面向網絡教育人才培養的建筑材料虛擬實驗的建設與應用

田丹

（大連理工大學 遠程與繼續教育學院，遼寧 大連 116011）

面向網絡教育人才培養的建筑材料虛擬實驗的建設與應用

田丹

（大連理工大學 遠程與繼續教育學院，遼寧 大連 116011）

網絡教育中的虛擬實驗是以科學理論為指導對計算機技術、通信技術和傳感技術的綜合運用。建筑材料實驗作為土木工程類專業的基礎實驗，其虛擬系統的建設與應用，打破了傳統土木工程實驗在時間、空間及人員規模上的操作限制，擴大了實驗教學范圍，增強了實驗教學效果，在網絡教育實驗教學領域取得了巨大的創新。

網絡教育；人才培養；虛擬實驗；實驗教學

實驗教學是具有工科特色的網絡教育工作的重要組成部分，在培養在職從業人員應用技能方面發揮著重要的作用。建筑材料是土木工程類專業必修的基礎課，也是一門特別強調實驗教學的專業課程，建筑材料的種類繁多以及建筑材料實驗的多樣性和破壞性，使得該課程實驗具有項目多、消耗大、費用高、歷時長、儀器設備雜和占用場地多等特點[1]。隨著信息技術的迅速發展，網絡教育招生規模的不斷擴大及學源地域分布的廣泛性使建筑材料實驗成為實驗教學工作的“瓶頸”，如何解決這一問題，使虛擬實驗的建設與應用成為研究的“熱點”。

一、虛擬實驗的內涵及特點

1.虛擬實驗的內涵。虛擬實驗是以真實實驗為基礎，利用先進的計算機技術、網絡通信技術、多媒體技術、數字技術及虛擬現實技術來完成的實驗，其系統一般由傳感器、測控器（或數據采集器）、相關數據處理軟件和計算機系統組成，其中計算機系統是數字化實驗的核心[2]。

2.虛擬實驗的特點。①實驗過程“可視化”，虛擬實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數據、記錄數據，實現了時間上細微過程的實驗過程數據自動記錄，相當于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數據，實現了數據記錄的時間連續性，實現了瞬間變化“可視化”。②實驗設計“重點化”，虛擬實驗由傳感器和數據采集器代替人眼讀取數據，用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數據，計算機軟件代替人腦對數據進行簡單統計、處理和分析，能夠直接把測量數據的變化過程通過“待測物理量—時間”圖像直接顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關系，從而讓學生能夠將更多的時間和心力用于實驗設計，用于探究和分析，用于驗證和修改假設，從而有利于更好地理解概念，掌握規律。③數據采集“智能化”，數據采集“智能化”的基礎是計算機信息技術的應用。功能強大的數據采集器可以自動把整

個實驗過程中物理量的變化通過高采樣率完整地記錄下來，存儲在數據文件中。由于采用計算機自動控制，數字化實驗能夠在很短的時間內采集和處理大量的數據，并利用計算機強大的數據處理和作圖功能，將數據反映成圖像，使實驗結果更加直觀，從而實現了數據變化過程與實驗過程同步，實現數據的實時采集和實時處理。④教學過程“現代化”，虛擬實驗提供了一種現代化的認知工具。認知工具是支持、指導、擴展學習者思維過程的心理或計算與實驗裝置[3]。

二、建筑材料虛擬實驗的構建

1.實驗的設計思路。建筑材料虛擬實驗的構建目標是提供網絡教育實驗教學的新方式，將建筑材料實驗從實驗室搬到網絡平臺，使在職人員可通過網絡平臺做水泥、鋼筋、混凝土、砂漿等多種基本建材實驗，結合真實實驗，從而更好地達到建筑材料實驗教學的目的[4]。

建筑材料虛擬實驗具體內容包括：（1）與實驗原理相關的國家標準、規范以文本的形式導入網絡平臺。（2）實驗操作步驟利用實際錄像以視頻的形式展現或者用數碼相機拍攝實驗主要過程圖片加以滾動的字幕表示。（3）利用實驗操作結果，手動進行數據的記錄與處理。

2.實驗的構建功能。該虛擬實驗的構建功能如圖1所示，主要包括原理規范、操作演示、視頻演示和實驗報告等內容，既包含了教學大綱中對實驗的基本要求，又建立了輔助教學和在線交流功能。

