仿真教学系统在专业课程教学中的应用与探索
王胤，杨庆
（大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连）
摘 要： 土木建筑工程类本科专业课程教学不仅需要多门课程知识支撑、并满足国家与相关行业规范要求，且要求有足够的实际设计与实践环节，学生仅仅通过课堂学习，无法完全掌握课程内容，这就需要通过面向实际工程的课程设计与课程实习这个环节予以解决，但受培养计划与学时限制，该环节实际效果不明显。为探索解决这一问题，大连理工大学岩土工程专业教研室以土木建筑类专业课程——基础工程课程为依托，研发了一套集专家系统定性推理、决策支持系统定性分析和三维可视化技术为一体的基础工程课程计算机三维仿真辅助教学系统（简称仿真教学系统）。将该仿真教学系统作为基础工程课程辅助教学工具使用，完善了教学手段，丰富了教学内容；通过该仿真教学系统的应用显著提高了基础工程课程的教学效果，深化了课程教育的信息化、现代化发展。
关键词： 仿真教学系统；基础工程；教学方法；教学改革
一 计算机仿真辅助教学发展现状
随着教育教学现代化、信息化的不断发展，计算机仿真辅助教学（CAI）以其高效率、强互动及资源共享等优势受到国内外高度重视和欢迎。美国最早开展计算机辅助教学研究，对计算机辅助教学的发展和应用做出了重要贡献。目前，多媒体仿真教学在临床医学、地球科学和土木工程专业教学中都得到了很好的应用[1-3]。美国麻省理工大学应用TEALsim虚拟仿真教学平台开展工程课程教学，学生可通过可视化技术了解物理材料微观结构及其变形过程，加深学生对基本理论知识的理解[4]。美国密西根大学开发了人机交互虚拟仿真工程教育平台，该平台融合了多学科多领域知识，可应用于土木工程前期规划、勘察、设计及后期安全管理与运营的教育课程教学中，显著提高教学效果[5]。美国密西根大学的教学平台系统主要侧重培养学生对整个工程流程的认知和理解，缺乏对学生进行深入学习和实际操作的培养。葡萄牙波尔图大学开发了扩展虚拟现实整合技术(AR与VR)，丰富了游戏式学习模块，将其应用在土木工程本科专业授课中，课堂上学生通过虚拟现实技术更好的了解了一项工程整个完成过程情况，引导学生在采用该技术进行课堂知识讨论，加深了对专业知识的理解，增强学生对专业课的学习兴趣[6]。在国内高校计算机辅助教学方面也取得了长足的发展。吉林大学基于虚拟仿真技术的钻探工艺实验平台具有沉浸感、交互性和构想性的特性，对钻井过程进行模拟的动态仿真系统，能够实现对正常钻井、取下钻具以及处理孔内事故等过程的模拟教学[7]。东南大学土木工程实验教学示范中心，通过网络化教学和构建虚拟实验教学体系丰富了现有的实验教学资源，对开阔学生视野和提高学生的信息化能力有很大帮助[8]。北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心积极推进土木工程实践教学体系改革，通过自主开发和集中采购为学生提供了丰富的教学软件，实现了虚拟仿真平台和校内外实践教学基地的相互补充、相互支持[9]。国内高校已经将现代计算技术应用教学实际中，也取得一定教学经验。国内高校应用虚拟仿真技术多用于实验教学，较少进行课堂教学，特别是专业类课程设计教学。
上文中的刘大姐是因为“吃错药”导致了水肿，而现实生活中很多人却总是“无缘无故”出现水肿。很多人怀疑自己生了这病那病，其实不然，相当一部分只是一过性的生理反应，大家不要被表象吓唬到。
图1 地基基础设计模型库
二 应用与探索目标及实施方案
结合时代需求和学校学科特色，主要依托基础工程仿真教学系统平台开展教学过程的建设。基础工程仿真教学系统运用现代软件编程技术，构建一套集专家系统定性推理、决策支持系统定性分析和3D可视化技术为一体教学系统软件，构建多层次、模块化的计算机仿真实践教学体系，突出工程人才培养特色，强化多学科融合特点。基于仿真教学系统平台的开发以及将其应用于课程教学过程，将完善教学手段，增加新形态下的课程设计与课程实习手段，训练学生系统掌握基础工程设计相关专业知识与实际工程设计能力。增加过程考核，完善考核体系。打造具有示范与引领作用的一流课程，为一流专业建设夯实基础。
（一）仿真教学系统的开发
结合基础工程教学内容及课程特点，已研发了基础工程仿真教学系统平台。该系统平台包含：（1）地基基础设计模型库。基础设计类分为柱下独立基础设计类、柱下条形基础设计类和桩基础设计类的基类（如图 1a所示），土层类、地下水类、柱网类、材料类和下部结构类是基础设计类的数据成员（如图 1b所示）。土层类可以派生出土类和岩石类，材料类可以派生出钢筋类和混凝土类。基础设计功能是通过相关类的实例化实现的。
（二）基础选型与埋深推理
将规范要求、教材规定等整理的关于基础选型和埋置深度确定的经验性描述，以事实和规则的形式存储在 CLIPS 知识库中，通过 CLIPS 自带的推理机制进行推理分析，推理结果通过人机交互界面反馈给学生，学生需要根据自己掌握的知识进行真伪判定。柱网不均匀沉降计算：柱下独立基础设计往往需要考虑整个柱网下所有基础的协同作用，按照地基规范要求验算建筑相邻柱基的沉降差，通过标记数组实现了柱网下独立基础不均匀沉降的协同计算。建筑基础三维可视化设计：使用3D Studio Max软件建立三维模型，在 Expression Blend中添加从3D Studio Max 导出的视图文件和材质贴图文件，并实现三维模型数据到 XAML格式的转换，可视化视图设计完成后可自动保存为可执行的应用程序。该教学辅助平台系统架构图 2所示。
