基于仿真技术和网络平台的岩土工程实践教学模式探讨.docx

基于仿真技术和网络平台的岩土工程实践教学模式探讨 师文豪　吴静红[摘 要]岩土工程是应用学科，对实践教学的需求非常迫切文章从实践教学必要性的角度阐述了岩土工程行业的特殊性，分析了传统岩土工程实践教学模式存在的主要问题，认为传统实践教学模式不能适应现代化的教学需要以顺应科技、行业发展趋势为指导，针对岩土工程行业的特殊性，基于仿真技术和网络平台，课題组创新了岩土工程实践教学理念，探讨了从教学内容、教学方法、教学过程和考评机制等方面进行全方位改革的岩土工程实践教学的模式和策略，为岩土工程教学工作者提供参考，以期提高现代化实践教学效率和教学质量[关键词]岩土工程;虚拟仿真;案例教学;网络教学;教学模式[] G642 [] A [] 2095-3437（2021）08-0009-04岩土工程专业是土木工程的学科分支，是运用工程地质学、土力学、岩石力学等学科理论解决各类工程中关于岩石和土的工程技术问题的科学岩土工程是一门实践性很强的学科，现代工程教育导向下的岩土专业人才不仅仅需要有宽广的基础理论知识，更应该具备较强的实践能力，实践教学正是培养学生分析和解决实际问题能力和创新能力的重要环节因此，岩土工程实践教学应该较理论教学具有同等重要，甚至更重要的地位[1-3]。

岩土工程的发展与人类改造自然的发展史息息相关，具有强烈的时代性随着我国“一带一路”全方位对外开放倡议的逐步实施，开辟跨境多式联运的基础设施建设规模不断扩大，为岩土工程的快速发展提供了历史性舞台作为岩土工程专业教师，理应以此为契机，针对岩土工程行业的特殊性，对岩土工程实践教学模式进行深入探索，突破传统的岩土工程实践教学模式，将信息化、数字化、智能化融入岩土工程实践教学中，构建适合新形势下岩土行业发展需求的综合素质教学模式，为新时代国家基础设施建设事业培养更优秀的岩土工程专门人才，这也是当今“以本为本”要求下岩土工程实践教学改革需要深入研究的课题之一一、岩土工程行业的特殊性岩土工程实际问题非常复杂，存在一定的特殊性，仅通过理论教学不能使学生深刻认识和理解岩土工程的特殊性，不能满足培养复合应用型岩土工程人才的社会需求[1-2]岩土工程行业特殊性主要表现在以下方面一）岩土材料的复杂性岩土工程的研究对象岩土体为天然地质材料，是长期地质历史的产物，赋存于形态各异的地质构造和丰富多变的地质环境之中，其在形成过程中经受了各种复杂的地质作用和复杂多变的自然条件，导致其的矿物组成、宏细观结构、物理力学性质和地应力场环境均具有复杂性特征。

二）岩土参数的不确定性受地质成因和年代的影响，不同区域、不同种类的岩土体性质差异很大，是非均匀的即使同一地区，同一土体，受矿物颗粒粒径、形状、大小和组构的影响也会存在较明显的空间差异性，导致岩土体参数具有空间变异性特征此外，一年四季不同温度、湿度等也会影响岩土的物理力学性质，这决定了岩土体参数同时具有时间变异性特征三）岩土工程的不可重复性岩土体为天然地质体，正如莱布尼茨所说“世界上没有完全相同的两片叶子”，同样也没有完全相同的两块地质体即使铁路、公路、隧道、堤坝、地下管道等岩土工程的选址有人为因素的影响，也常常局限于非常有限的备选方案无论选址如何，岩土工程勘察、设计、施工和监测都必须与地质体的特有属性相匹配，但是，受应力历史的影响，任何工程施工扰动都会诱发岩土体性质发生变化，因此岩土工程不存在“从头再来”四）岩土工程的多场耦合特性岩土体一般由固相、液相和气相三相组成，该三相介质融合为一个整体存在于岩土工程的地质环境中地应力、地下水、温度、化学、微生物等环境作为影响地质环境的几个主要因素是同时存在的，它们之间相互联系、相互作用又相互制约，造成了岩土体的应力场、渗流场、温度场、化学场和微生物场等多场耦合效应。

