高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索

高校土木工程虚拟仿真实验教学现状和发展趋势探索

孔晓璇 1,2 卢海峰 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: 虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容，是教育信息化发展和实验教学改革相结合的创新目标和产物，将虚拟仿真和多媒体技术应用于土木工程教学领域能够解决传统土木工程实践教学与现代应用型人才培养之间的矛盾，对于高校实验教学体系改革具有积极的促进作用。本文概述了土木类虚拟仿真实验教学发展历史、虚拟仿真实验项目特色以及实践案例，介绍了虚拟仿真实验教学中心和虚拟仿真实验教学项目的建设、评定和推广情况，分析了国内外高校以信息技术推动实验教学改革的发展趋势和新动向，相关研究工作为虚拟仿真实验教学项目的建设提供参考借鉴，有利于虚拟仿真教学模式在土木实验教学领域的应用与推广，促进土木工程专业教学模式的多元化发展和“卓越工程师教育培养计划”的实施。

关键词: 虚拟仿真；实验教学；土木工程；信息技术；发展动向

Current Situation and Development Trend Exploration of Virtual Simulation Experimental Teaching for Civil Engineering

Xiaoxuan Kong ^a,b,*, Haifeng Lu^a,b(a. Key Laboratory of Safety for Geotechnical and Structural Engineering of Hubei Province, School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China. b. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract: Virtual simulation experiment teaching plays an important role in national information education strategy, and is a product combining educational information development and experimental teaching reform. Application of virtual simulation and multimedia technology in the field of civil engineering teaching can solve the contradiction between traditional civil engineering practice teaching and modern application talent training needs, and it has a positive effect on the reform of experimental teaching system in colleges and universities. This paper outlines the history of virtual simulation experiment teaching for civil engineering and the characteristics of virtual simulation experiment projects, and introduces the construction, evaluation and promotion of virtual simulation experiment teaching project and teaching center. Furthermore, it analyzes the new trends of the experimental teaching reform driven by information technology, which provides reference for the construction of virtual simulation experiment teaching project. These research work is conducive to the application and promotion of the virtual simulation teaching mode in the field of civil engineering, and promotes the persified development of the teaching mode of civil engineering and the implementation of “a Plan for Educating and Training Outstanding Engineers”.

Key words: virtual simulation; experiment teaching; civil engineering; information technology; development trend

在人口、资源和环境压力持续加大、基础设施大规模更新、城市安全问题日益突出的今天，传统工程学科的内涵和外延正发生深刻变革，社会对具有过硬技术和实践技能的土木工程专业人才需求量增大，对工程师的培养方式也提出了更高的要求^[1]。土木工程专业课程理论知识抽象且难以直观展示，工程能力培养要求高且实践性强，实验教学在本科教学中占有举足轻重的地位，帮助学生构建全面系统的专业知识体系，提高实践能力和工程素养。

高校土木工程专业实验具有以下特点：实验构件大、加载周期长、加载设备工作量大，学生实际操作困难，需要配备专业实验人员从旁协助；由于受到实验材料和设备数量的限制，教学实验一般以分组的形式进行，部分学生在实验过程中仅旁观没有动手实际操作，无法培养操作实践能力；土木工程实验多为具有突发性的破坏性实验，在加载过程中发生突变和破坏时，若没有采取相应的保护措施容易造成人身伤害；由于工程完整施工周期较长，在土木类专业的实习实践中学生无法全面深入地体验建筑物施工的全过程，并且施工环境复杂危险因素多，学生参观或实习时存在一定的人身安全风险。

传统土木工程的实验教学多为演示型和验证型实验，存在实验操作流程简单、实验结果单一、内容缺少创新性和知识点难于系统化的弊病。为了能够解决传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾、拓展实验及实践教学的深度和广度、提高实验教学效率和效果，一些高校逐步引入了虚拟仿真实验项目，利用专业的仿真软件、多媒体技术以及网络通讯平台，开拓实践教学和创新能力培养的新途径，与课堂理论教学、有实体实验、认识实习和生产实习相结合，共同构建土木工程专业复合型创新人才培养体系^[2-4]。

本文整理了土木工程虚拟仿真实验教学中心和国家级虚拟仿真实验教学项目的发展现状，分析了虚拟实验教学平台的发展历史和发展方向，可为相关院校的虚拟实验中心建设和虚拟实验教学平台的开发所参考和借鉴。

