道桥专业虚拟仿真实验教学建设探索

文/王晓琳 艾建杰 王戈 王丹丹 田斌（.西南科技大学城市学院；.北京睿格致科技有限公司）

一、道桥专业虚拟仿真实验教学的建设背景

（一）国家政策背景

为深入贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想、党的十九大精神以及全国教育大会精神，以提高人才培养质量为核心，加快形成高水平人才培养体系。2019年教育部启动一流本科专业双万计划，明确虚拟仿真实验教学一流课程的建设是解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。国家计划完成1500门左右虚拟仿真实验教学一流课程认定，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。

（二）道桥行业人才就业供需差异

随着我国社会经济发展，道桥工程行业对人才质量要求越来越高，具备扎实专业知识能力的同时，还要具备应对国际工程项目的技术能力与管理水平，但当前道桥专业人才培养与行业实际需求是存在差距的，针对应届毕业生群体对用人单位调研，数据结果显示出很多问题，如图1-2所示。

图1 毕业生应具备的重要能力统计调查结果

分析上述调查结果的原因，主要有以下几个方面：

1.学生社会适应能力的培养与提升有待进一步加强

目前高校侧重培养学生专业技能，忽视社会能力培养。学生在面对竞争激烈、复杂多变、就业压力大的社会环境中无法以良好状态快速进入社会。

2.传统教学存在较多弊端

传统教学普遍存在重理论轻实践现象，学生对工程实体、工作环境及工作岗位认知不足，另外随着基建行业的快速发展，新技术、新材料、新设备、新工法层出不穷，高校在教学内容、专业设置方面与行业实际情况有差异，所培养的专业人才与岗位需求不匹配。道桥专业实践教学具有高成本、高消耗、难度大、局限大、学位有限、高危险性等特点，从而造成学生工程规范操作意识薄弱、动手能力差、缺乏施工全过程操作经验，制约学生系统地掌握实际工程施工工艺和处理工程技术问题能力。

（三）虚拟仿真实践教学的优势

随着信息技术的日新月异，虚拟仿真技术已在全国高校及科研部门得到应用和推广，适应新兴产业、新时代经济需求，助力创新型人才培养。结合目前虚拟仿真在实践教学应用中的现状，其主要优势如下：

（1）成本较低：实验不消耗器材、不受场地限制、可重复性操作。

（2）实验完成多样：复杂、危险性、极端破坏性、较长周期性等实验均能完成。

（3）教学效果良好：教学内容完成过程带有逼真、立体属性，趣味性较强，能够吸引学生自主学习，注意力集中的时间也比较长。

（4）实践教学效率较高：学生通过虚拟仿真实践可以快速掌握教学内容和目标，资源更新率较高。

二、道桥专业虚拟仿真实验教学建设的基本思路

我校道桥专业人才培养侧重施工、检测、管理岗位，如何将课堂理论向实践转化是培养的难点，目前主要是通过校内实训基地、校外实践基地采用参观实践的模式完成实践学时学习，但是仅解决学生对道桥实物的感官认知，无法达到生产实践环节的学习需求，道桥专业虚拟仿真实验教学的建设旨在形成以虚促实、虚实结合的开放性试验教学，培养具有创新性的道桥专业人才。

（一）虚拟仿真实验教学平台建设

我校道桥专业建设有工程识图与绘图实训室、道路建筑材料实验室、土工实验室、混凝土实训基地、校内测量实训基地、信息化与虚拟仿真实验室以及6个校外实践实训基地，已能基本满足道桥专业基础性课程的课程设计、实验、识图与绘图技训、测量技训等教学。但是对于培养学生对道桥工程复杂性构造物识读与绘制、设计、关键性施工工序等能力的培养只是“纸上谈兵”，无法有效将理论转化为实践。围绕道桥专业基础课程及实验、实训等环节，学校与“产教融合、协同育人”合作单位建设道路工程三维仿真系统、桥梁工程三维仿真系统、BIM专项技能实训系统。

