開放教育建筑類課程虛擬仿真實驗教學探究

武瑞娟

(河南開放大學，鄭州 450016)

隨著設備和信息技術的發展，遠程教育在現代教育中所占的比重越來越大，它幫助學習者擺脫了地域和時間的限制，為自主學習提供了便利，逐漸成為了大多數學習者獲得知識的主要途徑之一[1-2]，這些特點和優勢剛好彌補了開放教育工學矛盾突出，時空分離，學生專業基礎水平參差不齊的短板[3]。基于信息技術的虛擬仿真技術解決了傳統開放教育建筑類課程實驗教學中由于條件、時間、經濟、安全等方面的制約而導致學生實踐操作做不好、做不了、做不上的難題[4-6]。

1 開放教育虛擬仿真實驗教學改革的必要性

課程是人才培養的核心要素，是教育的微觀問題，解決的卻是戰略大問題[7]。課程是立德樹人這一人才培養根本標準的具體化、操作化和目標化[8]，一門好的課程能夠反映出前沿性和時代性，教學形式能呈現出先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化[9]，可以實現知識能力和素質的有機融合，能夠培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。在線和遠程教育作為開放教育的主要教學形式，其教學形式主要依賴于課程學習資源的設計和傳送。由于沒有傳統課程的教師面授，課程資源便成為了教學環節必不可少的重要內容，要利用課程資源幫助學生在非課堂環境下管理好自己的學習，完成課程學習任務，熟練課程技能。建筑類專業具有大量實踐操作類課程，要在現代遠程開放教育的條件下使土建專業實踐教學環節能夠順利完成，保證開放教育的質量。

2 開放教育學生的特點

開放教育學生多數在接受學校專業教育同時還有工作要兼顧，學生所在地比較分散，較難組織起來進行集中授課，時空分離，工學矛盾突出，他們希望能夠通過網絡、虛擬仿真等現代信息技術來獲取相應知識和實踐技能。

2.1 學生的專業知識水平參差不齊

開放教育的部分學生已經從事了與建筑專業相關的工作，他們具有一定的專業實踐經驗和專業基礎知識，希望通過系統學習能夠獲得更專業、規范的知識和實踐技能，使學習有側重點和針對性，進而提高工作效率。而有些學生是剛接觸建筑類專業，知識水平和專業知識均較為薄弱，此類學生希望先學習專業基礎知識和基本技能，然后再有針對性地學習相關專業實踐技能，逐漸提升工作能力。

2.2 不同工作崗位對實踐知識技能的學習需求不同

同一個班級的學生對于同一門課程的要求會因為學生從事不同崗位而不同，工程造價崗位的學生希望學習更多關于預算軟件的使用操作，施工管理崗位的學生希望學習更多關于施工組織設計的內容和管理技能。對于學生的差異化需求，傳統的課程教學和實踐教學模式無法滿足。

3 建筑類課程特點

建筑類施工用儀器設備多為大型設備，操作具有一定不便，價格高，部分學校缺少相關的實驗實訓儀器設備。隨著科學技術的快速發展，儀器設備的自動化、信息化水平越來越高，設備更新換代周期縮小，學校儀器設備的更換速度趕不上技術發展進步的速度，學生不了解新技術、新材料、新工藝和新儀器設備[10]。

建筑類實踐實訓設備的操作需要大型場所，學校很難和施工現場一樣配備成套系統設備供學生操作，還需考慮到實踐操作過程中學生的人身安全。隨著建筑規模的大型化、智能化、復雜化，對建筑專業學生的工程實踐能力也提出了更高要求。但受條件、時間、場地和安全方面的限制，學生很難獲得現場實踐機會，使得學生的施工實踐技能欠缺，安全意識淡薄，施工現場應變能力不足。

4 虛擬仿真實驗教學系統設計

在建筑產業現代化、信息化發展的背景下，應立足當前建筑專業人才培養的社會需求[11]，結合開放教育學生的分散性，知識結構和崗位需求的差異性，學生學習的工學矛盾突出和時空分離的特點來探索基于信息化技術的虛擬仿真實驗實訓教學模式，提高學生的分析能力、動手實踐能力和綜合應用能力[12]，補齊建筑類課程實訓教學的短板。

傳統實驗實訓教學模式中，教師和平臺更像是一個演示者和信息傳送者，教師將制作和建設好的課程教學資源傳到教學平臺，然后學生閱讀學習資源，獲得相關知識。但建筑類課程的實驗實訓項目較多，學生無法一一進行實踐操作學習，在傳統的課程教學模式中學生更多的是被動接收。而虛擬仿真技術能夠將課程教學資源的創建和使用融為一體，融入新信息技術的虛擬仿真教學資源模式更像是個工具，能夠以知識共享的方式制訂開放教育課程的教學資源和教學模式，學生可以使用這些工具來創建自己的學習內容，不再是一個被動的接受者。課程教學目的不是向學生提供一堆知識內容，而是允許學生根據工作和未來發展需要來選擇適合自己的開放數據源，并利用平臺提供的算法運算這些數據，然后把所得到的結果用于自己所需。

本研究以建筑工程造價專業為依托，以能實不虛、以虛補實、虛實結合為原則，教師和校企合作單位利用知識共享的方式形成了在線虛擬仿真開放教育資源，設計出了虛擬仿真實驗教學系統，打造出了理論與實踐、學習與使用的一體化虛實結合實驗實訓教學模式，使學生能夠驗證已知、發現新知、探索未知。