1. 土木工程虚拟仿真实验发展历史

虚拟仿真实验的概念最早由美国William Wolf教授在1989年提出^[5]，是指综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术构筑电子化和网络化的科学研究集成环境，使学生能够在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，具有与真实实验一致、高度交互和实时信息反馈的特征。

目前国外比较著名的虚拟仿真现实实验室如下：微软公司开发的TechNet虚拟仿真实验室；卡耐基梅隆大学的IrYdium化学项目；Howard Hugh医学院开发的Biointeractive生物科学项目；美国航天局的Cogs虚拟显微镜实验室；俄勒冈大学的环境科学虚拟实验室；卡罗莱纳州立大学的LAAP虚拟屋里实验室；麻省理工大学的iLab虚拟实验室；宾夕法尼亚大学的虚拟语言实验室等^[6]。这些实验室在国际虚拟实验室领域享有极高的声誉。我国的虚拟仿真项目的起步与国外大学和机构相比稍晚，上个实际90年代末，国内一些大学和科研机构逐步开展了虚拟仿真实验室的建设，目前国内比较著名的虚拟实验室有清华大学工程力学虚拟实验室、中国科技大学的大学物理计算机仿真实验系统、浙江大学的虚拟电工电子网络实验室、国防大学战争模拟实验室、陕西师范大学虚拟实验测试中心等^[7]。

20世纪末，虚拟仿真技术被引入土木领域，美国和欧洲的高校最早开始工程类虚拟仿真实验室建设：麻省理工学院建设的i-campus项目，既可以通过互联网监控物理基础设施，也能够让工程专业的学生通过虚拟环境研究一个真实讯在的建筑构件或系统的荷载和失效过程^[8]；美国亚利桑那大学土木工程与工程力学系开发的水资源数字图书馆(GROW)和和虚拟岩土实验室^[9]；伊利诺伊大学的智能结构技术实验室(SSTL)用于研究结构的非线性动力学行为^[10]；葡萄牙里斯本理工大学将3D 模型和VR模型引入建筑、工程和建造领域(Architecture, Engineering and Construction, AEC)的教学^[11]。此时，国内一些高校紧跟国际潮流相继建设了一批虚拟仿真平台和虚拟仿真实验教学中心，比如同济大学的土木工程虚拟仿真实验教学中心、中南大学的土木工程虚拟仿真实验教学中心和浙江大学的土建类虚拟仿真实验教学中心等。

纵观土木工程虚拟仿真实验发展历史，伴随着技术的不断升级和变革可将其分为，三个阶段：(1)计算机仿真阶段，基于 Eclipse、WebBuilder、Visual Studio、AdobeFlash、LabVIEW 等开发平台和工具，结合主流的土建专业仿真计算软件，包括 PKPM、ANSYS、ABAQUS、BIM等，开展数字化工程设计、虚拟施工和管理、调试运行实践教学环节的虚拟仿真建设，主要以专业应用软件教学为主，这一时期限制了实验项目应用范围并且偏离了虚拟仿真实验教学的初衷；(2)单机虚拟仿真阶段，利用虚拟仿真技术模拟实验室仪器和场景，学生通过鼠标的点击和拖动组装实验系统或者通过交互设备（如头盔、VR眼镜和数据手套等）来驾驭实验环境，按照实验目的、要求和流程完成包括实验材料配置、实验条件设置、实验数据采集整理以及实验结果处理分析的整个实验过程，虚拟现实技术增加了实验的形象性、直观性和互动性，但实验项目仍受到硬件设备和空间时间的限制；(3)网络虚拟实验阶段，随着网络环境与技术条件的发展，“网络虚拟实验(Web-based Virtual Experiment)”概念被引入虚拟仿真实验项目，能够实现互联网与个人移动设备随时随地的在线使用，摆脱传统仿真项目对设备和空间的需求，虚拟仿真实验教学转向线上发展

^[12-13]。

2.土木类虚拟仿真实验教学中心和虚拟仿真实验教学项目现状

2.1土木类虚拟仿真实验教学中心发展现状

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。2013 年，教育部根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020)年）》，决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作^[1]。在2013-2015年评估建设的300个国家级虚拟仿真实验中心中，有10个土木类的国家级虚拟仿真实验中心（如表1所示），代表了土木类虚拟仿真实验室的最高水平。从学校来看，中央部属院校占6所，省属院校占4所，有8所高校属于教育部“卓越工程师教育培养计划”高校。

