土木类虚拟仿真实践教学现状与可持续发展

王盛年¹，张鹏¹，陈新民¹  

（1.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 211816）

[摘  要]土木类专业人才培养注重工程意识与工程实践能力的提升，实践教学是培养具有社会适应性工程应用型人才不可或缺的教学环节。加强土木类虚拟仿真平台建设可从源头上解决实践教学资源不足的困境，体现“应用、实践、技能”等人才培养内涵，实现人才培养知识、能力、素质的高质量发展。通过对国内土木类专业实践教学实情进行深入剖析，探讨了建设或完善虚拟仿真专业实践教学平台的必要性及现存的问题，思考了平台可持续发展的应对策略。成果可为提升土木类专业实践教学质量与育人水平提供参考。

[关键词]虚拟仿真；实践教学；可持续发展；土木类

[基金项目]2019年度江苏省高等教育教改研究项目“产教融合下虚拟实景工程实习资源共建共享与校企协同实训教学研究”（2019JSJG241）

[作者简介]王盛年（1987-），男，甘肃武威，博士，讲师，主要从事虚拟仿真实验教学与软件开发研究。

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]xxxx-xxxx(2020)xx-xxxx-xx

1 引 言

高等工科教育在社会经济发展新常态下的供给侧结构性改革使得我国高等教育现代化面临着规模结构、社会需求、教育目标、实施主体、专业调整等众多现实矛盾，其直接体现就是传统工科专业建设与新工业新业态需求脱节，以及传统工程教育与现代工业人才市场需求脱节^[1]。如何定位和培养符合社会发展需求的工程应用型人才、使学生在熟练掌握专业实践技能同时兼具更强的就业、创业能力，是工程应用型本科专业人才培养体系改革面临的关键问题^[2]。2018年10月17日教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》要求，高等教育应以学生发展为中心，围绕激发学生学习兴趣和潜能重塑教育形式。2019年1月24日国务院推出的《国家职业教育改革实施方案》指出，高层次应用型人才培养应以职业需求为导向、以实践能力培养为重点、以产学研用结合为途径推进教育高质量发展。这些文件的颁布标志着，在新的高等教育形式下，发展新的教学手段和教学方法，积极推进专业实践教学改革，培养具有社会适应性工程应用型人才，是当前迫切需要解决的重要任务。

2 土木类虚拟仿真平台建设必要性

土木类专业是一个注重工程意识培养和工程实践能力的专业。然而，受传统教学观念影响，人才培养模型长期侧重理论教学，加之由于种种客观原因导致缺少实践教学软硬件设施以及充足实践教学环节经费，专业实践教学与理论教学比例失衡，实践教学内容与形式缺乏创新^[3]。另外，由于缺少有效监督，实践教学存在实践内容不全面、评价机制模糊、标准不规范等问题，难以保障实践教学达到最佳效果、实现高质量人才培养目标^[4]。

土木类专业工程教育认证要求人才培养目标应定位取向于培养工程实践能力强的应用型、复合性高级技术人才，且这些高级技术人才需具有良好创业、创新精神，也即所培养毕业生须具备扎实理论功底、广泛专业知识、丰富实践能力、过硬的综合素质，以及兼具“较强科技运用、推广、转换能力”等职业特点^{[5, 6]}。显然，实践性教学应是土木类专业应用型人才培养的重中之重。

以新信息技术为本质特征的虚拟仿真技术可为当代大学生提供全天候、立体化、高效高保真的“顶峰体验式”实践学习资源。通过借助虚拟现实、计算机仿真、多媒体和人机交互等先进技术手段构建集听觉、视觉、触觉、嗅觉为一体的虚拟仿真实践教学平台，实现无限逼真的虚拟实践场景，以新的教学形式激发学生实践兴趣与积极性，使学生在具有强烈环境沉浸感的重复性互动学习中实现从理论到实践、理论与实践的交叉融合，不仅可突破传统实践教学存在的场地设施不足、时间短、成本高、手段匮乏、科技含量低、学生认知感差等困境，培养学生知识获取与独立思考的能力，弥补当前实践教学的不足，其亦可通过虚拟教学资源的丰富性、可拓展性和强共享性等优势加快高等工科实践教育与现代信息技术深度融合，体现“应用、实践、技能”等人才培养内涵，实现人才培养知识、能力、素质协调发展^{[7, 8]}。

