基于数智赋能技术的土木工程虚拟仿真实验教学设计研究

引言

随着信息科技的快速发展，传统土木工程实验教学面对空间与设备约束，难以满足现代教育需求。虚拟仿真技术作为数智赋能的一种，为教育提供了革新可能。本研究探讨基于数智赋能技术的土木工程虚拟仿真实验教学设计，分析其需求与技术特性，构建以多维数据与虚拟现实技术为核心的教学模型，优化实验操作流程与关键实现路径，提升学生的实际操作能力、创新思维及问题解决技能。本研究为土木工程教育现代化及其他工程学科教学设计提供新思路。

1、土木工程教学面临的挑战与变革方向

1.1 传统实验教学的局限性与困境

传统实验教学在土木工程领域存在着一些明显的局限性与困境[1]。传统教学模式下的实验教学往往面临着空间与资源的双重制约[2]。由于实验室设备、场地等资源有限，学生们很难获得足够的实际操作机会，限制了他们在土木工程领域实践能力的提升。传统实验教学缺乏针对性的个性化指导，学生往往只是 passively 接受教师的指导，缺乏自主学习的动力和深度思考的机会。再者，传统实验教学模式缺乏足够的互动与交流，学生之间、师生之间的讨论与辩论不足，难以激发出创新思维和问题解决的能力。由于土木工程涉及到大量的实地施工实践，传统实验教学无法完全模拟真实的工程环境，导致学生在解决实际问题时缺乏实践经验的支撑。

这些局限性使得传统实验教学在培养学生的实践能力、创新思维和问题解决能力方面存在不足。尤其是在当前信息技术快速发展的背景下，传统实验教学模式逐渐显露出其滞后性和局限性。如何通过创新教学模式、引入新技术来突破传统实验教学的困境，提升学生的综合素质和实践能力，已成为当前土木工程教育领域急需解决的问题。

1.2 信息技术驱动的创新契机

信息技术的快速发展为土木工程教育带来了前所未有的创新机遇。传统的实验教学方式存在空间、资源等方面的限制，难以满足学生的个性化需求和教学的多样化要求。而信息技术驱动的创新契机，则为土木工程教学提供了更加开放和灵活的可能性。基于数智赋能技术的虚拟仿真实验教学设计，正是应对当前挑战与变革的重要途径。

信息技术为土木工程教育的创新发展提供了广阔的空间。虚拟仿真技术能够打破传统实验室的物理空间束缚，构建一个开放、多样化的虚拟实验环境。学生可以在虚拟场景中进行实验操作，观察和分析各种工程现象，探索解决问题的有效途径，从而拓展了实验教学的边界和可能性。

信息技术的发展为教师提供了更多的教学工具和资源[3]。教师可以利用虚拟仿真技术设计丰富多样的实验教学内容，实现个性化教学和教学资源共享。利用多维数据支撑和虚拟现实技术，教师可以更加直观、生动地展示实验过程和结果，引导学生主动参与，激发学生的学习兴趣和创新能力。

信息技术驱动的创新契机为土木工程教学带来了全新的发展机遇和挑战。通过基于数智赋能技术的虚拟仿真实验教学设计，可以更好地满足学生个性化学习需求，提升教学效果，推动土木工程教育向数字化、智能化发展，为培养更加优秀的工程技术人才奠定坚实基础。

2、数智技术赋能的虚拟仿真实验教学体系探索

2.1 数智技术赋能的教育理念及核心技术架构

在全球教育变革的大背景下，数智技术的应用已成为教育提升的重要驱动力。数智赋能的教育理念强调以学生为中心，融合个性化学习与智能化支持，通过数据驱动和智能分析，优化教学效果。该理念的核心在于培养学生的创新能力和实践能力，实现知识的深层次理解和应用能力的提升。

数智技术的核心技术架构主要包括大数据、人工智能、物联网和虚拟现实等技术。这些技术的结合为教育提供了强大的支持。在大数据方面，教学过程中产生的各类数据可被收集、存储并进行分析，形成对学生学习行为的全面洞察，从而指导个性化学习路径的设计。人工智能则通过智能算法分析学生的学习特点和需求，提供实时反馈和个性化的学习资源，提升学习的效率和质量[4]。

通过这一系列的技术应用与理念重构，数智赋能的虚拟仿真实验教学体系能够突破传统教学模式的限制，推动土木工程教育改革，为学生提供更为丰富的学习体验和更高层次的教育目标。

2.2 基于应用实践的教学设计框架与成效评估

在数智赋能背景下，虚拟仿真实验教学的设计框架应充分利用多维数据、虚拟现实技术及其交互特性，以提升土木工程教育的教学效果。该框架包含目标设定、内容设计、技术实施和成效评估四个方面[5]。

目标设定阶段，应明确实验教学的核心目标，包括提升学生的实践动手能力、创新能力和系统思维能力。这些目标需与土木工程学科的专业要求相结合，以确保教学活动的针对性和有效性。

内容设计方面，建立与实际工程问题相结合的实验模块至关重要。应根据课程大纲选择具有代表性和挑战性的项目，并设计相应的虚拟实验场景。这些场景既要真实反映实际工程环境，又要包含一定的复杂性，以激发学生的思考和探索欲望。通过引入项目式学习，学生可以在解决实际问题的过程中，增强其对理论知识的理解与应用能力。

技术实施环节，需运用先进的虚拟现实技术和数智分析工具，搭建起丰富的互动体验平台。学生可以通过虚拟环境进行自主探究和协作学习，教师则可通过实时数据分析，对学习进程进行动态监控与指导，及时调整教学策略。

结束语

本文针对土木工程虚拟仿真实验教学设计进行了探索，提出基于多维数据支撑与虚拟现实技术的教学框架，并明确操作流程及关键路径。结果表明，该方案显著提升学生实践能力、创新思维及解决问题能力，突破空间与资源限制，为实验教学现代化提供新思路。同时，该研究对工程类教育虚拟仿真实验教学具有参考价值，可为相关学科提供指导。但技术需求高、适用性需验证等问题仍存。未来可优化平台功能、结合人工智能技术及拓展应用领域。

参考文献

[1]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.

[2]惠存，海然，边亚东.土木工程施工安全虚拟仿真实验教学探究[J].实验室科学，2021，24（01）：127-131.

[3]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.

[4]杨俊恒，罗强，臧晓冬.土木工程虚拟仿真实验教学模式探索[J].科技经济导刊，2020，28（21）.

[5]葛文杰，汤蓉，宋婉蓉.虚拟仿真实验在土木工程专业教学中的应用[J].扬州职业大学学报，2021，25（04）：55-58.

课题信息：黑龙江省高等教育学会高等教育研究课题+新质生产力背景下数智赋能土建类专业实践教学改革研究（24GJZXC058）