圖1 建筑材料虛擬實驗的功能框圖

原理規范主要介紹了每個實驗的基本原理、實驗依據、實驗設備和相應的取樣、操作程序，其形式為文本。學生可以通過在線瀏覽和文檔下載初步掌握實驗的總體過程。操作演示是在實驗原理的基礎上，為剛開始進行實驗操作的學生設計的一個作為參考用的實驗指導步驟，采用圖文混合方式，將實驗步驟具體分解，能有效、快速地輔助學習者了解該實驗的操作過程，是對實驗的總體指導，其步驟是規范和標準的。視頻演示是整個虛擬實驗的核心，主要包含了水泥、混凝土、砂漿、鋼筋等實驗教學內容的錄像資料。采用真實的設備、素材進行實驗，以連續的活動圖像，真實、有序、同步、形象地實現實驗的全過程。通過視頻演示，學生不僅可以掌握實驗過程、實驗原理，同時也能直觀地掌握儀器設備的操作技術。在視頻演示中還特別設計了局部放大功能，可以讓學生清晰地觀察到試件在加載過程中的變形狀況及儀器設備的數據記錄，使得實驗數據不失真實，數據處理規范標準。實驗報告是通過實驗中的觀察、分析、綜合、判斷，如實地把實驗的全過程和實驗結果用文字形式記錄下來的書面材料。學生可以通過網絡平臺下載實驗報告模板，根據模板要求填寫實驗數據并計算分析得出結果。輔助教學和在線交流功能使學生在實驗過程中遇到的問題疑難點可以向教師請教，教師也可以隨時發送測試題來檢查學生的掌握程度。

3.實驗的構建資源。（1）引入數字化儀器，建立實驗硬件環境，建筑材料虛擬實驗應結合課程特點，創建虛實結合、以實為主的實驗教學模式。通過數字化儀器，提高實驗硬件建設水平，增強實驗教學功能，并能夠在數字化實驗環境下，完成常規的實驗任務，培養學生基本實驗方法、實驗能力，同時通過網絡把數字化實驗環境擴展出去，使實驗得到有效延伸，大幅度提高實驗設備的利用率。（2）構建以計算機為主體的數字化實驗平臺，建筑材料虛擬實驗要真正體現出其教學優勢，必須以計算機為主體，構建虛擬實驗平臺。一方面計算機作為控制設備，能充分開發數字化儀器的功能，另一方面計算機構建起虛擬實驗平臺，學生可以通過平臺直接進行在線實驗學習，在時間和空間上大幅度地拓展了實驗環境。（3）發揮網絡優勢，形成立體化實驗教學模式，網絡是建筑材料虛擬實驗的神經線，它可以保證數字化實驗的高效率運行，達到最佳效果。一方面網絡把數字化儀器設備等硬件資源發散出去，開展遠程實驗，充分發揮數字化儀器設備的優勢，提高了利用率。另一方面網絡把虛擬實驗平臺、多媒體課件、實驗輔導資料等軟件資源發散出去，打破了傳統實驗的時空限制，提高了遠程實驗學習效果。（4）建設現代化管理手段，保障數字化實驗順利開展，網上實驗管理可以實時監控學生的實驗學習情況，實現實驗預約、解惑答疑、報告提交、實驗討論、自我測試等功能，通過批閱學生的預習報告、查看學生的網上提問和測試結果，及時了解學生的學習情況，便于有針對性地安排輔導。

三、建筑材料虛擬實驗的應用效果

1.全面推進了實驗教學現代化。實驗數據的實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析和實時分享使建筑材料實驗環境無限擴展，同時教學實驗模版、實驗結果以及實驗報告的電子化，使得教學評價和教學指導的模式更加現代化，從而可以進一步促進教學、優化教學。

2.有效加深了學生對實驗現象和原理的理解。由于建筑材料虛擬實驗的結果非常直觀、精確，學生對許多實驗現象的直接觀察和定量記錄得以實現，對實驗結果的認可度和把握性大大提高，從傳統的死記硬背地機械性學習轉變為有意義的理解性、探究性學習，學習效率和效果也將隨之提高。

3.建筑材料虛擬實驗有助于培養學生綜合應用現代科技的能力。作為未來世界的主人，當代學生需要體驗并實踐各種先進的實驗理念和實驗技術，數字化實驗室建設為學生個體發展現代科技素養提供了契機，學生可以運用各類傳感器、數據采集器、計算機以及必要的實驗配件等硬件通過開放性的軟件進行各類實驗操作，實驗的綜合性和現代化是空前的。

21世紀是信息技術高速發展的時代，建筑材料虛擬實驗作為網絡實驗教學的創新成果具備良好的發展前景。我們應密切關注現代化技術，使虛擬實驗在網絡學習中發揮更重要的作用，進一步擴大網絡教育的規模。

[1]白振宇.傳統物理實驗的數字化改進例解與啟示[J].中小學信息技術教育，2007，（5）：36-37.

[2]郭曉萍，彭實.數字化教學實驗系統在探究活動中的應用實例[J].教學儀器與實驗，2006，（5）：6-7.

[3]朱梁權.利用DIS傳感器研究通斷電自感現象[J].物理實驗，2009，（1）：27-29.

[4]李建霞.綜合設計型實驗教學方法探索——軟硬件結合進行數字實驗教學[J].教學研究，2009，（3）：63-67.

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1674-9324（2014）04-0270-02

田丹（1981-），女，遼寧沈陽人，講師（碩士），主要從事網絡高等教育教學研究。