摘要：探讨了基于虚拟仿真技术的土木工程专业课程实验教学改革与创新。传统实体实验教学模式在已无法满足新工科人才培养的要求，虚拟仿真实验教学通过模拟真实环境，弥补了传统实体实验的局限性，为学生提供更广阔的学习空间和实践机会，有助于培养全面发展的工程专业人才。教学实践表明，虚拟仿真技术改进土木工程类实验教学具有重要的实践意义，可以有效提升教学效果和质量，培养出更具实践能力和创新精神的工程专业人才。

关键词：虚拟仿真技术；土木工程；实验教学改革

1 研究背景

新工科人才培养的背景下，工科类课程实验教学面临着更多的挑战[1]。虚拟仿真实验教学则应运而生，通过模拟真实的实验环境，弥补了传统实体实验的局限性。土木工程专业课程实验常常受到设备、成本、时间、安全、数据处理和实践场景等方面的限制，开展实体实验教学存在一定的困难。虚拟仿真实验作为一种替代或补充手段，可弥补实体实验的不足，并提供更灵活、安全、经济和可持续的实践教学方式[2-4]。

2 高校土木类专业传统实验教学模式的局限性

传统的土木工程专业课程实验教学模式通常是”老师在课堂讲授理论知识——学生进入实验室开展实验——学生提交实验报告“，学生在这种僵化的教学模式下，大多只能机械的模仿讲义或规程提供的标准步骤进行操作，学习的主动性差，实习热情不高，学习效果亦大打折扣。总体来说，局限性体现在以下五个方面。

2.1 成本高昂

实体教学模式需要投入大量的实验设备、材料和场地资源，其维护、更新和管理成本比较昂贵。

2.2 安全风险

土木工程实验涉及结构载荷测试、施工模拟等操作，存在一定的安全风险。学生在实践过程中可能面临意外事故或伤害风险，教师需要额外进行安全措施和监督，增加了实验教学的管理难度。

2.3 实验资源有限

由于实验室设备和场地的限制，每个学生只能获得有限的实践机会，无法满足大规模、多样化的教学需求。这限制了学生的实践参与度和深度，影响了实践能力的培养。

2.4 时间限制

实体教学模式需要分配固定的时间段进行实验操作，而土木工程类实验通常比较耗时。这限制了学生在实验中的灵活性和自主性，无法进行多次尝试和调整，而且影响到实验结果的准确性和深入理解程度。

2.5 实践场景限制

实体教学模式在某些情况下无法复现或不易获得特定的实践场景，例如大型工程项目、极端环境等。这会对学生的实践体验和真实工程问题的理解产生一定的限制。

3 利用虚拟仿真技术进行土木类专业实验课程改革的探索

3.1 土木工程实验课程教学融合虚拟仿真技术的前景

虚拟仿真实验注重于操作训练，而传统的实验教学侧重于理论知识的传授，通过充分融合这两种教学方式，能够为土木工程基础实验教学提供强大的助力[5]。

2022年，工业和信息化部、教育部等五部门联合印发了《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》。计划指出要在推进“虚拟仿真实验教学2.0”的建设， 提出了加强虚拟仿真教学平台建设、推动虚拟仿真课程开发与应用、培养虚拟仿真教学人才等具体措施。文件为虚拟仿真教学提供了政策支持和指导，促使其在全国范围内得到广泛应用。

3.2 开展虚拟仿真实验教学面临的挑战

一是资源和技术的限制。虚拟仿真实验教学需要大量的计算资源和技术支持。这可能面临着硬件设备的限制以及网络带宽和稳定性的挑战。

二是没有完善的教学质量和学习效果的评估机制。虚拟仿真实验教学改革需要建立有效的教学质量评估体系，以确保教学效果和学习成果的准确评估。

三是如何激发学生动力和参与度。对于部分学生来说，虚拟实验可能缺乏传统实验中的真实感和互动性，使他们对实验教学产生兴趣和动力。

四是如何增加教学内容的质量和多样性。虚拟仿真实验教学需要提供丰富和高质量的教学内容。教师和教育机构需要积极投入到教学资源的开发和更新中，确保虚拟实验场景的真实性和准确性。

