高職院校建筑工程專業(yè)仿真教具及模型的自主研發(fā)探討

易斌

【摘 要】以高職院校建筑工程專業(yè)為例，探討仿真教具及模型的自主研發(fā)，以解決教學(xué)資源配置不足的問題，從而帶動(dòng)實(shí)踐教學(xué)課程改革工作，提高教師的科研動(dòng)手能力。

【關(guān)鍵詞】高職 仿真技術(shù) 仿真教具 自主研發(fā) 課程改革

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）06C-0150-02

教學(xué)教具及模型在課程實(shí)踐中的應(yīng)用是一個(gè)信息傳遞的過程，現(xiàn)代教學(xué)傳遞信息的常規(guī)教學(xué)輔助工具比較多，如掛圖、實(shí)物模型、多媒體等。而實(shí)物模型能反映物體真實(shí)的外觀、變化和運(yùn)動(dòng)過程，特別直觀，尤其對于高職學(xué)生來說意義重大。教學(xué)教具及模型的使用，一方面可以讓學(xué)生親自制作模型，激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生創(chuàng)造操作活動(dòng)情境，加深對專業(yè)構(gòu)造的了解；另一方面這些教具及模型作為其他專業(yè)課的教學(xué)輔助工具在教學(xué)中也廣泛得以應(yīng)用。

一、研發(fā)仿真教具的意義

建筑工程技術(shù)專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的工科專業(yè)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)（尤其是現(xiàn)場實(shí)習(xí)）占很大的比重，是提高專業(yè)人才動(dòng)手能力、專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵途徑與手段。目前，全國各高職院校開設(shè)土木建筑類專業(yè)較多，也不同程度地構(gòu)建了自己的校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地，開展了各種認(rèn)知類、實(shí)操類的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。但是，建筑專業(yè)實(shí)踐教學(xué)開展實(shí)體實(shí)訓(xùn)要求建筑物規(guī)模較大、投入資金較多、學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)間較長等，使得現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件無法滿足教學(xué)要求。

開展以校內(nèi)模擬工程環(huán)境為背景、基于仿真技術(shù)的建筑工程類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，不僅可以很好地滿足人才培養(yǎng)的需求，還可以在一定程度上解決教學(xué)資源配置不足的問題。

第一，職業(yè)教育對提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、培養(yǎng)動(dòng)手能力的客觀要求。受到專業(yè)實(shí)訓(xùn)條件限制，高職院校的建筑實(shí)訓(xùn)往往顧慮較多，安全、成本、時(shí)間等方面都無法做到平衡。有了仿真實(shí)物教具，實(shí)訓(xùn)時(shí)間可以更靈活，安全也有保障，耗材不貴，創(chuàng)造了強(qiáng)化專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

第二，培養(yǎng)教師科研開發(fā)與專業(yè)實(shí)踐能力的有效手段。研發(fā)仿真實(shí)物教具的過程，實(shí)際上也是專業(yè)課老師深入了解實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、工程材料，分析結(jié)構(gòu)力學(xué)，掌握成本的過程，特別是對于年輕教師來說意義尤其重大，是一次很好的專業(yè)實(shí)踐能力的鍛煉。

第三，優(yōu)化實(shí)訓(xùn)資源、降低教學(xué)成本的理想途徑。每一所學(xué)校的實(shí)訓(xùn)資源有限、資金有限，仿真實(shí)物教具大批量生產(chǎn)，一次性采購，大大降低了教學(xué)運(yùn)營成本，是每個(gè)學(xué)校管理者都盼望的。

二、研發(fā)仿真實(shí)物教具的設(shè)計(jì)思路和方法

（一）研發(fā)設(shè)計(jì)的思路

通過與合作單位的研究與開發(fā)，將建筑工程技術(shù)施工的項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為室內(nèi)仿真模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)產(chǎn)品，形成系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)，并運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中去。

1.真正讓學(xué)生通過仿真模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)產(chǎn)品動(dòng)手，進(jìn)一步消化建筑施工工藝?yán)碚撝R(shí)，強(qiáng)化動(dòng)手能力，加深對建筑工程技術(shù)施工內(nèi)容的理解。

2.采用本課題研發(fā)產(chǎn)品，可部分替代真實(shí)實(shí)訓(xùn)，不受氣候、場地、耗材的影響，不存在真實(shí)實(shí)訓(xùn)帶來的安全問題，在專業(yè)教室內(nèi)就可以做到教、學(xué)、做一體化。

總之，設(shè)計(jì)開發(fā)一系列仿真模擬實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品，將室外大型、真實(shí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目模擬化、小型化、室內(nèi)化、模型化，盡量降低實(shí)訓(xùn)成本，一定程度解決了建筑類實(shí)訓(xùn)的困惑，它是一種輔助性的教學(xué)產(chǎn)品，具有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。

