服務土木工程三層次課程體系的 虛擬仿真實驗教學資源建設

李軍 李曉東 崔祎菲 張鵬 曲成平

摘要：為了培養學生的專業興趣，以及應用創新能力和解決復雜工程問題實踐能力，提出服務于土木工程三層次專業課程體系，即土木工程“核心—方向—拓展”課程體系的虛擬仿真實驗教學資源的建設與應用思路。三層次課程體系具有將實驗教學與理論教學、實踐教學與工程實際有機結合的特點。新開設具有“虛實結合”特點的土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程，包含土木工程專業急需的實驗教學內容，以適應大學生成長的新特點和信息化時代教育教學的新規律。依托國家級實驗教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學項目和多項教研教改課題，以虛擬仿真“金課”標準建成服務于三層次課程體系的虛擬仿真實驗資源庫，并結合虛擬仿真項目、課程建設及教材建設，構建立體化教學資源。

關鍵詞：土木工程;虛擬仿真實驗;實驗教學資源;核心-方向-拓展;課程體系

中圖分類號：G642.423;TU-4?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）01-0130-07

隨著新時代城鎮化進程的不斷深入和經濟建設的快速發展，特別是互聯網+、智能建造等新技術的不斷涌現，我國土木工程行業發展面臨重大轉型[1]，亟需多學科多方向交叉融合的創新型復合技術人才。針對這一需求，青島理工大學構建了土木工程“核心—方向—拓展” 三層次專業課程體系（以下簡稱三層次課程體系），即以專業基礎課為核心，以建筑工程、巖土與地下工程、道路橋梁工程為專業方向，以科研成果與工程前沿為拓展的課程體系。三層次課程體系與“培養學生專業興趣，提高學生應用創新能力以及解決復雜工程問題能力”人才培養目標密切相關。為了突出能力培養，需充分認識與高度重視實驗教學無可替代的作用 [2]。土木工程類專業實驗存在綜合性強、設備體量大、實驗環境惡劣、資源消耗大和耗時長等問題，近年來，“立足教學、教研融合、面向工程、開放共享” [3]的虛擬仿真實驗教學理念已滲透到很多院校的土木工程專業教學中。普遍認同的做法是：將科研成果反哺實驗教學，將重大工程實踐轉化為實驗教學內容，通過虛擬仿真實驗教學管理平臺，實現教學資源與仿真實驗的開放與共享[4-5]。

由于各院校人才培養的側重點、學科特點和實驗教學環境有所不同，開發的虛擬仿真實驗教學資源也會各具特色 [6-8]。青島理工大學土木工程學院以2007年獲批國家級特色專業為契機，提出知識和能力提升為培養特色

的人才培養理念，圍繞解決“人才培養定位”“知識與能力”提升的關鍵問題，開展了人才培養模式的教育目標研究，以及課堂內外的教學改革與實踐，逐步形成了以知識與能力提升為培養特色的土木工程創新人才培養模式，所提出的土木工程“核心—方向—拓展”三層次課程體系，要求實驗教學與理論教學、實踐教學與工程實際有機結合。由于既往的實驗課程不能充分支撐這一新要求，于是新開設了土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程，并構建了立足土建、交叉融合相關專業、共同提升的虛擬仿真實驗教學資源開放共享模式，在虛擬仿真實驗教學資源建設中積累了一些經驗。

一、服務土木工程三層次課程體系的實驗教學

（一）構建三層次課程體系，深化國家級實驗教學示范中心內涵

構建特色專業課程體系是深化示范中心內涵的首要工作[9]。 青島理工大學土建工程實驗教學示范中心自2014年獲批國家級實驗教學示范中心以來，注重強化示范中心的內涵建設，以促進學生應用創新能力和解決復雜工程問題實踐能力的提高。在國家級特色專業建設背景下，依據以知識和能力提升為培養特色的人才培養理念，構建強化學生綜合素質和綜合能力的專業知識系統，提出三層次課程體系的概念。該課程體系設置的土木工程專業核心課程包括理論力學、材料力學、結構力學、土力學、基礎工程、鋼結構基本原理、混凝土結構設計原理、土木工程施工;主要實踐性教學環節包括實驗、實習設計、社會實踐和科研訓練等，其中實驗包括基礎實驗、專業基礎實驗、專業實驗和科技研究性實驗。

