土建类虚拟仿真实验平台建设与应用.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023计算机应用 土建类虚拟仿真实验平台建设与应用尹 松,边亚东,李新明,袁振霞,陈雨婷(中原工学院 建筑工程学院;河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心,河南 郑州 450007)摘 要:经济全球化对于我国土建类专业人才创新能力的培养提出重大挑战,传统的土木工程及其相关专业理论教学和实践培养模式难以有效应对。在深入理解虚拟仿真实验技术特征优势的基础上,针对国际化背景下我国土建类人才的能力需求,分析了能力需求特征和虚拟仿真实验教学平台技术服务特点的相关性;坚持“虚实结合,优势互补”的基本原则,探索了土建类虚拟仿真实验平台在国际化人才培养过程中的优化方法,着力破解国际化人才实践能力培养过程中的困难和不足。研究有助于发挥和提升虚拟仿真实验平台的协调与协作作用,提升学生跨区域工程建设的实践能力,提高我国土建类专业人才的综合素养和创新能力。关键词:经济全球化;人才培养;土建类;虚拟仿真;实验平台中图分类号:G482 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.018Construction and application of virtual simulation experiment platform for civil engineeringYIN Song,BIAN Yadong,LI Xinming,YUAN Zhenxia,CHEN Yuting(School of Civil Engineering and Architecture;Research Center of Environmental Geotechnical Engi-neering and Underground Engineering Disaster Control Engineering of Henan Province,Zhongyuan U-niversity of Technology,Zhengzhou 450007,China)Abstract:Economic globalization poses a great challenge to the cultivation of innovation ability of our civil engineering professionals.The traditional theoretical teaching and practical training model of civil engineering and related majors is difficult to effectively deal with.On the basis of in-depth understand-ing of the advantages of virtual simulation experiment technology and the ability needs of my countrys civil engineering talents under the background of Internationalisation,analyzed the characteristics of a-bility requirements and the technical service characteristics of the existing virtual simulation experiment teaching platform.Adhere to the basic principle of“combination of virtuality and reality,complementary advantages”,explore the optimization method of civil engineering virtual simulation experiment platform in the process of training international talents,and strive to break through the difficulties in the process of training international civil engineering talents and insufficient.Research will help to play and enhance the coordination and collaboration role of virtual simulation experiment platform,enhance students prac-tical ability in cross-regional engineering construction,and improve the comprehensive quality and inno-vation ability of our civil engineering professionals.Key words:economic globalisation;talent training;civil engineering;virtual reality;experiment platform收稿日期:2021-01-18 修改日期:2022-07-17作者简介:尹松,博士,副教授,研究方向为特殊土力学及其工程特性。