建筑材料與檢測課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

趙美霞，楊 寧，劉 娟，于明旭

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116）

建筑材料與檢測課是高職建筑工程技術(shù)專業(yè)（群）開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握建筑材料的基本知識、技術(shù)性能，會進(jìn)行材料的選擇并掌握特定的檢測技術(shù)和方法等。該課程既有課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，也有實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)。教室和實(shí)驗(yàn)室是這門課程學(xué)習(xí)的兩個陣地，互為補(bǔ)充，相得益彰。然而近年來隨著高職招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些高職院校的實(shí)驗(yàn)室場地、實(shí)驗(yàn)儀器及師資嚴(yán)重不足，加上建筑材料與檢測課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時明顯減少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量堪憂。為了解決這一矛盾，我院（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院）考慮通過立項(xiàng)建設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)室以滿足實(shí)驗(yàn)的需要，但是由于學(xué)校場地有限、財(cái)力不足，以及建設(shè)實(shí)驗(yàn)場地及其配套設(shè)施周期較長等原因，這一矛盾一直沒有得到順利解決。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了途徑[1-5]。本文在傳統(tǒng)場地實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，分析構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的必要性，提出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的思路，以便為建筑材料與檢測課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革提供參考。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗(yàn)簡單地說就是借助計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)建一種虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)設(shè)備模擬操作實(shí)驗(yàn)的全過程，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求[6-8]。虛擬實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速進(jìn)步和發(fā)展的一種產(chǎn)物，其需要一定的信息技術(shù)做支撐[9-10]。虛擬實(shí)驗(yàn)作為場地實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充和嶄新的模式具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)具有高逼真性及仿真性

當(dāng)學(xué)生開展虛擬實(shí)驗(yàn)的時候，借助生成的實(shí)時的、具有三維信息的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以沉浸其中產(chǎn)生逼真的身臨其境的感受，并能夠在虛擬環(huán)境中按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)的步驟和要求進(jìn)行各項(xiàng)預(yù)定的實(shí)驗(yàn)操作，所取得學(xué)習(xí)效果不低于實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)可以完成場地實(shí)驗(yàn)不能完成或不便完成的實(shí)驗(yàn)

有些實(shí)驗(yàn)花費(fèi)太高而學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限、或者花費(fèi)巨大但實(shí)驗(yàn)效果卻不一定理想，有些實(shí)驗(yàn)過程需要經(jīng)歷幾個月甚至幾年的時間而沒條件開展，有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)槎拘曰蛭ｋU性太大不適宜開展群體性的場地實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)無法在場地觀察和再現(xiàn)，這些情形均可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)來完成。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行而不會增加額外的成本，可以突破場地實(shí)驗(yàn)的時空限制

虛擬實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)及不增加成本的特性，能夠方便學(xué)生反復(fù)演練，直到搞清楚實(shí)驗(yàn)過程中所有的難點(diǎn)或疑惑，也方便教師重復(fù)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中的重難點(diǎn)。這一點(diǎn)是場地實(shí)驗(yàn)無法做到的。另外，其突破時空的特性有利于操作者提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，改變了實(shí)驗(yàn)無法預(yù)習(xí)操作的現(xiàn)狀，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性好

借助于網(wǎng)絡(luò)，虛擬實(shí)驗(yàn)便于線上交流互動，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流，有利于及時解答疑問。這是場地實(shí)驗(yàn)所不具備的。

（五）虛擬實(shí)驗(yàn)有利于保證實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量

虛擬實(shí)驗(yàn)不占用已有課時，在當(dāng)下實(shí)驗(yàn)課時明顯不足的情況下，有利于保證實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

（六）虛擬實(shí)驗(yàn)在降低成本花費(fèi)方面效果顯著

虛擬實(shí)驗(yàn)作為場地實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，可以明顯降低實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)、人工費(fèi)、實(shí)驗(yàn)維修費(fèi)、設(shè)備損耗費(fèi)、管理費(fèi)等。

（七）虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種較新的實(shí)驗(yàn)方式，有利于轉(zhuǎn)變學(xué)生被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)

虛擬實(shí)驗(yàn)方式較新，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，變被動學(xué)習(xí)為主動探索，提高學(xué)習(xí)效率。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建的必要性

鑒于虛擬實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)勢，因此開展建筑材料與檢測課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建非常必要。

（一）構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是教育信息化建設(shè)需要

國家及地方教育主管部門一直非常重視教育的信息化建設(shè)，出臺了很多政策鼓勵高校將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合。虛擬實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建對于推動職業(yè)教育信息化的快速發(fā)展，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下的人才培養(yǎng)新模式至關(guān)重要。

（二）構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的迫切需要

當(dāng)前大多高職院校的狀況是學(xué)生多、場地少、設(shè)備老、儀器缺、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時少。虛擬實(shí)驗(yàn)對于彌補(bǔ)場地實(shí)驗(yàn)的不足，提升實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)實(shí)矛盾的迫切需要。