表1 土木类国家级虚拟仿真实验教学中心

各高校土木类虚拟仿真实验教学中心都具有各自教学特色，按照虚拟仿真实验教学中心的建设理念、设计思路和方案架构构建了不同的实验模块：(1)以专业方向划分，浙江大学土建类虚拟仿真实验教学中心包含工程力学基础、工程设计与施工、工程防灾与监测、工程规划与管理和创新设计与研究5个虚拟仿真实验平台，共计87个实验项目；西南交通大学包含由铁道、桥梁、地下、建工、岩土、道路6个专业模块和1个公共基础模块，拥有虚拟仿真实验教学系统30套和229个实验项目；西安建筑科技大学划分建筑工程、岩土与地下工程、道路与桥梁工程、土木施工与管理和建筑智能信息技术5个虚拟仿真实验模块，16个虚拟仿真教学系统和68项虚拟仿真实验；中国农业大学根据专业方向构建了水利工程、农建、土木三个实验教学模块；宁波大学划分基础性课程仿真和专业模块课程虚拟仿真（建筑结构工程、道路桥梁工程、岩土地下工程和工程项目管理），共计61个实验项目；中南大学的虚拟实验教学资源体系中包含基础型层次的3个虚拟仿真实验模块，专业型的铁路选线、道路工程、工程地质、隧道工程、防灾与安全、建筑结构、桥梁工程、工程施工与项目管理等8个虚拟仿真实验模块，创新型的5个虚拟仿真实验模块，共计61个实验项目；(2)以工程实践规律划分，福建工程学院搭建包括土木工程基础、设计、施工、管理、生产、创新等在内的六大模块，137个虚拟仿真实验项目；东南大学按专业知识体系与工程实践规律搭建了土木工程设计、施工、管理、创新实践四大模块，70项虚拟仿真实验；(3)以实验类型进行划分，同济大学以虚拟现实类实验、虚实结合类实验、性态仿真类实验划分虚拟发不发这个吧实验项目，共计61个实验项目。

2.2土木类虚拟仿真实验教学项目现状

根据2013年教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》精神，将利用10年的时间连续资助开展1000个国家级虚拟仿真实验教学中心建设，遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统^[1]。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。

图1国家虚拟仿真实验教学项目工作网所列2018-2019年参评示范性虚拟仿真实验教学项目(1)各类项目所占比例；(2)土木各分项所占比例(截至2019年6月)

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、岩土工程、桥梁与隧道工程、港口、海岸及近海工程、道路与铁道工程、交通运输工程等12个土木类学科专业，共50项虚拟仿真实验教学项目，在已完成的2018年的国家级虚拟仿真实验教学项目认定中已完成土木工程类项目11项，建筑环境与能源应用1项，建筑电气与智能化1项。示范性虚拟仿真实验教学项目是针对土木工程专业理论与实践教学需要，用于开展网络化、开放性和创新性的实验教学，实现优质实验教学资源的高度共享，为土木工程人才培养质量的持续提升提供坚实保障，也为后续虚拟仿真实验教学项目的建设提供示范和引领。

3.土木类虚拟仿真实验教学项目发展新动向

(1)建设可变参数且具备容错功能的虚拟仿真实验项目

传统土木工程虚拟仿真实验的模式主要为系统提供实验仪器设备和空间，学生完成实验设备的连接、组装和调试，设定相关参数和条件，按照流程和步骤完成实验。由于技术的限制，参数或参数组只能在系统中预设范围内选择，得到相对应的实验现象和结果，缺少探索空间和创新性。

随着三维图形软件和后台计算软件功能的大幅提高，土木类虚拟仿真实验教学项目逐步向综合设计型和研究创新型方向发展，实验中可采用不同的方法或设置多组参数和约束条件得出不同的实验结果，学生可以通过观察实验现象和分析数据结合所学理论知识分析参数对实验结果的影响。此外，在虚拟实验环境中教师和学生不必担心实验失败所可能带来的风险，可设定极限参数进行破坏性试验，观察实验对象的损伤破坏情况。在虚拟仿真实验设计时还增加了条件结构和循环结构，改变了传统虚拟仿真实验类似实验录像播放方式的顺序结构，学生在实验操作过程中改变实验参数和边界条件时，如果设定的实验条件不允许或出现错误，则会产生错误的实验结果现象或在系统中报错，只有实验条件、实验参数等配置正确，才可进行后续的实验操作。这种设定让学生重视实验细节操作，能够设计不同的实验方案或是灵活增加探索性实验内容，引导学生进行创新性实验研究，有利于加强知识融会贯通，调动起学生的实验的热情，，培养创新意识和能力。