為了實現三層次實踐教學與課程模塊的有機銜接，使選擇不同專業方向的學生專業知識和能力得以拓展，青島理工大學依托國家級實驗教學示范中心，先后成立了本科教學創新實踐中心、BIM實驗教學中心和虛擬仿真實驗教學中心。

（二）虛實結合的土木工程綜合實驗

為了適應人才培養的新要求，結合大學生成長的新特點以及信息化時代教育教學的新規律，虛擬仿真實驗教學中心以土木工程專業急需的實驗教學內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，綜合應用多媒體、大數據、3D建模、虛擬現實等網絡化、數字化、智能化技術手段，整合建設了以鋼結構基本原理、混凝土結構設計原理、土木工程材料等專業課程為核心，涵蓋建筑工程、巖土與地下工程、道路橋梁工程等方向專業課程的虛擬仿真實驗項目群，結合教學科研成果與土木工程發展前沿，形成虛實結合、理論與實踐互補的實驗教學體系，以解決土木工程專業實驗環境惡劣、資源消耗大、耗時長等，難以讓本科生廣泛、深入參與的實驗教學難題。

土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程在青島理工大學土木工程專業課程體系改革與虛擬仿真實驗教學資源建設中得以完善。該課程包含表1所示實驗，既包含傳統的實體實驗，也包括一些校企合作開發的具有原創性、示范性的虛擬仿真實驗。

二、國家級虛擬仿真實驗“金課”的培育

（一）以“金課”標準構建特色虛擬仿真實驗項目

國家虛擬仿真實驗教學項目是教育部推出的5類國家“金課”之一，對實驗內容、實驗構思、實驗技術、實驗做法、實驗評價、展現方式和拓展程度等均有一定要求[10]?！岸喾N環境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”是青島理工大學近年建設的優質虛擬仿真實驗教學資源之一，被認定為2018年國家虛擬仿真實驗教學項目。該項目依托入選國家“111計劃”的“海洋環境混凝土技術”創新引智基地科研成果，拓展學生知識結構，啟發學生科學思維，強化創新意識，以影響混凝土材料服役性能的腐蝕、凍融及高溫環境實驗為背景，設計包含五個子實驗的綜合性虛擬仿真實驗。

該項目結合專業特色和學科研究成果，采用現代信息技術，研發原理準確、內容緊湊、時長合理、難度適宜，體現了基礎與前沿的有機結合。重點突出了“海洋環境下的混凝土耐久性”的教學內容，借助虛擬仿真技術高度仿真中子成像、海水侵蝕及凍融、火災等傳統試驗難以實現的實驗條件，虛擬再現了多種環境下混凝土材料劣化過程。適用面較廣，可用于土木工程專業、材料科學與工程專業，以及工程管理專業、建筑學專業、城市地下空間工程專業等的學習;除適用于土木工程材料、混凝土結構耐久性、材料測試與分析技術、建筑結構實驗、混凝土基本原理等課程外，還適用于新型建筑材料、橋梁工程、工程結構鑒定與加固、城市地下工程等課程。

（二）以學生為中心的個性化學習方案設計

“多種環境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”為學生提供了有機聯系的五個子實驗，根據學生實際學習情況和興趣方向設定了四個學習目標。目標一為理解和掌握我國沿海環境下混凝土工程的劣化基礎知識及其原理;目標二為理解和掌握我國北方地區混凝土材料的凍融破壞過程及其機理;目標三為理解和掌握由海水侵蝕引起的材料性能劣化現象;目標四為理解和掌握“冰火（水火）”環境下混凝土材料的抗壓強度的變化規律。按照上述學習目標指導學生進行個性化選擇，實驗指導書為學生提供以下幾種學習方案：

