辅助人员2~3天的时间,由于这些实体实验存在的一系列问题,虚拟仿真实验便展现了其先天的优越性。基于虚拟仿真实验平台,学生通过软件操作,即可完成从试件设计到加载破坏整个实验过程,内容直观形象,激发了学生的学习兴趣,解决了实物实验消耗大,危险性高,过程不可逆等问题,满足了新时代学生“求变求新”和“碎片化”的学习特点,极大地提高了学生的学习效率。

2.虚拟仿真在土木工程教学中的作用

虚拟仿真实验能够有效整合各类实验教学资源,建立有利于创新性人才培养的实验教学体系,其构建技术先进、功能集约、资源优化、开放共享、运行高效、具有虚实结合的实验教学平台和贴近实际、高度仿真的虚拟实验环境,为学生自主学习、自主实验和创新实践创造了条件。它能够推动信息技术与学科专业的高度融合,加强实验教学资源、管理和支持服务的信息化建设,深入探索信息技术在实验教学中的应用,在信息技术支撑下改革实验教学模式与方法。紧密结合教学与科研,将科研理念、成果及方法融入实验教学,提高学生的科学研究和科技创新能力。虚拟仿真实验具有经济省钱、生动直观、安全可靠、情景再现、客观真实等优越性,真正实现了资源开放。因此,虚拟仿真实验为我国土木工程实践教学指明了方向。

三、虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的具体应用

在教学方法上,依托网络,借助网络终端设备,登录虚拟仿真实验平台,点击相应的实验项目,通过在线互动操作、答题等方式,完成实验教学内容。首先,学生认真阅读实验指导书,了解实验目的、试验原理以及实验步骤,进行实验前预习。其次,教师通过虚拟仿真实验平台进行实验内容讲解,并演示操作。再次,学生进行本次试验的虚拟仿真实验操作,通过虚拟仿真管理平台上传实验报告,供教师审阅。在评价体系上,设置针对学生的考核模块,在线测试,学生通过虚拟仿真实验操作后,对实验结果加以分析,对实验效果加以评价;同时形成实验报告上传,任课教师对实验报告进行批阅,就学生的实验质量进行评价,形成多层次、多角度的评价体系。在资源共享上,实践教学仿真平台整合虚拟教学资源,形成教、学、做、评一体化的教学软件系统;教师可以轻松地安排教学内容,掌控实验过程,进行成绩统计;学生可以不受时间空间限制,只要有网络的地方就可以动手操作实验。不仅可满足校内学生的使用,还可满足其他高校师生及行业人员需求。

四、存在的问题及建议

在教育信息化的大背景下,全国各高校普遍重视虚拟仿真实验平台的建设,现针对虚拟仿真实验平台建设过程中的存在的几个共性问题,提出相应解决策略。

1.虚拟仿真教学资源不够丰富

土木工程是一门实践性较强的学科,课程所涉及的相关实验较多,虚拟仿真实验教学优势独特,但前期投入较大,特别是内容制作花费昂贵。各高校普遍面临的问题是在资金限制下虚拟仿真实验资源不够丰富或后继实验内容拓展不够。针对此现象,首先,加大经费投入,对已有虚拟仿真实验平台进行扩展,收集分析学生对已有实验项目的反馈意见,不断优化结构,拓展新的资源,使平台成为一个体系完善的在线实验教学资源。其次,在虚拟仿真教学内容建设过程中一定要坚持“应用驱动、能实不虚”的原则,一些简单重复实验在正常实验课就能完成,完全没必要虚拟化。

2.虚拟仿真教学内容同质化

很多高校的虚拟仿真实验平台教学内容存在重复、同质化现象。有效的解决策略是全国资源共享,打破各虚拟仿真教学中心间的壁垒,让大家都能享受到虚拟仿真教学的好处。在更多高校、专业及年级对本虚拟仿真实验教学项目进行推广,与高校进行战略合作,以资源互换、远程共享、合作共建等方式进行推广,进一步延长开放时间,扩大开放范围,最终实现全面免费开放共享。

五、结束语

开展虚拟仿真教学是未来高校实践教学发展的必由之路,只要我们在土木工程专业理论和实践教学的基础上,突出应用驱动、资源共享,积极建设虚拟仿真实验教学平台,不断推进现代信息技术融入实验教学项目,探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系,必将助推高等教育教学质量变轨超车,实现我国的高等教育强国梦。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[EB/OL].

[2]肖晶,曾繁丽,何建.虚拟仿真实验技术在土木工程专业留学生实验教学中的应用探索[J].教育教学论坛,2019

[3]魏婧,马小莉,师丽,李玉根.土木工程虚拟仿真实验教学资源的探索与拟建[J].榆林学院学报,2016

[4]毕晓茜.虚拟仿真技术在土木工程类本科实验教学中的应用[J].当代教育实践与教学研究,2015

[5]金太成,杨丽萍,赵永斌.虚拟仿真实验平台在生物技术专业本科实践教学中的应用[J].长春师范大学学报,2019

作者:展猛 王社良 单位:黄淮学院建筑工程学院 西安建筑科技大学土木工程学院

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