（三）構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是當(dāng)下高職學(xué)生學(xué)情的迫切需要

高職學(xué)生的知識基礎(chǔ)相對薄弱，對于理論學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)比較被動，而對新事物、新技術(shù)興趣濃厚，喜歡探究。虛擬實(shí)驗(yàn)正好迎合了高職學(xué)生的這種學(xué)情，給他們提供了一種新的學(xué)習(xí)方式。構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對于提升他們的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)他們的自信心具有重要作用。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建思路

本課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的目標(biāo)是使學(xué)生能夠基于網(wǎng)絡(luò)平臺隨時隨地體驗(yàn)水泥、石子、砂、混凝土、鋼筋等相關(guān)的虛擬材料實(shí)驗(yàn)，教師能夠隨時隨地與學(xué)生互動，指導(dǎo)學(xué)生，發(fā)布任務(wù)及要求，最大程度提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＬ摂M實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)要符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律，要保證實(shí)驗(yàn)的直觀性和便捷性，要注重實(shí)驗(yàn)的互動性。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的內(nèi)容建設(shè)以專任教師為主，技術(shù)建設(shè)以合作的技術(shù)服務(wù)公司為主，各司其職，各盡其責(zé)。本文主要論述內(nèi)容建設(shè)部分。根據(jù)需要將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺以版塊的形式進(jìn)行構(gòu)建，可分為用戶版塊、虛擬實(shí)驗(yàn)版塊、在線交流版塊及反饋評價版塊。

（一）用戶版塊

用戶版塊主要涉及管理員用戶、教師用戶、學(xué)生用戶、游客用戶，主要包括用戶注冊、登陸、用戶信息維護(hù)及修改、用戶權(quán)限等功能。用戶的所有操作均可以通過訪問特定網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)。不同用戶具有不同的權(quán)限和訪問限制。

管理員用戶擁有最高的權(quán)限，可以對教師、學(xué)生及游客進(jìn)行各種權(quán)限的管理。

教師用戶有以下權(quán)限：對學(xué)生身份進(jìn)行審核及添加或刪除學(xué)生名單，設(shè)置各種虛擬儀器、設(shè)備及使用說明供學(xué)生操作使用，對實(shí)驗(yàn)所需要的虛擬軟件或其他軟件提供下載，上傳實(shí)驗(yàn)的原理、目的、要求、操作步驟、演示視頻、三維動畫等學(xué)習(xí)內(nèi)容，查閱學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，針對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行評閱，給予評價意見和分?jǐn)?shù)，在線提問和回答學(xué)生的問題，查看和統(tǒng)計(jì)學(xué)生用戶的訪問軌跡、實(shí)驗(yàn)完成情況，對虛擬平臺提出改進(jìn)意見等。

學(xué)生用戶有以下權(quán)限：通過注冊登錄平臺訪問學(xué)生資源，在平臺使用各種虛擬儀器，下載教師上傳的虛擬軟件等，在線閱讀教師上傳的實(shí)驗(yàn)要求、操作步驟、演示視頻、動畫等學(xué)習(xí)內(nèi)容，針對疑惑在線提問，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查閱綜合成績評定結(jié)果，對虛擬平臺提出建議和意見等。

游客用戶只能觀看部分演示內(nèi)容，操作部分開放性的模擬實(shí)驗(yàn)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)版塊

虛擬實(shí)驗(yàn)版塊是平臺的核心部分，可以劃分為實(shí)驗(yàn)基本知識區(qū)、實(shí)驗(yàn)儀器區(qū)、實(shí)驗(yàn)操作區(qū)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告區(qū)、實(shí)驗(yàn)完成評價區(qū)，囊括了課程的主要實(shí)驗(yàn)。課程的主要實(shí)驗(yàn)包括水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量測定、水泥安定性實(shí)驗(yàn)、水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、砂篩分析實(shí)驗(yàn)、砂的表觀密度實(shí)驗(yàn)、砂的松散堆積密度實(shí)驗(yàn)、石子的表觀密度實(shí)驗(yàn)、石子的松散堆積密度實(shí)驗(yàn)、瀝青針入度實(shí)驗(yàn)、瀝青延度實(shí)驗(yàn)、瀝青軟化度實(shí)驗(yàn)、混凝土拌合物和易性的測定、混凝土拌合物表觀密度的測定、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、混凝土耐久性實(shí)驗(yàn)、外加劑的性能及其評價實(shí)驗(yàn)、鋼筋的拉伸性能實(shí)驗(yàn)、彎曲性能試驗(yàn)等。