（1）基于目標一選做“混凝土材料水分傳輸子實驗+混凝土抗海水侵蝕性能子實驗”;

（2）基于目標二選做“混凝土材料水分傳輸子實驗+抗凍融循環性能子實驗”;

（3）基于目標三選做“混凝土抗海水侵蝕性能子實驗+海水銹蝕鋼筋與混凝土粘接性能子實驗”;

（4）基于目標四選做”抗凍融循環性能（或混凝土抗海水侵蝕性能）子實驗+高溫環境混凝土受壓性能子實驗”。

前三種方案是針對單一環境下的實驗，第四種方案則可體現耦合環境，學生以此為拓展可以設計多種耦合實驗，旨在最大程度地提高學生創新實驗能力。

自加入國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺（http：//www.ilab-x.com/）以來，“多種環境下混凝土材料性能虛擬仿真實驗”面向全社會進行教學資源共享，截止到2019年9月，實驗瀏覽量達到15 847人次，共有4 134人次利用該平臺進行虛擬仿真實驗并進行評價，綜合評價得分4.8分（滿分5分），用戶滿意度和認可度較高。

三、基于優質虛擬仿真實驗的立體化教學資源建設

（一）服務三層次課程體系的優質虛擬仿真實驗

青島理工大學以國家虛擬仿真實驗教學項目為示范，通過整合優化鋼結構基本原理、混凝土結構設計原理、土木工程材料、土力學與基礎工程等專業核心課程的虛擬仿真實驗項目，針對建筑工程、巖土與地下工程、道路與橋梁工程等專業方向，創建了豐富的虛擬仿真實驗資源系統。其中，多種環境下混凝土材料性能虛擬仿真系統、輕鋼廠房雪災事故分析虛擬仿真實驗軟件、工程地質構造虛擬仿真系統、質量調諧阻尼器振動控制原理虛擬仿真系統、標準貫入虛擬仿真系統、事故現場還原——三豐百貨大樓虛擬仿真系統等30多項虛擬仿真實驗獲得軟件著作權。本文選擇代表性實驗資源簡要介紹其特點，如表2所示。這些實驗資源特色鮮明，原創性強，既注重強化學生基礎知識在實驗中的運用，還力求通過與科研成果和工程前沿的結合，拓展學生專業視野，激發學生專業興趣。

圖1表示三個專業方向共同虛擬仿真實驗和分別開設的虛擬仿真實驗。除了上述獲得軟件著作權的虛擬仿真實驗外，還包括正在開發的部分實驗。其中，各專業方向的共同實驗含施工類、工程材料類和測量類的虛擬仿真實驗，多數來源于工程實踐或科研成果，具有綜合性和拓展性。

（二）立體化實驗教學資源建設

為了在新形態教材、多媒體課件、虛擬仿真實驗教學平臺和實體實驗教學平臺中分別發揮虛擬仿真實驗的作用，青島理工大學土建虛擬仿真實驗教學中心提出立體化實驗教學資源的建設思路。以下以“輕鋼廠房雪災事故分析虛擬仿真實驗”為例進行說明。

1.實驗內容

該虛擬仿真實驗包括“導言”“事故還原仿真”“原理探究”和“知識擴展”四個環節，以受災輕鋼廠房事故為載體，借助虛擬現實技術還原輕鋼廠房受災倒塌過程，引導學生結合模擬實驗結果剖析失穩破壞原因，通過自主學習掌握鋼構件失穩實驗方法，并進行穩定性原理探究。實驗課“導言”環節引導學生了解輕鋼廠房在特大雪災時的破壞情況;“事故還原仿真”環節包括事故調查、事故還原;“原理探究”環節包括破壞要因分析、鋼梁失穩虛擬仿真實驗和軸壓柱失穩虛擬仿真實驗，有學習和考核模式，要求學生完成上述學習后撰寫實驗報告;“知識擴展”環節要求學生查閱文獻完成研究性報告。