(2) 构建学生自主和互动多样化的虚拟仿真实验项目

在虚拟仿真实验教学资源持续建设中发现，已完成的虚拟仿真实验大部分为演示型和验证型实验，教师是实验设计的主体，是传统的学科基础或专业应用类的室内实验的虚拟仿真化，实验操作流程固定且简单，学生往往按部就班的完成实验，缺乏独立思考和创新能力的培养。虚拟仿真实验教学资源建设需要转变观念，由以教师为中心的实验设计规划转向以学生为主的开放性实验模式。在确定课题或实验项目后，学生发挥信息技能，通过学习典型实验案例和关联知识点提出实验方案和构想，在虚拟仿真实验平台上完成实验。虚拟仿真平台提供给学生是错的机会，促使学生从课程内容的单一消费者向创造者和设计者转变。

在以学生为主的开放性虚拟仿真实验中，交互方式也随之发生改变，由过去主要的人机互动和学生与系统自动评价机制转向学生之间通过虚拟仿真平台进行合作或者建立用户社区的模式。在这个过程中，鼓励学生开展合作学习，学生与系统、老师与系统、学生与学生、学生与教师之间形成了在线用户社区，构建有利于学生合作学习、自主实验、协同探究的创新环境，学生在设计和完成实验过程中可以提升自我认同感和帮助他人的成就感，提升沟通能力和团队协作能力。

(3) 紧跟科研前沿实现实验教学内容的快速更新

目前，在国家虚拟仿真实验教学项目工作网站上线的土木类虚拟仿真教学项目多为学科基础实验和专业应用类试验，缺乏与学科领域前沿研究热点的结合。根据新形势下土木工程专业的人才培养需求，实验教学内容应紧密结合高水平科研成果和重大工程实验，依托研究中心、实验室、科研基地等，将科研成果、教学研究成果和特色工程实践向虚拟仿真实验教学内容转化，拓展了实验教学内容范围，使实验教学更具前瞻性强和专业性强。通过对科研成果的解析与实验认知，学生能够直接接触学科领域最前沿的热点问题，提升知识结构和科学素养，培养综合设计和创新能力。此外，前沿的科研成果也反映了当前最前沿、最重大的工程问题，开发为虚实结合的综合工程训练项目能够将工程理念与科学研究方法融入到实验教学训练中，让学生能够基于虚拟实验平台完成设计、施工等综合实验实践环节，拓宽专业技术视野，激发科研兴趣和学习动力，显著提升理论联系实际、学以致用的能力，为高端人才的培养提供了重要支撑。

(4) 校企合作构建面向实际工程的虚拟仿真实验平台

高校与国内土木行业设计和施工企业合作共同建设虚拟仿真项目是 “卓越工程师培养计划”实施过程中的新趋势。校企合作将一些国家重大工程项目转化为面向工程的虚拟仿真实验项目，将工程情境、工程问题、工程知识和工程经验系统地集成，构建与现场真实环境相似的工程情境。高校学生通过参与虚拟仿真实验项目或者完成与虚拟仿真项目结合实习、实践(如毕业设计等)，能够了解企业生产一线设备与工艺情况，体验和完成重大工程的各个重要环节，培养工程实践能力和工程素养。

虚拟仿真实验教学平台搭建起学校与企业的纽带与桥梁，不断将企业的新技术、新工艺和新方法融入实验教学中，企业也根据自身对土木工程毕业生基本素质和工程素质的需求，参与土木工程学生实践教学计划的制订和虚拟仿真实验教学平台的研发工作、软件维护和升级管理工作。企业也可利用虚拟仿真平台搭建模拟定岗实习实践平台进行员工培训，传承企业的先进实践经验和解决实际工程问题的方法，员工在虚拟实习过程中了解建筑施工的全过程和各环节的施工工艺，提高了工作能力和适应能力，奠定了今后踏上工作岗位结实基础。