因此，加强土木类虚拟仿真实践教学平台建设，扩充更广泛、有难度、有深度、可互动、形象逼真的实践教学资源，从源头上解决实践资源不足的困境，不仅可进一步保障毕业生达到行业认可既定质量标准，实现培养人才能力和企业需求相一致，而且其同样亦可突显实践教学地位、降低实训成本，从而加速高等工科教育模式革新，提高新工科实践教学质量和育人水平。

3 土木类虚拟仿真实践教学现状

2020 EDUCAUSE Horizon Report指出，基于虚拟仿真技术（VR/AR/MR/Haptic）的协作、共享实践学习在未来将持续对高等教育教学产生重大影响，发展虚拟仿真教育教学是大势所趋^[9]。目前，许多国外高校已建立了内容丰富的虚拟仿真教学网络资源库，并逐步形成了虚拟仿真教学过程管理的标准与体系。如英国开放大学借助虚拟现实技术实现了用于地球科学实验研究的虚拟显微镜，可观察存放在世界各地博物馆、大学、科研机构中的地球表面岩石材料和数百种英国本土岩石样本^[10]；美国、新西兰等一些国家则先后利用虚拟仿真手段，实现了典型力学试验的过程仿真与设计，有效激发了学生的学习兴趣和创造性^[11]。

我国自2018年教育部下发开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作通知以来，已累积完成虚拟仿真教学实验项目2079项。尽管这些虚拟仿真项目的实现为构建我国高等教育虚拟仿真教学共享服务体系提供了强有力的支撑，但与美英等国家相比，其不论是数量还是在质量上均还存在较大差距。即便单就土木类虚拟仿真平台建设与应用现状来讲，虽然我国目前已建成土木类虚拟仿真教学实验119项（含国家级认定项目13项），但在资源丰富性、教学内容完备性、技术标准与兼容性、建设运维保障体系等方面却尚存诸多问题。主要包括：

（1）资源丰富性与典型性有待提升。尽管现有虚拟仿真实验可在一定程度上缓解实践教学资源不足困境，然而土木类实践教学种类及内容远不止于此，特别是一些实践教学涉及大型贵重设备或者对场地有特殊要求，进一步扩充资源种类及典型案例数量具有重要意义。

（2）教学内容与软件设计存在偏差^[12]。专业教师可根据实践教学目的、知识点及要求设计教学内容，但专业教师本身往往不具备虚拟仿真开发能力。软件公司虽在开发技术方面具有优势，但不了解学科专业实践要义，开发的软件多存在缺陷，无法满足教学大纲所求教学效果。建设专门从事虚拟仿真教学资源开发的教师队伍，设计多层次、分等级的渐进式实践教学模式十分必要。

（3）用户参与不足与反馈改进滞后。国家虚拟仿真实验教学项目共享平台的建成为优质实践教学资源的开放共享和充分使用提供了便利，但孤立的在线教学平台及泛在化的教学资源属于孤立的知识，如果没有面对面引导、辅导、总结和讨论环节，学生容易处于“无人管理”状态。如何提升用户参与度，并充分利用平台资源实现探究性学习是进一步挖掘虚拟仿真实践教学资源潜力并充分开放的关键。另外，尽管现有共享平台已建立有评价反馈机制，但体系多过于简单，且大多数平台在用户做出反馈意见后多存在无响应或改进滞后问题，究其缘由主要还是平台的管理者与开发者多分属不同独立机构，信息传递与响应迟缓。

（4）虚拟仿真项目建设缺乏标准且资源兼容性差。目前，常用于虚拟仿真项目建设的工具有Unity、BIM、Virtools、clut3D等，其所开发的平台在系统架构、数据库支持、功能扩展接口等方面各不相同，相互对接困难，极大的阻碍着平台后期功能的完善与资源的扩充。

（5）建设运维保障不足。尽管目前通过高校、地方政府和教育部等部门的经费支持完成了初具规模的平台建设，但要建成满足教学大纲要求的虚拟仿真软硬件平台后期仍需要充足经费支持，特别是，平台软件功能完善、资源扩充以及后期运维等，均需要长期持续经费投入。