（二）研發(fā)設(shè)計(jì)的原則

1.教具可周轉(zhuǎn)使用，以降低實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本。考慮一部分教學(xué)實(shí)訓(xùn)材料都是一次性使用，對于班級多學(xué)生人數(shù)多的實(shí)訓(xùn)來說，耗材投入比較大，必須考慮成本。

2.簡化教具構(gòu)造，以方便在室內(nèi)實(shí)訓(xùn)使用。仿真教具不同于真品的地方，就在于學(xué)生實(shí)訓(xùn)安排在室內(nèi)，學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)間有限，要想完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)工作量，必須方便使用。

3.教具模塊化，以提高學(xué)生操作效率。教具的模塊化，可以降低采購成本、維護(hù)成本。

（三）研發(fā)設(shè)計(jì)的方法

1.將對應(yīng)真品實(shí)物進(jìn)行比例縮小，采用常見的規(guī)格尺寸即可。以標(biāo)準(zhǔn)磚為例，真品實(shí)物為粘土燒結(jié)而成，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為240×115×53 mm；可以縮小為原物的1/2，配套標(biāo)準(zhǔn)磚為半磚、2/3磚，即可滿足常規(guī)砌筑組砌工藝的實(shí)訓(xùn)要求；對于磚之間的水泥砂漿灰縫，可采用白色泡沫進(jìn)行仿真，學(xué)生只需要按照實(shí)物灰縫尺寸進(jìn)行裁割即可，為方便拆除，可不用膠粘劑粘結(jié)。

2.將某些對應(yīng)真品的構(gòu)造進(jìn)行改造，采用更加利于拆拼的方法。以腳手架體系為例，對應(yīng)真品采用的是48×3.5 mm的鋼管，外加三種扣件進(jìn)行拼裝而成；而這些顯然不方便縮小比例仿真，需要采用一種更加有利于學(xué)生在室內(nèi)進(jìn)行快速拆拼的結(jié)構(gòu)；于是決定采用簡化桿件、不銹鋼螺栓連接的方案，

3.將對應(yīng)真品實(shí)物的材質(zhì)進(jìn)行替換，采用更加低成本的膠合板、硬質(zhì)塑料板以及更加耐用的烤漆鋼管。

以模板為例，要求學(xué)生根據(jù)所給圖紙進(jìn)行尺寸計(jì)算、制作，而對應(yīng)真品采用的是18 mm厚竹膠板或者鋼板制成，不利于學(xué)生在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上迅速裁割；經(jīng)過大量材料比較分析，決定采用方便加工的木質(zhì)三厘板。

（四）研發(fā)設(shè)計(jì)的過程

第一步：充分調(diào)查研究教學(xué)所需教具的用途，確定開發(fā)深度，詳細(xì)列出相應(yīng)功能要求、成本要求。從建筑專業(yè)課程典型項(xiàng)目入手，確定砌筑工程、腳手架工程、鋼筋工程、模板工程等這些教具是必需的，適合微縮從而方便搬到室內(nèi)進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)，而且成本較低，有些還可以循環(huán)使用。

第二步：走訪建材市場，了解對應(yīng)真品實(shí)物及材料規(guī)格、品種、價(jià)格；分析對應(yīng)真品實(shí)物構(gòu)造，確定哪些參數(shù)可以借鑒、哪些必須改造。通過調(diào)查和實(shí)物拆解發(fā)現(xiàn)，實(shí)際工程中的對應(yīng)真品并非可以簡單微縮而成，一是構(gòu)造復(fù)雜了微縮不方便大批量制作，二是成本原因?qū)е虏牧喜荒苷瞻帷Ｒ虼耍仨氉约涸O(shè)計(jì)改造，但是又不能變化太大，否則失去仿真的初衷，學(xué)生使用起來真實(shí)感也降低。

第三步：初步設(shè)計(jì)仿真教具方案，確定構(gòu)造、材質(zhì)、尺寸，繪制構(gòu)件草圖和組裝圖。有了初步設(shè)計(jì)方案，也只是一個(gè)比較模糊的概念。在繪制草圖的中，特別是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和組裝方面，遇到了當(dāng)初不曾預(yù)想到的地方，也是通過不斷修改完善才定稿。整個(gè)過程都采用了CAD軟件進(jìn)行二維和三維的手段。

第四步：委托專業(yè)廠家進(jìn)行仿真教具樣品加工。有了加工藍(lán)圖，還需要跟專業(yè)教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家技術(shù)員進(jìn)一步溝通，最終才能下單加工。

第五步：完成仿真教具樣品的試用、修改、定型。教具樣品出來之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持“實(shí)用、好用、安全”的原則，反復(fù)試用，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，修改圖紙，再生產(chǎn)，再定型。

