芻議職業院校建筑工程專業模擬動畫仿真教學的應用

宋承裕

職業院校傳統的采用校外實習和校內實訓培養學生的動手能力的教學方法和手段已經不能適應建設行業技能型緊缺人才培養要求。學生學習都是處于被動狀態，學生的積極性不能被充分調動出來，提高不了學生的學習熱情和興趣。模擬動畫仿真，是學科課程與圖形文字、聲像等信息技術相互結合的產物，既可以提高學生的創新精神和實踐能力，又能激勵高校教學改革與創新，達到教學大綱的效果，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容。根據多年的教學經驗，簡單地談談模擬動畫仿真教學在建筑工程專業教學的應用。

建筑工程模擬動畫仿真教學應用一、模擬動畫仿真教學概述

1.模擬動畫仿真教學

模擬動畫仿真教學（The simulation animation teaching）就是利用計算機及其Flash等相關視頻軟件技術依據現場實況制作生成各種三維動畫模型來演繹系統發生的真實過程的一種教學方法。這里的動畫模型可以是定性的，也可以是定量的。即既可以是物理的模型，也可以是數學的模型；既可以是靜態的模型，也可以是動態的模型；既可以是連續的模型，也可以是離散的模型。這里的系統不但包括機電、建筑、化工等工程系列，而且還包含生態經濟等管理系統。

在動畫制作過程中模擬現實的境況時采用的景物除廠房建筑、交通、設施設備實物外，也可采用擬建建筑、廠房等設計模型，甚至構件組成材料內部分子結構、風管的超音速氣流等現實生活中觀察不了的抽象模型。

2.模擬動畫仿真教學的特點

模擬動畫仿真教學是在教學過程中利用計算機通過制作的情境動畫向學生演繹模擬的自然或社會現場，是一種理論結合實踐新的教學方法和教學手段。模擬動畫仿真教學經過多年的發展，采用數字化構建繁雜的物理模型來表明現實世界的變化規律已成為現實，模擬動畫仿真教學在各個學科和領域得到充分的拓展。模擬動畫仿真教學經過多年的發展，也展現了它獨有的特點，模擬動畫仿真教學具有專業性、實踐性、互動性等特點，有助于培養和提升學生的決策能力和提高學生的個人素質。

（1）專業性

模擬動畫仿真教學過程中采用的模擬動畫都是依據我們學的專業和課程，根據現場的真實場景項目、擬建項目及其工藝以及特定的環境下制作的。由于模擬動畫仿真教學在各個學科和領域得到充分的應用，所以在教學過程中，要展現其特定的專業性，要以具體的項目案例為驅動，特定的工作任務為導向，給學生演繹與其專業相適應的模擬動畫，做到理論和實踐結合，以提高學生的學習興趣，加強學生對其知識點的理解，加深學生對專業課程的印象。例如，《土木工程施工》專業課程，在講授地基處理時演繹其各種處理方法的模擬動畫以提高學生學習興趣和教學效果就體現其專業性的特點。

（2）實踐性

這里提及的實踐，也可以認為是模擬場景。模擬動畫仿真技術是利用計算機結合flash等相關視頻軟件技術模擬的自然或社會現場，創建一個虛擬但能復現真實的施工現場環境，情境教學。譬如在講授《房屋構造》演繹一個完整的建筑及其環境的三維動畫，多方位多角度的展示房屋結構的特征及其組成，使抽象轉為直觀，這就顯現其事件性的特點。

（3）互動性

模擬動畫仿真根據現場的真實場景項目、擬建項目及其工藝以及特定的環境下依據計算機及其相關軟件制作的，其工藝步驟具有一定的智能化，具有可操作性、應用性，可以靈活設置相應的參數、施工條件、工藝、以及故障來調整工藝工序的演變結果，建立各種事故和極限點，了解危險作業或臨界點。在教學過程中可以讓學生自行調整和改變參數，評估學生的成績并分析學生對理論知識的掌握和理解程度，檢驗一下教學效果。例如，《工程測量》課程有關水準儀讀書的有關要點講解時，利用模擬讀數器現場讓學生讀數這就體現其互動性的特點。

二、建筑工程專業模擬動畫仿真教學的應用及其效果

建筑工程專業模擬動畫仿真教學的應用主要是以建筑情境為原型，利用模擬動畫技術，利用多媒體課件和Flash動畫復現建筑任意角度動態顯示的虛擬建筑情境，構建滿足建筑專業教學要求的數字化課堂教學環境，增強學生的空間及其過程的想象力，提高學生學習興趣和學習能力。

1.建筑結構方面的應用

對于建筑結構人們極為關心的是承載力極限及其結構破壞問題。面對特殊的結構和形式、復雜的荷載和材料的性能，通過模擬動畫仿真可以觀察到整個過程的破壞，比較直觀形象，工作原理及其內容更容易理解。學生可以通過模擬動畫了解建筑物的內部結構，在模擬情境重自由漫游，置身于場景之中，并且能夠在設定的場景中進行數據參數、模擬環境等元素就行設置，與之互動，猶如親臨現場的體驗。例如壓桿穩定測試模擬動畫如圖1所示）。