E-mail:flysong1314 基金 项 目:教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目(项 目 编 号:202102510021);中国纺织工业联合会高等教育教学改革研究项目(项目编号:2021BKJGLX516);河南省高等学校青年骨干教师培养计划(项目编号:2020GGJS136;2019GGJS142);河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(项目编号:YJS2022SZ16)。在国际经济缓慢复苏和发展分化的背景下,我国资源化产业格局也需要不断的调整和发展,在全球视野下开展跨区域的工程建设活动能够大力促进国际经济要素的有序自由流动、市场的深度融合和资源的高效配置,有利于共同打造区域内政治、经济及文化领域的互利共同体1-2。基础设施的建设可为全球经济的快速发展提供重要支撑3。我国基础设施建设科技力量蓬勃发展,已经在全球区域内土建类专业人才培养工作中承担着重要任务4。由于不同区域国家政治环境和分化经济增长致使区域内基础设施建设项目易受突发事件影响;各国工程建设标准差异较大,直接或间接引发的工程问题不断涌现等实际困难存在,培养具有国际化视野、具备国际化工程素养和实践能力的工程建设和管理专业人才是对我国土建类人才能力培养的重大挑战5。土建类专业的学科发展无不以实践或实验为基础,其核心课程的讲授大多是以理论教学为先导,然后依托现场或室内实验等实践方式将学生所掌握的理论知识向实践能力转化6。国际化背景下,传统的土木工程及其相关专业理论教学及实践培养模式难以根据新时期的人才需求进行有效应对。而在我国现有土木工程及其相关专业人才培养经验的基础上,结合现代产业技术发展的成果,积极探索行之有效的教育教学和实践途径,培养土建类专业的国际化人才是我们应对需求的重要措施。1 土建类虚拟仿真实验特征与优势虚拟仿真实验是计算机信息技术与专业学科交叉融合的产物,美国弗吉尼亚大学威廉沃尔夫称之为除理论和实验之外的第 3 种设计手段和形式7。近年来在国家教育部门的有利政策和电子信息产业技术不断发展的共同推动下,虚拟仿真实验平台建设进程发展迅速。土建类虚拟仿真实验作为土木工程及其相关专业实践教学的重要组成部分,能够与传统实体实验深度融合,克服实体实验中难实现、成本高昂、受时空限制等困难,在现代工程建设事业中占有重要的地位8-9。其主要优势和特点主要有以下几个方面。(1)能够对实际环境中危险性强、实施难度大及成本高昂等难以完成的实验项目进行仿真模拟。实验环境相似,操作环境及互动感受逼真,学生可在虚拟环境中完成操作训练,理解课堂所学理论知识,从而实现能力转化的目的。(2)可突破时间和空间限制,学生能够自主控制实验时间和地点,根据自身学习能力和知识掌握程度定制实验计划,提高实验效率。(3)实现虚拟可逆的实验条件,学生可针对实验代价较高或难度较大的实验项目进行针对性反复练习,克服实验难点,在较低试错成本的前提下提升实验技能,为实体实验提供基础条件。(4)学生可沉浸于虚拟实验系统和环境,以第一视角在高度仿真的实验环境中完成各类实验项目,具备一定的趣味性和挑战性,有助于激发学生学习和科技创新的积极性,提高实验教学的创新人才培养质量。2 国际化背景下土建专业人才需求特征我国在全球范围内基础设施建设中承担着重要的使命和任务,是全球领域内土建类国际化人才的重要输出国。在土建类相关专业的人才培养体系中,应结合区域环境和实际工程特点梳理国际化背景下土建类专业人才的需求特征,有针对性地完善或强化工程建设人才的能力培养过程。2.1 应对复杂多变的人文社会及自然环境,具备更强工作适应能力各国地缘政治环境和经济形势差异明显,且复杂多变。基础设施的建设和维护过程中容易受到各类突发事件影响,投资环境易遭到威胁,建设工程项目组织运行较为困难。沿线区域内的土建类专业人才需具备良好的心理素质,从容应对复杂多变的国际环境和地缘政治形势。在工程可行性研究、工程设计及施工等环节中充分考虑复杂多变政治环境及投资环境的影响。在人才培养过程中重视风险管理和异常情况下的施工组织运行管理工况,充分认识不利因素对于工程建设的直接或间接损失,对于重大突发事件能够做到合理预防,从容应对。此外,各国人文和地理区域气候差异明显,环境恶劣,区域内工程建设人员应了解当地环境特点和气候特征,能够对于环境差异所导致工程建设进程的影响进行合理预判;项目管理层应能够对建设人员环境的适应性进行合理评价;熟悉工程所在区域民风民俗特点,积极打造与当地政府和百姓的和睦关系,尽量做到“入乡随俗”。07 尹松,等:土建类虚拟仿真实验平台建设与应用2.2 各国工程建设和质量控制标准差异较大,具备更强的工程认知实践能力国际工程建设中各国虽经济发达程度良莠不齐,但在基础设施建设领域都具备了一定的工程经验和本国技术标准,基于建设“全球利益共同体”宗旨,区域内工程建设大多遵循各国原有工程建设和质量控制标准10。工程建设人才不仅要求掌握中国工程建设和质量控制标准,而且应能够快速准确地认知所在区域的工程建设和工程质量控制标准,对工程建设各环节进行合理的组织和管理。土建类人才培养过程中,应打破工程建设和质量控制标准一成不变的思维定式,通过实践环节对比认知不同建设和质量控制标准对于工程建设质量的影响,定量评价标准差异对于工程建设质量、进度、成本等重要工程控制目标的影响。