根据土木工程学科的特点,模拟实验教学和虚拟仿真实验教学一直是同济大学土木工程学院在教学环节和学科建设中的重要组成部分,并始终直贯穿于学院发展的历史。
早在1914年同济大学土木系科初创之时即建立了土木实验室和土木工厂,供学生实习之用;1932年,创立了国内最早的测量实验室;1945年抗战西迁之时,即关注计算技术和数字技术的教学应用,要求学生都能使用计算尺。解放以后,李国豪教授组织创建结构理论研究室,其间极为关注计算技术;文革后期,在国内率先建立电子计算机室,利用计算机进行结构数值仿真和教学研究,逐步开设了《电算语言及应用》课程和上机实习。
1990年代,本科即开设了《计算机绘图》、《计算机辅助设计》等课程。随着结构CAD教研室的设立,学科十分关注计算机辅助教学的建设,先后完成多项同济大学重点课程建设项目,如“结构力学CAI”(朱慈勉)、“建筑结构CAD”(钱若军)、“高层建筑多媒体”课件(赵鸣);沈祖炎教授负责的“钢结构计算机辅助教学CAI系统”项目,则首次将互联网技术引入到教学系统之中,实现了学科专业与信息技术的深度融合。集成相关教学改革项目和人才培养成效,顾祥林、朱慈勉、谢步瀛等完成的“建筑工程专业课程中的计算机辅助教学”于1997年获得国家级教学成果二等奖、上海市教学成果一等奖,达到国内领先水平。
1997年,土木工程学院成立,建立了结构试验中心、岩土工程实验中心和测量实验中心,形成了国内土木建筑领域规模最为庞大、专业最为齐全、设备日臻完善的土木工程试验群;在试验过程中,注重计算机技术与模拟控制、结构性态数值仿真,计算机与作动器联机的拟动力试验等。尤其是随着土木工程计算机仿真专业和虚拟建筑研究室的设立,在结构仿真实验、虚拟现实、建造和施工过程可视化方面成为国内标杆。依托于此,逐步开设了虚拟仿真实验教学系列项目。
2006年,学院统筹规划、整合资源,成立了土木工程实验教学中心,将分散于各系所的教学实验平台协调统一,构建了全方位、递进式的土木工程实验教学体系。针对教学难点,自主研制教学仪器设备,并将现代技术和多媒体引入教学实验中,利用虚拟现实、网络通信、数据库、GIS技术、多媒体技术等辅助模拟实验教学,极大地提升了实验教学效果。
2009年,以“同济大学土木工程国家级实验教学示范中心”建设为契机,学院在持续建设模拟实验项目的同时,顺应土木工程学科未来发展趋势、信息技术的发展和学生学习方式的转变,加大了仿真实验、虚拟实验的建设力度。统筹规划、重组资源,形成了夯实基础、面向应用、培养创新三个层次,虚拟现实、虚实结合、虚拟仿真三大类别,科研平台、技术平台、校企合作三大支撑的土木工程虚拟仿真实验教学系统架构(图1),包含有虚拟现实类实验(3个模块,计19个实验项目)、虚实结合类实验(10个模块,计29个实验项目)、性态仿真类实验(7个模块,计13个实验项目),共计61个实验项目。
土木工程虚拟仿真实验教学中心经过长期探索与发展,形成了鲜明的实验教学特色,取得了丰硕的人才培养成果。中心人员连续五届获得七项国家级教学成果一等奖或二等奖,《结构力学》、《桥梁工程》等六门课程获得国家精品资源共享课程,完成《矿物鉴定》等18项同济大学精品实验项目。依托实验教学中心建设,近5年来,土木工程学院的学子获得国家级大学生创新性实验计划项目102项、上海市级项目116项;连续六届获得全国土木工程专业本科生优秀创新实践成果特等奖;2007年起作为国内首支代表队参加美国大学生土木工程竞赛,并于2012年、2014年两夺中太平洋赛区第一名,学生的综合素质得到国际认可