在教學過程中，可以讓學生借助計算機對壓桿穩定測試實驗來驗證壓桿穩定受力特征進行現場操作。學生可以在計算機上直接對對壓桿進行固定、按壓壓桿，壓力機根據學生給出的各種荷載對結果進行分析反饋。

教學效果：通過這樣的模擬動畫仿真教學，學生能夠快速的理解和掌握壓桿的受力穩定性能及其臨界彎曲荷載的邊界條件，深化學生對建筑結構穩定性的認識和了解。

2.在地基與基礎方面的應用

地基與基礎是地下隱蔽工程的，外觀觀察比較困難，模擬動畫仿真技術把地基與基礎內部結構多維度表現出來，對于了解地基與基礎的內部特性有著很大的意義。在對課程基本理論學習的同時，采用模擬動畫仿真教學，讓學生認識和熟悉土壓縮實驗、原位測試、三軸實驗、無側限抗壓實驗土工實驗各種設備儀器，了解實驗的工作原理，充分調動學生的學習積極性性，增強學生感知認識，提高學生的理解能力和創新能力。例如，了解土方開挖時的塌方，我們可以通過模擬動畫仿真技術知道斷層、裂隙和節理的密度，分析地下結構和邊坡的穩定性。例如，樁基筏板基礎設計模擬動畫如圖2、圖3所示。

在教學過程中可以讓學生借助計算機對樁基筏板基礎進行模擬設計。學生可以自行建立和修訂參數，通過演示來觀察各項參數的變化的同時樁基筏板基礎是如何變化的，樁的長度、樁的位置、周邊基礎等對樁基筏板基礎產生什么樣的影響，與內力、樁頂反力等的影響。論證分析其變化與基礎內力、變形及其樁定反力之間存在何種規律。

教學效果：通過這樣的模擬動畫仿真教學，學生可以輕松的對樁基筏板基礎形狀、厚度、樁的長度、樁的位置進行修改，演示過程中能直觀地反映出樁基筏板基礎在參數變化時的變形和內力變化。深化了學生樁基筏板基礎的認識，了解了樁的長度、樁的位置、周邊基礎等對樁基筏板基礎產生的影響，鞏固了學生的專業基礎知識，提高了學習效率。

3.防災抗震方面的應用

地震災害是自然災害當中破壞力最強、很難及時預測和最廣泛分布的災害，加強建筑物抗震設防的研究，提高建筑物的抗震性能，是建筑專業學生學習的一個重要課題。隨著技術的發展，建筑結構形式越來越顯示出新的、非凡的和特殊的發展特點，傳統的理論教學方式已經不能適應這種發展趨勢，在教學過程中通過模擬動畫仿真教學，通過耗能減震結構模擬動畫，直觀、形象的向學生展示其發展機理，使學生身臨其境，增強學生感知能力。例如，耗能減震結構模擬動畫如圖4、圖5所示。

在教學過程中可以讓學生借助計算機對構件的尺寸、形狀、鋼筋形式數量以及震波等進行設置，通過模擬演示，觀察構件內力及其變形變化情況。論證分析結構構件出現臨界狀況的邊界條件，優化設計有效的提高結構的抗震能力。

教學效果：通過這樣的模擬動畫仿真教學，學生對構件的各項幾何參數包括地震波和耗能阻尼支撐進行設置，通過演示論證分析結構構件出現臨界狀況的邊界條件，對耗能減震的專業知識有了深刻的認識和理解。

4.在施工工藝中的應用

建筑工程施工方法和施工組織具有多樣性和變異性的特點，施工工藝復雜，包含支模拆模、綁扎鋼筋、砌筑、澆搗、養護等眾多工序，種種工序之間環環相扣，錯綜復雜，對于混凝土的澆筑進度都有一定的影響。在講授施工工藝專業理論知識時模擬動畫仿真模擬各個施工工藝過程以及各工序之間的層間邏輯關系，可以科學形象的顯示不同的施工工藝及其技術措施產生的結果和效用，進而對施工方案和施工進度進行量化處理。學生通過模擬動畫仿真教學不僅可以加深施工技術的理論知識的理解，同時也能夠通過模擬動畫仿真教學更深層次的去了解新工藝新方法，提高學生的學習興趣、激發學生的主觀能動性和創新意識。

在教學過程中可以演示先張法張拉鋼筋的整個過程，從鋼筋張拉開始至設計應力的1.05倍、支模板、放置夾具、撤去張來機澆注混凝土及其養護達到設計強度的75%截斷多余鋼筋整個操作工藝都能直觀的反映出來，通俗易懂。

教學效果：通過這樣的模擬動畫仿真教學，學生能夠清晰的了解先張法的整個工藝過程、操作步驟及其工作原理，能夠正確區分先張法與后張法的施工的不同之處，不但能夠快速的理解張拉原理，也為今后的工作奠定的扎實的基礎。