（三）课堂授课应用
图2 基础工程教学仿真系统组织架构
图3 基础设计界面及练习模块
我国的水法、防洪法、河道管理条例以及一些部门、地方规章，都规定禁止在河道、堤防及其管理范围内种植林木和高秆作物。水法第三十七条规定：禁止在江河、湖泊、水库、运河、渠道内弃置、堆放阻碍行洪的物体和种植阻碍行洪的林木及高秆作物。防洪法第二十二条第二款规定：禁止在行洪河道内种植阻碍行洪的林木和高秆作物。河道管理条例第二十四条规定：在河道管理范围内，禁止修建围堤、阻水渠道、阻水道路；种植高秆农作物、芦苇、杞柳、荻柴和树木（堤防防护林除外）。第二十条规定：有堤防的河道，其管理范围为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地（包括可耕地）、行洪区，两岸堤防及护堤地。
（四）课后拓展学习
图4 知识点拓展模块
在仿真教学系统中增加课后学习、反馈及过程考核等模块，发挥拓展学习的功能。将基础工程仿真教学系统制作成多种版本，例如web网页版，学生可通过账号登录网站，在课余时间随时使用系统进行学习。学生能够使用课后知识点拓展帮助模块（如图 4所示），在教师设定的学习计划基础上，搜索感兴趣的内容，拓展学习内容范围；也可以通过系统平台进行知识学习的自测，随时检验学习效果。学生也可以通过网页版对课堂上学习内容、学习进度以及对教师教授方法作意见反馈，这样能够形成课堂-教师-学生-课后交互学习的效果。我们也将教学辅助平台系统增加了可开发模块，这样，学生可发挥自身能动性并对系统平台程序作进一步改进，能够更好地完善该教学系统。课后学习功能的拓展，丰富了学生学习范围，激发学生自主学习兴趣，通过互动学习和考核跟踪，使得教师能够随时获得学生学习动态，掌握学生学习效果。
原来，这与鲎特有的蓝色血液有着很大的关系。科学家发现，鲎的血液中既没有红细胞，也没有白细胞，而只有一种能输送氧气的低级原始细胞。而鲎的血液之所以呈现出另类的蓝色，是因为里面含有大量的铜离子。正是由于血液中富含铜离子，所以当鲎受伤流血时，血液可以快速凝固，使它们不至于因为失血过多或细菌入侵而丧命。
三 教学成效评价
（一）丰富课程教学资源
计算机辅助教学平台系统的引入填补了教学体系的空缺，之前无法开展的课程设计和实践教学环节得以实现。基于该仿真教学系统平台，在基础工程设计与分析、工程施工与管理等课程内容中，逐步改进原来通过独立章节进行讲解的方式，实现了将基础工程的多个内容与环节进行融合教学；另外，实现了基本原理的形象再现、实践设计的体验，使课堂教学与实践教学相互补充，从而实现完整的虚实结合、理论与实践结合的教学体系，保证了适应现代土木工程发展的高素质创新人才培养的需要。
将基础工程仿真教学系统平台应用于课堂教学中。传统的授课方式较为枯燥，多数学生学习兴趣不高、主动性不强。可根据课程进度，适时安排课程设计任务。在多媒体教室中，给每位同学分配一台单机电脑并安装好课程仿真教学系统程序软件。结合课程三维可视化与仿真系统平台界面，学生与教师讲解同步进行课程知识点的学习，并适时插入基础结构的设计环节。课程设计与课程学习平行进行，使得课程知识点具有直观性，可加深学生对复杂工程结构的感性认识，强化对学生所学知识深入理解与全面掌握。可开展多目标设计与练习任务，例如，针对某一特定基础型式（如图3a所示），训练学生系统而全面了解基础工程设计内容，掌握实际基础计算方法与设计流程；另外，学生也可利用自定义练习模块（如图3b所示），强化自身对某一知识点的理解掌握程度。以此，培养学生全面领会理解课程内容及知识要点，加强学生的设计性和优化思维。
（二）完善教学体系
在常规课程教学之外，面向土木工程、水利工程等专业，通过引入仿真教学系统，每年为数百名学生提供课后自主学习平台，拓展了学生学习的空间和时间，丰富了学生学习资源。同时，仿真教学系统平台的引入，也为基础工程大类课程六个独立班教师提供了更多教学手段和方法；特别是，通过课后学生平台学习效果的反馈，为教师掌握学生学习效果和学习动态提供了良好的检验渠道。
（三）提升学生信息化能力
通过使用仿真教学系统平台，学生对基础工程虚拟仿真、结构分析、辅助设计的功能模块、数据信息分类与整理等有了更感官性的认识，有效地激发了学生空间想象力，促进了实践创新能力，提升了学生的信息化应用能力。近年来，我校学生在老师的指导下，开展了各类土木工程以及基础工程概念设计，参加了多个层次、类型的专业技能竞赛，取得了优异成绩。
（四）提升专业课建设规模和水平