二、传统岩土工程实践教学存在的主要问题实践教学对于教师来说是一个教学相长的过程，但是传统岩土工程教学始终存在着重理论、轻实践的现象，实践教学经费投入不足，学生的实践机会较少这一定程度上造成了教师教学的积极性和激情不高，对学生吸引力不足，导致学生的学习兴趣和好奇心缺失，严重影响了对学生分析、解决岩土工程实际问题能力的培养，不能满足岩土行业对复合应用型人才的需求，同时也制约了教育教学质量的提升[4]究其原因，主要表现在以下几个方面一）实践教学与理论教学相互脱节目前大多数高校的课程设置中理论教学与实践教学是分开的，理论教学中将传授知识作为第一要务，在讲述基本概念、定理、公式及其应用时往往忽略了实际工程背景，导致学生对理论源自工程实际的简化、提炼过程缺乏认知，这无疑增加了学生学习抽象理论知识的难度，学生即使学会了知识点，却往往是知其然而不知其所以然，在实际工程中遇到相应的问题仍会束手无策而实践教学课时量普遍偏少，有限的课时内教师通常是对部分关键知识点进行讲解，很难再系统地对理论知识逐一进行分解、剖析;学生往往只重复实验（实习）中的几个步骤，缺乏对整个过程的理解和把握，不能将知识内化为个体经验，导致实践教学停留在学生的认知和感知层面上，远远达不到掌握技能、技巧，更不用说达到理论联系实际和独立工作的要求。

二）实践教学内容局限于实践基地实践基地是传统实践教学的主要场所，其对于岩土工程实践教学的重要性是毋庸置疑的由于工程建设的时效性特征，岩土工程实践教学内容会随着工程建设本身和工程建设进度不断变化因此，实践教学的时间安排、教学内容基本取决于实践基地的工程进度，这无疑加大了实践教学的实施和管理难度工程完工后，虽然一些工程可以转为固定的实践基地用于重复性的基础实践教学，如水电站、河堤大坝、边坡、隧道等工程，但是另一些岩土工程会随着工程的竣工而失去实践教学价值，如地基处理、基坑工程、基础工程等此外，受地域、经费投入的限制，高校的实践教学基地往往非常有限，并非所有高校都能为学生提供类似水库边坡、海底隧道、多年冻土、超深基础等复杂特殊岩土工程问题的实践条件，这势必会导致实践教学内容的完整性和系统性大打折扣三）实践教学形式与现代化教学手段不匹配传统的实践教学形式主要包括课程实习、教学实习、毕业实习等多种类型[5]，这些实践教学目的各有侧重，且相互联系，整体上涵盖了基础知识、基本方法、专业技能等多种内容，学生通过野外或现场实践考察，一定程度上促进了学生认识水平和实践能力的提升但是，在學科经费的限制下，很多学校仪器设备陈旧、不足，一些实践基地随着工程的竣工而面临退役的窘境，致使实践教学虽然走出了教室，但是教学模式并未发生实质性变化，在较高的师生比例下，仍然维持着以教师讲授为中心，学生观摩认知为主的模式，学生对岩土工程行业特殊性缺乏深入认识，尤其是对直观认知难度较大的多物理场耦合特性，学生的实际参与辨识度非常低。

从现代教学角度看，我们的教学手段仍旧单一，丰富的数字化、信息化和智能化教学资源利用率不高，教学形式与现代化教学手段（如虚拟仿真技术、网络教学）不匹配[6]，实践教学效率依然较低，不能满足新时代下学生学以致用能力的培养要求三、基于仿真技术和网络平台的岩土工程实践教学模式探讨岩土工程作为一门应用学科，是为工程建设服务的工程教育认证明确要求学生能够学以致用，能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题[7]因此，岩土工程实践教学既要从工程中来又要回归到工程中去在高标准、严要求的工程教育环境下，课题组充分考虑到岩土工程行业的特殊性，基于目前实践教学过程中存在的主要问题，不拘泥于实践形式，在现代化实践教学理念的指导下，提出基于仿真技术和网络平台的岩土工程实践教学新模式一）以工程案例为导向丰富实践教学内容土力学的奠基人Terzaghi曾说过：“一个记载完善的工程实录应当受到与十个具有独创性的理论一样的重视以工程案例为导向的实践教学内容丰富多彩，而且不受时间、地域限制，可以实现专业理论和工程实践的有机结合教师讲授内容应相对具体、明确，通过引导学生进行案例研讨，增加教师和学生之间双向交流的机会。