2.3 工程建设区域内同类材料性能差异较大,具备更强的实验设计能力和科研创新能力基础设施建设所涉及到的工程材料因各地环境特点、生产工艺及生产者素质的差异,性能差异明显11。对其工程应用应结合产地环境因素及工程建设标准合理设计实验,准确评价材料性能及主要敏感因素,不宜照搬经验参数预估评价。尤其对于交通工程、水利工程等大型岩土构筑物的土性评价时,更应充分考虑炎热多雨、酷暑严寒等极端区域环境对于岩土体力学性能的影响,保证工程建设的安全性和构筑物的耐久性。2.4 具备跨语种的沟通交际能力,能够完成跨区域资料收集和识别任务基础设计建设过程中难免涉及与当地建设行政主管部门或人员的语言和文字交流。国际化工程建设人才需具备较强的语言学习能力,能够在短期内熟悉工程所在区域工程建设和生活用语表达方式。在理论教学和实践能力培养过程中,应充分利用电子科技技术和网络多媒体信息技术,重视专业外语教育,尽量提供多类语言学习资料或试听材料,形成多渠道和多方位的语言学习环境,培养学生的语言学习能力。3 国际化背景下土建类虚拟仿真平台的应用与建议3.1 虚拟仿真平台结构框架中原工学院力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心为首批河南省高等学校虚拟仿真实验教学中心12。实验教学中心近年来已引进虚拟力学实验、土木工程虚拟施工工艺及建筑工程 VR 安全培训体验等多个土建类相关虚拟仿真实验系统,已自主设计并研发“垃圾土室内沉降虚拟仿真实验”、“人工松散堆积土滑坡滑面监测虚拟仿真实验”、“复杂环境作用下土的力学性质虚拟仿真实验”、“三峡库区大型松散堆积土滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验”等多项土建类虚拟仿真实验项目。实验教学中心一直秉承学科专业与信息技术深度融合的基本导向,坚持“依托现实,虚实结合”的基本原则,积极构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。基于虚拟实验程序和多项虚拟仿真实验教学项目,教学中心目前已逐步发展成为基础验证性实验-施工仿真实践训练-多变量创新性设计实验-综合实践能力提升实验的多层次、多角度和全方位的虚拟仿真实践能力培养平台,如图 1 所示,为土建类学生提高认知与实践能力提供了技术保障。图 1 力学与工程结构虚拟仿真实验教学平台框架体系3.2 虚拟仿真平台的应用探索与建议通过分析上述土建类专业人才需求特征可发现,对国际化背景下的人才培养应与时俱进,有针对性的着重培养其国际化视野和应对复杂多变工程问题的解决能力。传统的土木工程及其相关专业理论教学及实践培养模式难以有效应对。需深度融合虚拟仿真与传统教学方法的特征优势,坚持“虚实结合,能实不虚”的基本原则,充分发挥土建类虚拟仿真平台在国际化人才培养中的优势效应。以中原工学院力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心为例,可通过系列举措优化教学平台框架体系,提高土建类人才的国际视野和培养质量,具体优化举措如下,17优化方案如图 2 所示。图 2 优化方案示意图(1)增加虚拟施工工艺仿真系统风险变量,如人为因素、环境因素等,对于变量影响程度给予提示或解决方式。通过优化可使学生重视风险管理和异常情况下的施工组织运行工况,充分认识不利因素对于工程建设的直接或间接损失,做到合理预防,从容应对。(2)在基础性验证实验和虚拟施工工艺仿真系统设计中,充分融入多国技术操作和质量控制标准,从不同角度和尺度深入理解工程建设知识要点和工艺方法。通过对比不同实验方法或施工工艺效果,认识工程建设和质量控制标准差异的影响,提升工程认知实践能力。(3)在创新性设计实验和综合能力提升实验中,考虑工程建设地环境变量的影响,尤其对于环境敏感性材料,增设极端气候的影响因素,通过实验结果数据库反应不同变量下材料的性能差异和施工建设效果。使学生能够认识环境变量对于材料性能的影响且理解材料本身的性能差异,增强学生的实验设计能力和科研创新能力。(4)对于基础性验证实验、施工仿真实践训练、创新性设计实验及综合能力提升实验系统中,充分利用网络信息资源,引入语言信息库,增设各个操作环节(至少主要环节)的多国语言提示或语言选择项,包括实验结果和系统导出文本,尤其是重要实验和施工术语。重视虚拟仿真平台的语言服务功能,促进培养学生跨语种的沟通交际能力。4 结语土建类专业人才的实践能力培养应结合时代背景,将计算机信息技术与专业学科交叉融合,结合国际化背景下我国土建类人才的能力需求特征进行有针对性的改革和实践。相关专业人才的实践能力培养过程中可深度融合现代电子科技技术,充分发挥学校和学科的专业优势,积极利用虚拟仿真实验教学平台的共享资源。深入分析人才能力需求特征和虚拟仿真实验平台的技术服务特点,在深度理解虚拟仿真实验技术特征的基础上,对现有虚拟教学平台进行优化和完善,着力破解传统实践教学方法在土建类国际化人才能力培养过程中的困难和不足。通过探索和分析将有助于发挥和提升虚拟仿真实验平台的协调与协作作用,提升学生跨区域工程建设的实践能力,提高经济全球化背景下我国土建类人才的培养质量。参考文献(References):1 勾晓红.高等教育国际化背景下高校人才培养策略研究J.沈阳工程学院学报(社会科学版),2022,18(3):90-93.2 孟茂倩.对接“一带一路”的内在逻辑与推进策略 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