计算机辅助教学系统平台可用于《基础工程》、《土力学与地基基础》两门大类课程教学中，涵盖建筑基础部分专业课程；针对本科生培养专业包括土木工程类（含建筑工程专业方向、道桥工程方向、地下工程方向3个专业方向）、水利工程类（含水利水电工程、港口航道与海岸工程、海洋资源开发技术3个专业）和交通工程专业，涉及的一级专业学科广泛；每年直接培养本科生人数近400名，同时教学平台的开发及课程助课每年可培养研究生5-10名。我校土木水利国家级实验教学示范中心，土木工程与水利工程一级学科分别为国家级、省级重点学科，基础工程仿真教学系统的引入、应用及实践教学可进一步完善相关专业学科的教学体系，丰富教学内容及手段，提高教学效果；为土木工程等建筑类专业教学打造具有示范和引领作用的一流课程，为一流学科专业建设夯实基础，为土木建筑类专业课程教育的信息化、现代化进行探索。
四 结语
通过多年的软件开发和课程实践教学应用，基础工程仿真教学系统已体现出显著的作用和成效。该仿真教学系统的引入并应用于课程教学实践，弥补了缺乏实践教学的不足，丰富了教师教学的手段，拓展了学生学习的空间和时间；在对学生专业知识的应用与实际操作能力的培养、和学生对抽象概念深入理解与空间思维能力的提升起到了传统教学方式无法实现的效果；进一步完善课程体系，提升了土木工程、水利工程及交通工程等建筑大类专业课程规模和水平。在今后的专业课教学中，应结合时代需求和学校学科特色，进一步完善仿真教学系统平台的功能，结合专业课程特点，立足工程人才培养特色，强化多学科融合特点，打造本专业具有示范与引领作用的一流课程。在土木建筑工程类专业课程教育的信息化、现代化上进行实践和探索。
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Application and Exploration of Computer-aided VR Teaching System in Civil and Infrastructure Engineering Course
WANG Yin, YANG Qing
（Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning, China）
Abstract： The fundamental professional courses of civil and infrastructure engineering, which is different from other courses and it requires not lonely the basic knowledge of multiple courses and professional standards, also sufficient practical training for the students. Due to the limitation on the course hours and teaching method, the practical training is often ignored during the teaching process. Thus, the department of geotechnical engineering in Dalian University of Technology has developed a computer aided virtual reality teaching system (VR teaching system) for foundation engineering course. This system includes the functions of expert reasoning, case analysis and 3D visualization. By applying this system to the course teaching, it helps improving the teaching method and enriching the teaching content. Finally, this application and reformation with this system can further promote the teaching effect and informatization and modernization.
Key words： VR teaching system; Foundation engineering; Teaching method; Teaching reformation
本文引用格式： 王胤，等.仿真教学系统在专业课程教学中的应用与探索[J]. 教育现代化,2019,6(61)：165-169.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.61.060
作者简介： 王胤,男,满族,辽宁瓦房店人,大连理工大学 建设工程学部, 博士, 副教授, 硕士生/博士生导师，主要从事岩土工程、基础工程的教学与科研工作；杨庆, 男, 内蒙古, 大连理工大学 建设工程学部, 博士, 教授, 硕士生/博士生导师，主要从事岩土工程的教学与科研工作。
标签：仿真教学系统论文; 基础工程论文; 教学方法论文; 教学改革论文; 大连理工大学建设工程学部论文;