一、案例背景

土木工程学科实验教学长期面临多重挑战：一是传统实体实验受场地、设备、成本的限制，难以满足大规模、高风险、长周期实验的教学需求，如大型结构抗震实验存在安全隐患且成本高昂；二是学生个性化学习需求与统一化实验课程的矛盾突出，部分学生因能力差异无法充分掌握复杂工程原理；三是东西部高校实验资源分布不均，优质教学资源难以跨区域共享。面对上述问题，亟需突破时空限制、优化资源配置、提升教学灵活性。在此背景下，东南大学基于土木工程一流学科优势（A+学科），依托教育部首批虚拟教研室试点项目，以土木类虚拟仿真实验教学改革为核心，结合人工智能、元宇宙等技术，构建了“虚实结合”的数字化实验教学体系，旨在解决实体实验的固有短板，推动实验教学向智能化、个性化、共享化转型。

二、创新举措

（一）理念创新：构建“AI+虚仿”深度融合实验教学体系

1. 虚实结合的教学设计

按照“OBE”理念，以“虚拟仿真+实体实验”双轨并行模式重构课程体系，推进减少简单原理验证的陈旧实体实验，优化设计实体实验教学的主要载体综合设计性实验，引入体现前沿科研领域与工程技术、具有学科交叉属性的虚拟仿真实验，实现实验课程体系、教学内容与创新人才培养要求相适应的需求。

 

图1 虚实结合实验体系

2. AI驱动的个性化教学

开发“虚拟实验教师”系统，基于大模型技术实现实验项目的智能推荐、教案自动生成与学习反馈。例如，学生通过对话AI输入个人能力水平、期望学习目标等信息，“虚拟实验教师”即可调用预训练的神经网络与智能算法，为学生推荐一组满足需求的实验方案。而在虚拟实验平台上“虚拟实验教师”也可以根据学生的实验数据实时生成能力雷达图，并推送专项训练。

 

图2 实验智能推荐

（二）方法创新：打造沉浸式智慧实验教学平台

1. 元宇宙技术支持下的沉浸式实验

土木工程沉浸式智慧实验教学平台，将网络资源知识化、碎片知识体系化，构建AI时代学生的新型知识图谱、能力图谱和素质图谱。并以此创建师生特征个性化全息画像，对学生进行个性化实验指导服务以及综合性评测。

2. AI赋能实验教学评价

引入大数据分析技术，实时追踪学生实验操作轨迹、错误类型与耗时分布，通过AI技术构建“全过程追踪、全方位画像”的实验教学评价体系，结合智能评分模型对实验规范性、数据准确性等能力进行动态评分，实现对学生能力的精准诊断与动态反馈。

 

图3 元宇宙实验平台及教学评价

（三）机制创新：构建跨域协同“教研用”一体化生态

1. 虚拟教研室跨域协同共建

牵头成立土木类专业虚拟仿真实验教学改革虚拟教研室、新型实验课程建设虚拟教研室、全国虚拟仿真实验教学创新联盟等组织机构，制定土木工程虚拟仿真实验能力教学标准，建立跨域高校协同机制，推动课程共建、师资共培、数据共享，成果纳入《虚拟仿真实验教学课程建设指南》《高等学校土木工程本科专业指南》。

 

图4虚拟教研室东西部协同共建

2. 跨区域资源共享机制

联合西部高校共建“土木类在线实验室”，通过“慕课西行”计划协助内蒙古科技大学、兰州理工大学、青海大学等建立实验教学体系、输送虚拟实验资源，目前建立课程数量7门、浏览总数6415次，破解资源分布不均难题。

三、主要成效

通过上述举措，土木工程实验实践教学效率与质量显著提升。通过融入学科前沿和思政元素，开发高水平虚拟仿真实验教学资源，获国家级虚拟仿真项目3项（土木类全国共35项）；入选教育部虚拟教研室试点建设典型案例3项；基于虚拟仿真的东西协同土木工程实验教学改革与实践作为唯一实验教学案例入选“慕课西部行”全国13个典型案例之一，并向教育部吴岩副部长汇报；虚实结合的土木工程专业实验教学体系构建获国家级实验教学示范中心五年阶段性总结典型案例，并作为8个案例代表之一（全国共895个示范中心）在推进会报告，相关成果被新华社、央视新闻报道。

东南大学土木工程学院通过“AI+虚拟仿真”深度改革，不仅破解了传统实验教学的固有难题，更构建了“跨域共享、虚实共生”的数字化教学新生态，带动了西部高校一起推进土木实验教学的创新发展，为全国土木类实验教学数字化升级提供了示范模板。

 

图5 新华社及央视对本项目的报道