把完善的工程案例作为实践教学的素材，可以实现从工程地质勘察、岩土力学实验、设计分析、工程施工、质量检验到监测预警等各个环节的系统性教学，从教学角度再现岩土工程建设过程，让岩土工程“从头再来”以工程案例为导向的实践教学改革重点是案例库的建设和完善，强调理论与实践的紧密联系这对教师提出了更高的要求，不仅要求教师具有丰富的工程经验，能够充分消化吸收案例的各个环节，还要能熟练进行案例启发、问题探索、理论剖析和专题讨论等实践教学以工程案例为导向的实践教学既可以调动教师的教学积极性，达到以教学促进科研的目的，也能更好地激发学生的学习兴趣，提高实践教学效果对于案例库的建设，应当以系或教研室为单位，首先可按照岩土工程的性质、类别等原则对大类岩土工程进行合理分类，划分为若干个小的类别，比如边坡稳定性下分土坡稳定性、岩石边坡稳定性，土坡稳定性进一步分为天然土坡稳定性、路堑土坡稳定性、堆土坝稳定性等然后教师通过自身参与企业委托科研项目，到在建工程一线调研、走访建设单位，进行网络查证等多渠道有目的地获取岩土工程实际案例的详尽资料，确保每个最小类别的岩土工程至少有三到四个工程案例要实行教师专项负责制度，每个教师负责一个类别，类别等级取决于教师人数，教师对每个小类别的掌握程度尽可能做到精细深入，避免每个教师都要熟悉所有的案例。

二）以虚拟仿真为手段优化实践教学方法虚拟仿真是虚拟现实技术与仿真技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术以虚拟仿真为手段的实践教学中，虚拟现实和仿真分析是相辅相成的，二者缺一不可构建岩土工程案例的虚拟仿真环境，可以实现岩土工程的全方位分解和进度把控，学生可以通过视觉、听觉、触觉、运动感觉等多途径感知工程案例的各个环节，自主与岩土工程进行交互，达到对岩土工程的全空间、全过程认知的目的[8]在此基础上，进一步开展工程案例仿真分析的实践教学，从仿真软件确定、工程几何模型构建、材料参数赋值、物理场识别、力学模型选择与计算等方面逐一对工程案例的设计分析进行深度解析对于同一工程案例，通过假设振动、暴雨、高温等特殊环境或者改变岩土结构、岩土材料等条件，分析其对岩土工程仿真结果的影响，加深学生对岩土工程特殊性的认知和理解，培养学生解决岩土工程问题时的思维严谨性这种实践教学方法把以教师为主体转变为以学生为主体、教师为辅，充分发挥学生的主观能动性和现代化交互式教学的优越性，大大降低了实践教学的时间成本和经济成本的同时，确保了实践教学的广度和深度双重效果，提高了实践教学效率和教学质量虚拟仿真与案例库建设相结合，要求教师至少要掌握一门仿真和计算软件，如VRP、BIM等建模软件，ANSYS、FLAC、COMSOL、PFC等计算软件。

此类教学包括两个方面：其一，感性认知实践教学以系或教研室为单位，教师通过资料整合将案例库转化为可编辑的虚拟模型，将实际岩土工程建设过程进行可视化分解，通过人机交互操作演示岩土工程建设过程，加强学生对岩土工程的概念性认识其二，理性探索实践教学教师根据教学需要，可从案例库中截取部分模型，导入数值计算软件中，通过设置等效施工条件，融入降雨、地震、高温、爆破、车辆荷载等进行岩土力学仿真，深层次解读岩土工程施工与自然、社会环境的相互作用，促使学生透过现象看本质三）以网络教学为平台创新实践教学过程充分利用现代信息技术，创建现代化网络教学平台用于岩土工程实践教学，不仅仅局限于岩土工程案例的虚拟仿真动态演示，还可以利用最先进的5G网络技术，进行跨空间跟踪式实践教学可以以类似于“专家宝”APP、抖音直播等的形式进行实践教学与岩土工程现场的连接，以岩土工程师的视角进行远程实践教学，每位参与实践的学生既是观众也是记者，可以实时与岩土工程师交流互动整个实践教学过程中学生无须到工程现场，仅需要一部或者一台电脑。