4 虚拟仿真实践教学可持续发展

“互联网+教育”的蓬勃发展为专业人才培养与职业教育提供了网络化、信息化、虚拟化的强力实践环境。虚拟仿真实践教学平台建设是国家职业教育改革的重要推力，其可持续发展将直接影响我国高等教育教学质量和育人水平。综合应用各种技术手段改进、完善平台设计理念与功能是实现虚拟仿真实践教学平台可持续发展的基本内容，持续有效的管理制度和社会参与则是虚拟仿真实践教学平台可持续发展的必要保证。因此，保障虚拟仿真实践教学平台可持续发展可从以下方面着手：

（1）加强顶层设计，强化资源开发

虚拟仿真实践教学平台的建设不能为求新而求新，良好的顶层设计是推动虚拟仿真平台可持续发展的前提。建设或完善扩充虚拟仿真实践教学平台功能与资源时，应以构建专业群为目标，强调教学资源的共享性，减少物资的重复投入，同时也应充分考虑各专业在资源需求上的差异性，保障各专业的实践教学需求的特殊性。

（2）健全共享机制，提升社会参与

平台管理制度清晰、知识产权归属明确、技术开发标准统一、经费投入充沛持续等是平台资源开放共享和充分使用的重要保障。虚拟仿真实践教学平台应健全、完善管理体系，并建立有效的激励机制，鼓励加大虚拟仿真平台利用程度，如在教师方面，可考虑将平台使用情况列入年度教学考核，鼓励教师利用平台开展教学改革、提升教学理念等，在学生方面，积极提倡学生发挥主观能动性、开展探究性实践学习，并将虚拟仿真学习过程纳入实训考核内容等。

（3）挖掘平台潜力，改革教师队伍

虚拟仿真平台实践教学资源的在线开放性决定了其不仅可为每一个用户提供既有泛在化又分层次的优质资源环境，开展自主学习和个性化学习，其亦可打破不同专业的壁垒，优化各个专业实践教学资源，增强复合专业知识。教师应充分借助实践教学平台开展与学生的线上、线下互动，挖掘、释放平台潜力，提升教学质量，同时，通过潜移默化地拓展学生的复合专业技能，促进学生综合能力的发展^[13]。另外，虚拟仿真资源的开发和应用需要专业教师的持续设计与更新，这就要求必须加强师资队伍的建设，优化师资队伍的结构与水平，从而平台的可持续发展提供原创力。

（4）健全长效管理，完善评价体系

虚拟仿真实践教学平台管理应做到使用时间和开放日程的合理规划，避免造成使用冲突，同时，应制定合理引导策略与奖励政策，如制定合理的虚拟仿真平台实践教学绩效评价体系、提升平台资源认可度并设置相应科研奖励等，从而促进平台的利用率及资源开发。当然，为持续改进平台的口碑与可使用性，建立高效评价反馈体系，并依据反馈意见对平台的功能与资源进行不间断地质量改进，扩大辐射示范作用，其同样也是虚拟仿真实践教学平台可持续发展的重要保障。

5 结 语

“互联网+教育”背景下，虚拟仿真实践教学已成为国家信息化教育战略实施的重要支撑，建设、完善虚拟仿真实践教学平台不仅可加快高等工科实践教育与现代信息技术深度融合，亦可促进新工科教育模式革新，提升教学质量和育人水平。

参考文献

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学平台建设与应用研究。

Current situation and sustainable development of virtual practice teaching for majors related to Civil Engineering

Wang Shengnian¹, Zhang Peng¹, Chen Xinmin¹

（1. College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China）

Abstract: University talents cultivation for majors related to civil engineering focuses on the improvement of engineering consciousness and practical abilities. Practical teaching is an indispensable teaching content for students having abilities of social adaptability and engineering application. Strengthening the construction of virtual practice teaching platform for majors related to civil engineering can solve the difficulties in lacking of practical teaching resources, embody the talents cultivation connotations such as application, practice, skills, and realize the high-quality development of personnel training in knowledge, ability and quality. Based on the current practical teaching situation of majors related to civil engineering, the necessity and existing problems of constructing or improving the virtual practice teaching platform was analyzed, and the strategies for the sustainable development of the virtual practice teaching platform were discussed. Outcomes can provide a reference for improving the teaching quality and education level of practice teaching.

Keywords: virtual reality; practice teaching; sustainable development; civil engineering