1.道路工程三维仿真系统

基于《路基路面工程》《道路建筑材料》等相关课程，以实际道路工程为背景，开发解决道路工程中各种施工环节及工艺工法重点难点的教学互动系统。该系统分别从路基工程、路面工程、附属工程三个知识模块设置4D微课、3D仿真实训互动、资源库。4D微课从人物材料机具入手，力争给学生还原一个最真实的施工场景，如图3所示。

图3 普通混凝土路面施工场景

2.桥梁工程三维仿真系统

基于《桥梁工程施工》等相关课程，以实际桥梁工程为背景开发桥梁工程中各种施工环节及工艺工法重点难点的教学互动系统。开发设计T梁桥、悬索桥、斜拉桥、拱桥等全部类型桥梁施工工艺展现界面，涵盖盖梁施工、梁拱组合桥施工、索塔施工、挂篮施工等桥梁工程上涉及的常见的施工工艺工法，类似道路工程仿真系统，特别设置构件认知、场景漫游等模块全面深化提升学生识图能力。（如图4-5所示）

图4 桥梁施工场景

3.BIM专项技能实训系统

顺应行业发展，培养学生将理论知识转化分析问题、解决实际问题的能力。在道桥施工技术课程基础上加入BIM动画模拟应用环节，将理论与实践结合，注重考核与实战，检验学生道桥施工技术相关专业能力。开发道桥BIM虚拟施工模拟实训系统，虚拟施工系统参照各施工手册、规范、文献及图纸等，进行模拟施工，还原真实施工现场下相关工艺施工过程，并以视频形式进行成果输出，如图6所示。

图2 毕业生在实际工作中主要存在的问题

（二）虚拟仿真实验教学与研发队伍建设

虚拟仿真实验教学团队是由专业教师构成，指导培养学生规范性操作、科研塑造、探索创新等能力。专业教师和合作单位技术骨干共同参与虚拟仿真教学系统的制作，为了提高专业教师虚拟仿真实验教学建设能力，教师参加培训、虚拟仿真实验教学建设的学术会议、学科竞赛以及开展虚拟仿真实验教学改革研究工作。

目前我校在教育部产学合作协同育人契机上，于2020年与北京睿格致科技有限公司建立校企合作关系，在系统固有的模块上增加个性化开发，联合不同院系组建虚拟仿真实验教学系统研发队伍，根据道桥专业课程特点，研发适用于我校道桥专业应用的虚拟仿真实验教学系统。

（三）虚拟仿真实验教学与科研建设相结合

以教学促进科研、科研反哺教学是民办高校创新人才培养的重要举措。根据学科方向推进科研发展，转化四新技术研究成果，在桥梁智能建造与安装技术、结构物智能感知及预警技术、智慧管控平台等方面将研究成果转化为教学案例，形成以虚辅实的实验教学模式，提升实验教学效果。推动学生了解前沿技术并开展相关自主创新实验，培养学生开展探索性试验的信心和科研素养。

（四）虚拟仿真实验教学平台管理

目前，规划建设的虚拟仿真实验教学平台以承担实验教学为主，系统角色设定有管理员、教师、学生、工作人员，管理员负责权限开放和系统维护，教师负责任务发布、过程指导、成绩评定、资料存档等，学生负责查询课程信息、开展虚拟仿真操作、技能考核、成果提交，工作人员主要负责虚拟仿真实验教学系统中的操作环节共享资源等。

虚拟仿真实验教学建设应结合中远期总体规划，做好可持续发展的长远规划，使虚拟仿真实验教学在运行中不断完善管理制度、创新管理模式、引进和稳固人才、开放共享教学资源等。

三、结束语

虚拟仿真实验教学凸显出教育教学改革优势和重要性，提升民办高校办学条件的同时，提高专业教师教学能力，为培养高质量人才奠定基础。目前，我校已初步完成虚拟仿真实验软硬件基础设施的建设，但在教学资源的创新、管理体系的完善、仿真新兴技术的应用、人才队伍的巩固、对外共享平台的运行等方面仍需进一步探索，加强相关高校、企业之间的交流合作，吸取新观念、了解新技术、借鉴新模式，积极推进教育信息化建设。