融入虚拟仿真实验的道路工程实验教学初探
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摘 要：在大学实验教学体系中，虚拟仿真实验教学已经成为了重要手段之一。大学课程门类众多，不同课程的实验教学培养目标也不同，将虚拟仿真实验融入到实验教学中，应结合专业的特点设置相应的模块。该文结合现代道路工程特色及虚拟仿真技术，首先阐述开展道路工程虚拟仿真实验的意义，结合专业特点再提出道路工程虚拟仿真实验教学体系建设思路及模块设计方案，对于提高教学质量、促进人才培养具有重要的现实意义。
关键词：道路工程 虚拟仿真实验 教学体系 模块设计
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0055-02
目前，虚拟仿真实验已在众多高校得到广泛应用，成为实验教学示范中心建设和本科、研究生教育信息化建设的主要内容。虚拟仿真实验是一种借助数据库、多媒体、人机交互、仿真和虚拟现实以及网络通信等技术，模拟仪器设备、真实实验场景操作流程和环节，实现传统实验操作软硬件操作环境部分替代或全部替代的一种具有极具发展潜力的现代教育教学技术手段。近年来，虚拟实验教学体系已成为教学改革的方向之一。因此，深入思考专业特点，挖掘其优质的教育资源，对道路工程虚拟仿真实验教学体系进行设计，对于提高教学质量、促进人才培养具有重要现实意义。
1 道路工程虚拟仿真实验的意义
作为土木工程的一个分支，道路工程专业内容涵盖范围极广，包括：道路网规划，路线勘测设计，路基、路面、给排水、桥涵、隧道工程、附属设施工程的设计施工，运营养护阶段的养护设计施工等。进行融入虚拟仿真实验的道路工程实验教学，具有重要意义。
（1）道路工程专业实验综合性较强、设备体量大、资源消耗大、试验成本高，需要大量重复性试验，材料消耗大，耗时长，不同类型试验，试件规格不一致，难以反映其性能特征。
受到场地和实习时间的限制，还有一些与实際工程结合紧密的实验无法在实验室完成，传统实验教学要么靠教师通过粉笔+黑板、现场图片进行讲解，要么只能简化试验操作配以口头讲解完成教学过程，或者只能现场简单参观工程但无法通过实际操作了解整体工程的工艺流程，教学效果不良。通常，传统实验室无法完成的危险性、极端破坏性、试验周期过长的实验，往往可借助虚拟仿真实验进行，将抽象的实验过程生动、逼真、立体地表现出来，增强课堂趣味性，使学生乐于接受。
（2）道路工程专业许多实验为大型综合类实验，相关教学实验选课学生多且实验安排难度较大、学生参与实验的自主性不强，那么在虚拟实验模块下，学生可以不受课时和资源的限制，完成多个实验，同时学生可以自主设计实验方案，轻松改变实验参数，实现不同条件下的实验研究，随机产生不同实验结果并进行统计定量分析，这样有助于学生对实验的深入了解，有利于学生对问题的综合分析，以及创新精神的培养。
（3）同时，还可以借助虚拟实验，引导学生进行课前预习和课后复习，从而培养学生主动学习能力。此外，在本科生课外创新和科研课题的训练过程中，应用虚拟实验对学生进行指导，以提高学生综合素质。
2 道路工程虚拟仿真实验教学体系的建立
（1）建设理念。
结合学校人才培养方针，以道路工程行业发展需求为导向，坚持“虚实结合、相互补充”的建设原则，紧跟现代道路工程及虚拟仿真技术进展，充分发挥专业特色优势，加强学科交叉，构建大数据、大平台、跨专业共建平台，以全面提高学生综合素质为目标，将能力培养和知识传授进行融合，开展虚拟仿真实验实践教学形式改革，培养学生的探索精神、科学思维精神、创新能力、动手能力，以实现信息共享、教学创新、人才培养等目的。
（2）模块设计。
不同高校的道路工程专业都具有各自的特色，在模块的设计上不能生搬照抄，而是凸显自身特色，取长补短，设立有利于拓宽教育改革和科学研究的虚拟仿真平台和实验教学课程体系。从大类上，道路工程专业虚拟仿真实验教学可分为道路工程设计、交通基础设施施工与检测、交通基础设施运维管理三大模块。
道路工程设计模块可下设道路勘测设计、工程测量、路基路面设计虚拟仿真实验等。针对道路工程变形测量、健康监测、路线选线、路基路面结构和材料设计等实验内容存在无实际操作环境等的问题和难点，采用虚拟仪器、课件大师、Flash动画及其他制作工具，向学生传授基本测量、设计技能，分步骤展示实体工程全国过程测量和设计过程，引导学生生动地了解测量、设计的各个流程，达到为本科生理论学习联系实际工程实践提供过渡性平台的目的和效果。
交通基础设施施工与检测模块可下设土木工程材料、路基路面施工及检测虚拟仿真实验等。现有实验仪器台套数和场地条件有限，实验过程消耗大，开展虚拟试验。由于土木工程材料、路基路面施工及检测实验量大，实操性强，则模块内容可包括相应实验的实验原理、实验目的、实验规程、实验视频、虚拟实验操作5个部分。要充分利用丰富的多媒体资源、图像处理、数值计算技术，使虚拟实验过程更加形象化。对于实验操作特别需要注意的地方，设计一些常见操作错误的过程环节并进行纠错及说明，使学生充分了解和掌握实验过程。
交通基础设施运维管理模块可下设道路养护管理虚拟仿真实验、交通流监控及仿真实验等。采用路面破损系统辅助识别系统、基于GIS的道路智能化养护管理系统软件、交通流量监测系统等先进技术手段，为学生提供仿真软件操作平台进行养护作业、交通流量监测实践，使学生熟练掌握道路养护过程中路面病害诊断与评价、路面性能预测、交通控制等的方法，培养学生的实践技能。
此外，还可设立研究创新型实验模块，以学生自主选题为主，利用已有的虚拟实验技术条件，学生可自行开发虚拟实验项目，从实验方案设计、实验操作，到数据和图形分析等，锻炼学生的动手能力。
3 结语
在大学实验教学体系中，虚拟仿真实验教学已经成为重要的教学手段之一。利用虚拟实验教学，不仅能够节约教学资源、减少实验设备损耗、实现教师指导工作的高效化，还可以激发学生的学习兴趣和主动性，弥补传统实验教学短板，其重要作用和现实意义不可估量。
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