“輕鋼廠房雪災事故分析虛擬仿真實驗”包含鋼梁整體失穩和軸壓柱整體失穩虛擬仿真實驗，是土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程中的實驗項目。要求學生在預習環節完成該虛擬仿真實驗，然后分組進行實體實驗，以實現“虛實結合”。

2.基于虛擬仿真的教學資源建設

《鋼結構基本原理》教材在青島理工大學作為新形態特色教材立項。教材編寫時，在構件穩定原理部分采用由“輕鋼廠房雪災事故分析虛擬仿真實驗”資源分解出的若干視頻學習資料，通過二維碼形式置于與教學內容相對應的位置，以便學生課上、課下隨時調閱學習，增強教材的趣味性，更好地發揮教材的作用。

鋼結構設計課程中包含“輕鋼廠房設計”內容，將“輕鋼廠房雪災事故分析虛擬仿真實驗”所仿真還原的輕鋼廠房漫游視頻置入教學課件中，讓學生及時認知輕鋼廠房的空間結構組成，克服教學過程中無法隨時去現場實習的問題。將仿真的廠房倒塌過程放在鋼結構基本原理課程教學課件中，使學生直觀認知各種構件的失穩特征，有利于原理課程的探究與學習。

綜上所述，隨著優質虛擬仿真實驗資源的不斷完善，結合虛擬仿真項目、課程建設以及教材建設開展立體化教學資源建設，以豐富土木工程專業教學手段，切實發揮虛擬仿真實驗教學成果在土木工程專業課程教學中的關鍵性、多樣性作用，提高教學實效。

四、結語

本文依托青島理工大學土木工程學院國家級實驗教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學項目和多項教研教改課題，闡述土木工程專業人才培養的三層次課程體系的概念和內涵，介紹了服務土木工程三層次課程體系的實驗教學思路和虛擬仿真實驗教學資源庫的建設成果。

所提出的三層次課程體系要求實驗教學與理論教學、實踐教學與工程實際有機銜接，為提高學生綜合素質和綜合能力，以及幫助學生掌握專業系統知識提供有力支撐。在三層次課程體系虛擬仿真實驗資源建設中，土木工程綜合實驗（含虛擬仿真）課程的建立起著重要的助推作用。以“金課”標準構建的虛擬仿真實驗教學資源，堅持以理論和實踐教學中的問題為導向，培養學生的專業學習興趣，提高學生的知識應用和創新能力，以及解決復雜工程問題的實踐能力。根據教學需要，在部分虛擬仿真實驗資源的建設與應用中，結合虛擬仿真項目、課程建設及教材建設，打造立體化教學資源，豐富土木工程專業教學手段，切實發揮虛擬仿真實驗教學成果在土木工程專業課程教學中的關鍵性、多樣性作用。參考文獻：

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Virtual simulation construction of experimental teaching

resources for triple-leveled civil engineering curriculum system

LI Jun， LI Xiaodong， CUI Yifei， ZHANG Peng， QU Chengping

（School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， P. R. China）

Abstract：

In order to strengthen the cultivation of students professional interest， application and innovation ability， and practical ability to solve complex engineering problems， the ideas of the construction and application of virtual simulation experimental teaching resources serving the triple-leveled professional curriculum system namely the “core-direction-expansion” curriculum system of civil engineering are proposed. The three-level curriculum system has the characteristics of connecting theoretical teaching with practical teaching， and engineering practice with experimental teaching. The course of comprehensive experiment of civil engineering （including virtual simulation） with the characteristics of virtual-real combination is newly established which contains the experimental teaching content urgently needed by civil engineering majors and adapts to the new characteristics of college students growth and new laws of education and teaching in the information age. Relying on the national-level experimental teaching demonstration center， the national-level virtual simulation experimental teaching project， and a number of teaching research and teaching reform subjects， the virtual simulation experimental resource library serving the triple-leveled curriculum system is built with the “golden course” standard of virtual simulation， and the three-dimensional teaching resources are constructed combined with virtual simulation projects， courses construction， and teaching material construction.

Key words： civil engineering; virtual simulation experiment; experimental teaching resources; core-direction-expansion; curriculum system

（責任編輯 王 宣）