面临一系列挑战，高校需要重视并制定相应的策略，合理规划资源和培训计划，建立有效的评估体系，并积极推进教学内容的开发和更新，以确保虚拟仿真实验教学的成功实施。

3.3 虚拟仿真实验教学的实践成果

大连海事大学踊跃响应国家推进虚拟仿真教学的政策，积极推动虚拟仿真实验教学改革，在教育部公布的“第二批国家一流本科课程认定结果的通知“中，共有11门课程入选，其中虚拟仿真实验教学一流课程2门。各院系教学团队充分利用学校资源，在虚拟仿真教学平台的基础上，设计开发适应各专业课程的虚拟教学项目。交通工程系教学团队设计开发的虚拟仿真实验教学项目，在近几年的发展建设中，积累了大量优秀的教学成果。目前，该系师资队伍已取得了6项教学成果，教育部高等教育司产学合作协同育人项目10项。

4 虚拟仿真技术改进土木工程类实验教学的实践意义

虚拟仿真实验教学加强了理论知识与实际操作的联系，提升了实验教学的效果和质量，对于实体实验教学具有非常重要的补充意义。

4.1提供安全可控的学习环境

虚拟仿真技术使学生能够在没有实际风险的情况下进行实验操作。学生能够更加自信地尝试各种实验方案，充分发挥创造力和实践能力。

4.2提升实践能力和创新思维

鼓励学生主动参与实验操作和问题解决过程。学生可反复尝试不同的参数设定、调整方案或材料选择等，培养灵活性和创造性思维。

4.3加深理论知识的理解和应用

通过模拟实验，学生能够直观地观察和分析实验结果，将抽象的理论联系到具体的场景中，使学生能够更深入地理解土木工程原理和概念，提高知识的运用能力。

4.4提供多样化的实践体验

无论是模拟大型工程项目的施工过程，还是模拟材料的性能测试，都可以在虚拟环境中进行反复的实验操作和尝试。

4.5 提高学习灵活性和效率

提供了灵活性和自主性的学习方式。学生可根据自己的兴趣和学习进度选择实验内容和时间，以便更好地适应个人的学习节奏。

5 结语

采用虚拟仿真教学和实体教学相结合的混合式教学有效地弥补传统教学的不足之处，土木工程专业是一门应用性很强的学科，不仅需要学生掌握理论知识，更需要实践能力和创新精神的培养和提升。在实际工作中，学生可能会遇到各种不同类型的项目和技术，而在学校的教学过程中，只能为学生提供极为有限的情景展示。

虚拟仿真技术可以模拟各种复杂的场景和情况，包括大型工程项目、特殊环境条件等。学生可以在安全的环境下接触到更多的实际案例，积累更多的经验。这种实践经验可以帮助他们更好地理解理论知识，增强技能，并培养解决实际问题的能力。

近年来，虚拟仿真技术也在不断发展和进步，越来越多的高等院校和教育工作者认识到这项技术的优越之处，从而被引入到实验教学的实验教学的实践当中。教学实践中发现，混合式教学可以提高土木工程专业学生的创新能力和实践能力。虚拟仿真技术为学生提供实践操作的机会，并激发他们的创造力和想象力。通过实践和探索，学生可以不断尝试新的方法和技术，培养解决实际问题的能力。

[1]李宗帅，王修岩.工程教育专业认证与“新工科”背景下实践教学体系探索[J].中国冶金教育，2023，（05）：63-67.

[2]徐奋强，潘金龙，张德恒，张伟，牛龙龙.土木工程专业虚拟仿真实验教学探索[J].西部素质教育，2023，9（18）：149-152.

[3]赵群.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J].科技与创新，2022，（17）：1-3.

[4]阎西康，梁栋，张静娟等.虚拟仿真在土木工程类实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2021，38（03）：207-209+218.DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2021.03.042.

[5]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（05）：1-4+16.