三、建筑工程專業模擬動畫仿真教學的優越性

建筑工程涉及的專業課程很多，建筑是一個復雜的系統，影響其安全性、耐久性、穩定性的因素很多，如《建筑力學》《建筑識圖》《建筑結構》《鋼筋混凝土》，等等，這些課程相對比較深奧復雜，而且很抽象，各個工序工藝之間有著非常復雜的相關性，利用傳統的教學方式和方法，僅僅通過書本教材獲得客觀正確的結論是很難實現的，必須要有一套系統的、全面的方法和手段配合相關的實習實踐才能了解和掌握其知識要點。而模擬動畫仿真教學在授課過程中通過演繹模擬動畫仿真，將比較抽象的概念轉化為現場情境，直觀、形象的將建筑展現在學生面前，學生學習時身臨其境，大腦的思維能夠得到充分的調動，能快速的理解其的工作原理及其組成，加快的知識點的理解和記憶，學習效率得到極大的提高。所以模擬動畫仿真教學在建筑工程專業教學中顯得尤為重要，主要體現在一下幾點：

（1）填補了傳統教學手段和教學方法上缺陷和不足。建筑工程專業模擬動畫仿真教學相對于傳統教學而言，更能使抽象的概念變得直觀，建筑工程專業模擬動畫仿真教學填補了傳統教學手段和教學方法上缺陷和不足。

（2）填補了傳統教學實習和實踐過程的不足。建筑工程專業模擬動畫仿真教學在講課過程中給學生演繹其各種施工工藝過程和原理，而這一演繹過程恰恰也是施工現場的真實過程的展現，相當于一個現場實踐過程，增強了學生的認知感，填補了傳統教學實習和實踐過程的不足，提高學生的理論知識和專業技術水平。

（3）學習效率得到極大提高。將傳統的教學手段與模擬動畫仿真教學相比較，在同一課程同樣的時間的狀態下，傳統的教學模式教學學生能夠接受和記憶的內容在百分之三十左右，模擬動畫仿真教學學生能夠接受和記憶的內容在百分之三十左右，可見，模擬動畫仿真教學可以大大的提高學習效率。

（4）安全性得到保障。采用模擬動畫仿真教學，由于涉及到建筑本身的好多實踐過程都是在課堂或者多媒體教室利用計算機來完成，改變了傳統的學生在實驗室或到工地現場利用真實材料和設備來完成相關實驗，減少了材料、設備及其現場存在的不安全隱患給學生帶來的傷害，極大的提高了安全系數。

（5）節約了成本。采用模擬動畫仿真教學，采用的多媒體手段進行教學，其生成軟件可以反復使用。傳統的教學模式學生在進行學習和實訓過程中，都是事先準備好教學和試驗需要用到的材料，學生根據老師傳授的試驗方法和書本上講解的基本原理對材料進行加工操作。試驗結束后使用的材料基本不能再次使用，要進行下次試驗時有得重新材料。采用模擬動畫仿真教學時，其動畫模擬都是采用的多媒體手段進行演示，其應用軟件可以反復使用，試驗過程可以反復進行，充分發揮出學生的主觀能動性，互動性極強，極大的降低了運行成本，強化了專業基礎知識的了解，提高了教學效果。

四、建筑工程專業模擬動畫仿真教學的局限性及解決途徑

當然模擬動畫仿真教學除了具有上述的優點以外，也存在一定的局限性。

首先，真實操作性差。模擬動畫仿真教學整個過程都是模擬演示，學生不能真實的動手實際操作，對一個真實項目不能完全去感知和領悟，特別是專業技能方面，缺乏應有的鍛煉和培養，實際動手能力不強。

其次，容易造成安全生產意識淡薄由于模擬動畫仿真教學整個過程都是在計算機上完成，工作安全性極高。學生在實踐過程中即使出現不按照規定流程和施工工藝要求進行操作，出現錯誤或故障也可以通過關閉系統重新操作來完成實踐，這樣容易是學生產生僥幸心理，麻痹大意，不能養成高度的責任感和安全意識。

針對建筑工程專業模擬動畫仿真教學存在的局限性，在教學過程當中應該在傳授理論知識和實踐技巧的同時，也應該要求學生在學習過程中不斷的突出問題，思考問題，增強解決問題的能力和素質。同時，也要真正做到校企結合，理論學習和生產實踐緊密結合，在學生掌握理論知識和實踐要求的基礎上及時的安排學生進入企業進行實踐實習，鞏固學校學到的理論知識，使模擬動畫仿真教學和現場施工管理有效的結合起來，增強學生的動手能力，提高學生的專業技術技能水平和職業素質。

五、結論

總之，模擬動畫仿真教學提高了學生的學習主觀能動性，培養了學生的想象能力，增強了學生的自信心和成就感，通過模擬動畫仿真教學，學生能夠充分了解自己學到的科學理論知識及其掌握的專業技術水平，充分結合理論和實踐，提高對專業技術的理解，激發專業精神。模擬動畫仿真教學拓展創造性和想象力，將在未來的智能教育中獲得巨大發展。

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