(5) 构建以虚拟仿真实验教学项目为主体的未来教学实验室

在2019年国际人工智能与教育大会举行期间，在“通过人工智能促进可持续发展目标实现的新兴政策与战略”主题的部长论坛环节，中国教育部部长陈宝生指出，新一代信息技术的发展为中国教育带来了新的发展契机。虚拟仿真实验教学项目的研究推广推进现代信息技术与实验教学项目深度融合，推动专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目新体系的形成。未来教学实验室将会朝着涵盖情景化的实验、模块化的实验、虚实互补的实验、线上虚拟与线下实训相结合和集中训练与自主操练的多元化实验教学平台，不同层次、不同模块的实验教学内容相互交叉、融合，满足不同方向的学生从基础技能训练、综合技能训练到研究创新能力培养的要求。此外，随着近年来大数据、物联网、区块链等技术的发展，人工智能逐步被引入虚拟仿真实验教学和未来实验室的建设中，基于人工智能的学习分析为实现更为科学的个性化学习、个性化诊断、个性化反馈及因材施教提供了可能，推动个性化学习的智能实验教学系统的完善。

(6) 构建与MOOC结合的网络课程实验教学体系

以“慕课”为代表的在线学习方式彻底改变了传统的教与学的方式，使全球各地的在线学习人群能够共享优质的教育资源^[4]。但是在线教育资源和网络课程受到空间的限制，在教学过程中缺失了实验操作环节，学习者对实验环节缺乏直观认识并且实践能力偏弱。为克服这一问题，美国斯坦福大学、麻省理工学院、哥伦比亚大学、佐治亚理工学院等知名高校，相继在网络开放课程中增加了以虚拟实验室为依托的实践教学内容，主要形式有移动端的移动式交互实验、个性化自主实验和远程交互协同实验。目前这些网络开放课程已在慕课三大主流机构之一的Coursera在线学习平台上线^[15]。

我国教育部根据国际在线教育的发展要求，鼓励国内高校开展“慕课”与虚拟仿真实验教学项目相结合网络开放课程，这使得基于信息网络技术的教育教学由理论课程单一教学形态向理论与实践教学相辅相成转变，为土木工程方向的学习者提供大量实验项目和资源。结合虚拟仿真实验项目的土木工程课程体系让“课堂成为实验室”、“课外成为施工现场”，学习者能够完成从构件到结构的复杂性高、专业性强、危险性高的实验，能够体验工程生产实践的全过程。教学与实践的紧密结合，加深学习者学科知识理解，加速了高质量的工程技术人才的培养。

(7) 统筹规划构建虚拟仿真实验教学共享平台

虚拟仿真实验教学项目的建设是一项复杂的系统工程，为了减少项目的重复建设、推动优质资源的开放共享和高效利用，教育部高等学校实验室建设指导委员会、教育部高等学校实验教学指导委员会和全国高校实验室工作研究会统筹规划，根据学校、学科、地域和专业分布，组织相关高校、科研院所、企业开展虚拟仿真实验教学资源建设，制定相关技术标准和信息系统对接方案，推动形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目新体系。

2019年9月22日虚拟仿真实验教学创新联盟土建类学科领域指南编制工作会议在南昌成功召开，讨论制定了《土建类虚拟仿真实验教学项目建设指南》，制定了土木类虚拟仿真实验教学项目建设规范、质量标准、评价要素，推进了现代信息技术与实验教学项目深度融合，推动土建类虚拟仿真实验教学项目的共享应用，促进相关高校、科研院所和企业的合作和协同建设。国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台能够为学生提供多学科、多层次的实验项目和教学资源，打破专业实验限制，拓宽知识面开阔思维视野，有利于实验和实践创新能力的培养；能够为实验教师提供学习项目设计思路、资源建设方案和开放运行模式的机会，有助于提高教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容，促进教育理念先进、学术水平高、实践经验丰富、创新性强的实验教学团队形成。实验教学共享平台真正实现校内外、本地区及更大范围内的实验教学资源共享和示范辐射作用，促进同层次、不同模块的实验教学内容相互交叉、融合，加快完善土木工程专业虚拟仿真实验教学课程体系，满足多学科专业、多学校机构和多地区开展虚拟仿真实验教学的需要。

结 语

随着信息技术的发展，虚拟仿真技术已在土木工程高等教学领域逐步推进，新方法、新技术和新模式不断被引入虚拟仿真实验教学体系建设，产学研结合不断为实验教学注入新的内容，给高等院校实验教学改革注入了新的活力。同时，虚拟仿真实验教学项目被纳入未来实验室建设和MOOC网络课程实验教学体系，构建了基于信息技术的新型教育模式，加速了教学模式的多元化发展。现阶段的土木工程虚拟仿真实验教学仍处在建设完善阶段，高校、科研机构和相关企业需要加大对虚拟仿真实验教学的投入，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，主体符合卓越要求的土木工程专业实践型人才的培养。

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