（五）研發(fā)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容

選取建筑工程技術(shù)施工實(shí)訓(xùn)的若干項(xiàng)目（例如砌筑工程施工、腳手架工程施工、模板制作安裝施工、鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)安裝施工等），將大型施工實(shí)訓(xùn)工具與材料進(jìn)行微縮，做成可讓學(xué)生動(dòng)手完成的、可反復(fù)拆裝的、系統(tǒng)化的教學(xué)用具，施工技術(shù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目模擬化，移到室內(nèi)完成相關(guān)建筑類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

1.砌筑工程施工項(xiàng)目：可用微縮的砌塊完成仿真砌筑墻體。

2.腳手架工程施工項(xiàng)目：可用微縮的腳手架按圖紙、比例搭設(shè)仿真腳手架體系。

3.模板制作安裝施工項(xiàng)目：可用微縮的木模板按圖紙、比例搭設(shè)仿真整層樓的梁、板、柱模板體系。

4.鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)安裝施工項(xiàng)目：可用微縮的鋼構(gòu)件和工具按圖紙、比例搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)廠房。

5.其他仿真施工項(xiàng)目。

三、研發(fā)仿真實(shí)物教具的成果和影響

（一）研發(fā)推動(dòng)教學(xué)改革的發(fā)展

1.有了這些仿真教具，可以把部分不宜開展的大型建筑施工工藝實(shí)訓(xùn)搬到室內(nèi)，有效開展砌筑仿真實(shí)訓(xùn)、腳手架搭設(shè)與拆除仿真實(shí)訓(xùn)、模板制作與安裝仿真實(shí)訓(xùn)、鋼筋加工與綁扎仿真實(shí)訓(xùn)等。

2.有了這些仿真教具，可以配置較少的師資，緩解了專業(yè)課老師較缺乏的現(xiàn)狀。在室內(nèi)的仿真實(shí)訓(xùn)中，老師只需要講解實(shí)訓(xùn)要領(lǐng)、演示實(shí)訓(xùn)過程、考核實(shí)訓(xùn)成果即可。老師的精力與時(shí)間可以更多用在教學(xué)設(shè)計(jì)、課程改革等方面。

3.有了這些仿真教具，可以拓展更多的專業(yè)課實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，例如施工組織平面設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)、工程識(shí)圖實(shí)訓(xùn)、房屋構(gòu)造模型制作實(shí)訓(xùn)等。

（二）提高了教師的科研水平

在自制教具過程中，根據(jù)教具的不同，為了達(dá)到更好的演示和教學(xué)效果，往往會(huì)采用一些較為先進(jìn)的技術(shù)手段，這就要求教師不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)、掌握新技術(shù)。對于年輕的專業(yè)課教師來說，本身就是一個(gè)極好的鍛煉機(jī)會(huì)。仿真教具研發(fā)出來了，老師們的動(dòng)手能力和科研水平都有了較大提高。以腳手架體系為例，老師們的理解僅僅限于書本上的介紹，沒有深入了解桿件和腳手架板的弊端。通過研發(fā)，才真正發(fā)現(xiàn)問題、想方設(shè)法解決問題。

（三）極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

將仿真教具投入實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生普遍反映良好。在分組完成各類課堂實(shí)訓(xùn)、集中實(shí)訓(xùn)時(shí)，手腦并用，有成就感。不僅鍛煉了動(dòng)手能力，還提高了識(shí)圖水平，收到了較好的教學(xué)效果。

（四）研發(fā)帶來了其他附加成果

不僅完成了砌體砌塊、鋼筋、木模板等常見實(shí)訓(xùn)教具，也產(chǎn)生了若干項(xiàng)實(shí)用新型發(fā)明專利，分別為仿真拼裝式腳手架桿件、腳手架板、便攜式吊錘、激光吊錘、臨時(shí)圍護(hù)欄桿、多功能坡度檢測器等。在這個(gè)基礎(chǔ)上，還擬定了一整套相應(yīng)的仿真教具實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，完成仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)化。

結(jié)合建筑工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)仿真模型，是一種重要的教學(xué)輔助工具。模型的設(shè)計(jì)效果必須能反映建筑工程的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)、施工工藝、使用過程等方面。隨著建筑工程的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)很多新的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造方法，因此模型的設(shè)計(jì)也會(huì)不斷發(fā)展。同時(shí)，制作模型的新材料在不斷增加，制作工具和工藝也在不斷提高和改進(jìn)，教學(xué)模型的制作會(huì)越來越簡單，模型的樣式會(huì)越來越多樣。

仿真教具的自主研究與設(shè)計(jì)過程，帶動(dòng)了本專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)課程改革工作，產(chǎn)生了一批實(shí)用新型專利發(fā)明成果，同時(shí)教師的科研動(dòng)手能力也得到了提高，是一次很有意義的探索，值得推廣。

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【作者簡介】易 斌（1967- ），男，在職研究生，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研室主任兼專業(yè)負(fù)責(zé)人，副教授，高級工程師。

（責(zé)編 黎 原）