5 建筑工程造價虛擬仿真實訓系統的總體架構和功能架構

5.1 總體架構

建筑工程造價虛擬仿真實訓系統的總體架構包括云實驗室、教師端、企業端和用戶端，總體架構如圖1所示。

云實驗室是整個系統的核心部分，包括虛擬實驗儀器、教師信息、學生信息、企業工程數據信息等，這些信息在權限范圍內可供用戶進行查詢和瀏覽，同時也可以匯總生成大數據系統。在基本知識技能學習環節，教師要對學生的學習進行測評，并根據大數據信息精準分析不同學生的基本技能掌握情況，實現因材施教。學生也可以根據大數據信息分析自己的知識技能掌握情況，以鞏固優勢，彌補劣勢。學生可以在任何有網絡的地方不受時間和地域限制來進行學習、工作及研究創新，并將創新開發的成果用于生產當中。

圖1 總體架構Fig.1 General framework

企業端主要用于企業工程實際案例信息的導入以及實際在建工程的實時數據跟蹤訪問。實訓仿真系統的所有軟件和實際工程中使用的軟件是一樣的，企業能夠獲得在建工程的實時情況并對其進行監督檢驗和檢查改進。學生通過對企業工程實況進行觀察，并模擬操作練習，能夠增強理論與實踐之間的聯系，縮短知識與崗位技能之間的差距，提升學生的職業技能，為學生接下來進行的創新開發打下基礎。

教師和學生可以利用創新開發系統完成實際項目的工程計量與計價、招投標報價等工作，對試驗創意和創新想法進行科學研究模擬，并將自己的科研創新成果轉化成產品，提升校企合作的積極性。這是一個對現有教學內容、教學方式、教學組織的顛覆性突破，在未來將深刻改變傳統的實驗實訓教學形態。

5.2 功能架構

建筑工程造價虛擬仿真實訓系統的功能架構包括云教學系統、仿真實訓平臺、研究創新試驗開發系統，用于教師輔助實訓教學，學生虛擬仿真練習、用戶研究創新開發這幾方面，功能架構如圖2所示。

圖2 功能結構Fig.2 Functional structure

5.2.1 云教學系統

教師課程內容講解以企業的實際工程數據為基礎設置，融合了課程知識技能的典型案例，案例內容還原實況，學生可通過3D模型查看、互動等功能來了解案例細部構造及屬性信息。可對開放學生、高職學生和高職擴招學生進行混編分組，讓學生充分發揮各自優勢，共同完成實驗設計，并驗證虛擬仿真實驗與實體實驗是否一致或有何差距。

5.2.2 仿真實訓平臺

建筑類專業實訓課程涉及高危條件和不可及、不可逆的施工過程，高成本、高消耗，超大型工程項目難以進行真實實驗，一旦出錯將產生巨大危險。根據建筑類專業課程特點，虛擬仿真實驗教學采用了容錯式實訓教學模式，學生先通過教學平臺進行自主學習，通過技能實訓考核測評后再進行仿真實訓平臺操作，通過操作熟悉技能和施工過程。一旦學生在操作過程中出現操作錯誤，系統就會產生錯誤后果警示，提示學生修正錯誤操作，查找問題，解決問題。錯誤操作的危害警示可以提高學生施工的安全意識和操作規范性，加深對施工操作技能的掌握和對施工工藝的理解。在設計虛擬仿真實驗項目時，為加強學生之間的互動，可將同專業不同類型學生混合，設置實驗小組，加強對學生團隊協作能力的培養[13-14]。實驗項目始終以學生為主體，學生可利用實訓仿真平臺協作完成實訓內容，提高學生的課程參與度。教育的目的不僅僅是傳授知識內容，更重要的是培養學生的自主學習和探究創新能力。

5.2.3 研究創新試驗開發系統

教育內容和資源的制訂與建設是一個持續過程，無須直接形成某個具體的建設工程或建設成果。在創新研究系統中，教師可以進行科學研究，學生或其他資源系統使用者可以根據不同目的和環境在原有資源系統中融入自己的創意和想法，然后提供給資源建設者，是否接受修改由資源建設者決定，也可以在此基礎上進行創新開發研究，并將這些成果和產品轉化為工程實體供創新者使用，豐富資源形式和內容。

促使學習發生的不是觀看或瀏覽內容，而是使用內容。隨著虛擬仿真、云技術的出現，學習形式也發生了變化。教師和合作企業將實時數據應用于實際或將局部數據用于學生(其他用戶)的實踐技能培訓和模擬練習上，將學生的學習重心從內容轉移到資源的應用上。課堂上或學習環境中的學習內容與實際工作崗位所使用的內容是相同的。例如，學生所使用的Revit軟件與工程企業所使用的Revit是一樣的，其數據來自開放性工程數據網絡。

6 結語

實驗實訓教學在建筑類專業人才培養中發揮了重要作用，但受時間、場地、經濟和安全限制，難以實現。開放教育學生的學習時間呈碎片化，學習地點過于分散，集中的實驗實訓教學難以開展。而建筑工程遠程虛擬仿真實驗室集遠程實驗學習、遠程實驗教學管理、遠程試驗創新開發于一體，學生利用PC機、平板電腦或手機就可進行操作學習。可將高職在校生、開放教育生及擴招生組成混編討論小組，充分利用各類學生的優勢，揚長補短，提高學生的學習參與度。開放教育建筑類課程虛擬仿真實驗教學打破了學習方式、時間和地點的局限，讓學生可以更加系統、全面地掌握實踐技能，拓寬學科視野，提高學生的綜合實踐能力、信息化素養和創新能力。