在實(shí)驗(yàn)基本知識區(qū)，以文本的形式分別列出了上述實(shí)驗(yàn)有關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)原理，需要的實(shí)驗(yàn)儀器及其配圖、實(shí)驗(yàn)儀器的各種型號和參數(shù)、儀器的使用說明、注意事項(xiàng)及儀器的保養(yǎng)知識；在實(shí)驗(yàn)儀器區(qū)，分別列出了上述實(shí)驗(yàn)所需要的全部虛擬儀器和設(shè)備。這些虛擬儀器和設(shè)備由合作的技術(shù)開發(fā)公司進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，模型中包含著儀器的全部參數(shù)信息和功能特性。當(dāng)學(xué)習(xí)者將鼠標(biāo)放到對應(yīng)儀器的旁邊時，會出現(xiàn)對儀器功能、作用及如何使用的提示和說明。學(xué)習(xí)者確定選用所需要的儀器時，只需用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊即可。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)是學(xué)習(xí)者開展三維虛擬實(shí)驗(yàn)的區(qū)域，學(xué)習(xí)者可以通過實(shí)驗(yàn)儀器區(qū)選擇和調(diào)用需要的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)基本知識區(qū)關(guān)于實(shí)驗(yàn)的操作步驟和要求開始模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程要注意儀器的調(diào)用順序，儀器之間的連接規(guī)則。當(dāng)學(xué)習(xí)者感覺操作有困難或有疑惑時，可以在此區(qū)域內(nèi)觀看實(shí)驗(yàn)的演示視頻和動畫。

學(xué)習(xí)者在實(shí)驗(yàn)操作的過程中系統(tǒng)會全程錄屏并提示操作者是否進(jìn)行保存和上傳，以便后臺對實(shí)驗(yàn)操作過程和完成情況進(jìn)行綜合評價和打分，此項(xiàng)占據(jù)總分?jǐn)?shù)的40%。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告區(qū)設(shè)計(jì)了上述實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，鑒于每個實(shí)驗(yàn)的特殊性，每一個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板均有所不同。學(xué)習(xí)者可以在實(shí)驗(yàn)操作區(qū)完成模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的模板撰寫完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的完整度、準(zhǔn)確度等給予綜合評價和打分，此項(xiàng)占據(jù)總分?jǐn)?shù)的40%。實(shí)驗(yàn)完成評價區(qū)是在學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)操作得分及實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分的基礎(chǔ)上，結(jié)合教師給予的總分?jǐn)?shù)20%的評價得分得到總評成績。此總評不僅包括總評的分?jǐn)?shù)，還包括對學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況不足之處的完整說明，并提出了改進(jìn)的措施和建議。

（三）在線交流版塊

在線交流版塊包括師生交流區(qū)、提問留言區(qū)和自由討論區(qū)三塊內(nèi)容。

在師生交流區(qū)，學(xué)生可以針對實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、疑惑與老師交流和互動，也可以針對實(shí)驗(yàn)中的一些想法和思路向老師請教。教師負(fù)責(zé)啟迪、引導(dǎo)學(xué)生去思考和解決疑難問題，老師最終給出標(biāo)準(zhǔn)答案。師生交流區(qū)的不足之處在于，當(dāng)學(xué)生提出問題時教師需要在線才能及時互動，如果教師上線不及時，會因?yàn)榻涣鲄^(qū)聊天內(nèi)容的增多而將提問問題覆蓋，并且交流過程中提問和回答的內(nèi)容也會因?yàn)榱奶靸?nèi)容的增多被覆蓋，不易被后來上線的同學(xué)看到。

在提問留言區(qū)，學(xué)生對于一些不需要互動或是不需要著急知道答案的疑問進(jìn)行留言，教師和所有同學(xué)都可以查看留言，都可以在閑暇時間對提問進(jìn)行回復(fù)，不需要做出及時答復(fù)。留言區(qū)的設(shè)置方便了后來同學(xué)對問題的查看，有利于知識的傳承，避免了重復(fù)問題的重復(fù)回答。

在自由討論區(qū)，學(xué)生之間可以自由討論實(shí)驗(yàn)操作過程中的心得，可以對實(shí)驗(yàn)中的困惑各抒己見，在討論中互相促進(jìn)，共同提高，在知識的交流中增加感情，加深友誼。

（四）反饋評價版塊

學(xué)生和教師在使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺過程中的一些建議和意見，可以在反饋評價版塊進(jìn)行留言，促使平臺更加完善。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)是教育信息化發(fā)展的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)場地實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。在建筑材料與檢測課程引入虛擬實(shí)驗(yàn)對于解決學(xué)生多、場地少、設(shè)備老、儀器缺、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時少的問題具有重要意義，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有重要作用。同時需要認(rèn)識到：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建是技術(shù)構(gòu)建和內(nèi)容構(gòu)建的結(jié)合；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中虛擬實(shí)驗(yàn)版塊處于核心地位，對于平臺的構(gòu)建至關(guān)重要。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建不是一蹴而就的，需通過反饋評價版塊不斷收集意見和建議來不斷完善。