基于虛擬仿真與實踐相結合的建筑材料課程教學研究

李雙喜

摘 ?要：建筑材料課程是一門理論性非常強的課程，而且涉及的內容多，抽象難懂，學生往往因缺乏感性認識而感到不易理解、難學。虛擬仿真技術可以模擬抽象難懂以及難以在真實場景中完成的教學環節，很大程度上可對常規教學難以達成的目標進行快速響應與滿足。因此，虛擬仿真教學模式將成為高等院校教學方法變革的必然趨勢。研究發現，通過虛擬仿真實踐教學模式解決傳統教學模式下“難理解”“難實現”的問題，增加學生對學習的興趣，提升學生的創新和空間思維能力，掌握實際項目中設計的基本方法，實現理論和實踐相結合的教學;專題教學模式突出學生在課程中的主體地位，培養學生主動探究和創新實踐的精神以及終身受用的學習能力。改變短促的、學科單一的、以教師為中心的傳統課堂教學，取而代之的是強調長期的、跨學科的、以學生為中心的學習活動;多種考核模式，既可以加深學生對理論知識點的認識，又有利于提升學生的應用及實踐能力，培養學生的科學素養及自學能力。

關鍵詞：虛擬仿真;實踐教學;建筑材料;課程;教學研究

中圖分類號：G640 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）18-0119-04

Abstract： Building materials course is a very theoretical course， and involves a lot of content， abstract and difficult to understand. Students often find it difficult to understand and learn because of a lack of perceptual knowledge. Virtual simulation technology can simulate teaching links that are abstract and difficult to understand and difficult to complete in real scenes， and to a large extent can quickly respond and meet the goals that are difficult to achieve in conventional teaching. Therefore， the virtual simulation teaching mode will become an inevitable trend of the reform of teaching methods in colleges and universities. The research found that， Through the virtual simulation practice teaching mode to solve the problems of "difficult to understand" and "hard to achieve" under the traditional teaching mode， increase students' interest in learning， enhance students' innovation and spatial thinking ability， and master the design in actual projects.The basic method is to realize the teaching that combines theory and practice; The thematic teaching mode highlights students' dominant position in the curriculum， cultivates students' spirit of active inquiry and innovative practice and lifelong learning ability. It has changed the short-term， single-subject， teacher-centered traditional classroom teaching， replaced by long-term， interdisciplinary and student-centered learning activities; A variety of assessment modes can not only deepen students' understanding of theoretical knowledge points， but also help improve students' application and practice ability， and cultivate students' scientific literacy and self-learning ability.

Keywords： virtual simulation; practical teaching; building materials; curriculum; teaching research

建筑材料是土木建筑工程領域的重要物質基礎，凡從事工程建設的技術人員和科研人員都需要具備一定的建筑材料知識。而建筑材料課程是整個工程類專業教學體系中的一門專業基礎課，并且課時較少。如何在有限的時間內使學生既能掌握該課程的基本理論知識，又能使學生具有一定的解決工程中遇到的建筑材料實際問題的能力，是現在新工科面臨的一個重點研究問題。

建筑材料課程是一門理論性非常強的課程，而且涉及的內容多，每章知識內容又都有著自己的特性，物理概念抽象難懂，如果沒有相關專業基礎就很難把工程技術相關工作做好且產生創新性想法，學生往往因缺乏感性認識而感到不易理解、難學，只靠課堂講授很難達到預期教學效果[1]。

目前，建筑材料課程教學過程中存在以下幾個問題。

（1）教學內容綜合性強、系統性差。建筑材料課程知識點多，涉及的材料種類和材料性質內容較多，而且每種材料的邏輯關系關聯性低，致使學生學習的積極性不高。

（2）教學內容深、實踐性強。建筑材料課程中雖然沒有復雜難懂的公式和邏輯推理，但是涉及很多物理、化學、力學等基礎學科的知識，綜合性、理論性和實踐性都很強，要求學生具有扎實的基礎知識和較強的理解能力[2]。

（3）教學方法單一。目前，建筑材料課程的教學一般利用PPT、實驗等作為授課載體，以采用灌輸式的口頭傳授方式為主，雖然在一定程度上能夠幫助學生理解知識點，但缺少形象生動、直觀深入地講解，使得教師是主動者，學生是被動者，學生對講授的知識點消化效果差，主動學習意識欠缺。其次，建筑材料課程屬于實踐性比較強的學科，而實踐操作教學內容較少，更使學生無法深入理解相關知識。

（4）試驗教學內容相對匱乏。試驗課程可以使學生把一定的直接知識同書本知識聯系起來，以獲得比較完整的知識，又能夠培養他們的獨立探索能力、實驗操作能力和科學研究興趣，是提高自然科學有關學科教學質量不可缺少的條件，也是培養創新人才的重要途徑。目前，建筑材料試驗課程僅僅圍繞材料的基本性質展開，例如水泥試驗，僅測試水泥的安定性，膠砂強度，骨料試驗測試密度、吸水率，混凝土試驗開展了混凝土拌合物試驗和強度試驗等。上述試驗均屬于實證性的試驗，針對機理性的探究性或創造性與綜合性的試驗從未開展，致使試驗教學屬于理論教學的從屬者，并非學生與實踐操作能力培養相銜接的載體[3]。

針對建筑材料課程教學目前存在的問題與不足，以新工科背景下復合型綜合素質人才培養理念為教學宗旨，汲取現階段工程卓越人才、創新人才培養計劃的優秀思路[4]，對課程教學內容進行優化重組，形成科學體系，緊跟學科前沿，融入新的教學手段，如虛擬仿真教學、實踐教學、科研研討教學等，同時采用多樣性的考核方式，構建培養學生的創新綜合能力。

一、建筑材料課程體系改革思路

（一）豐富教學方法

近年來，虛擬仿真實驗教學信息技術的發展順應了信息時代教育改革的需要，對原有教學的教學理念、教學模式、教學內容和方法產生顛覆性影響。虛擬仿真技術可以模擬抽象難懂以及難以在真實場景中完成的教學環節，很大程度上對常規教學難以達成的目標進行快速響應與滿足。岳文娜等[5]人認為虛擬仿真運用于課程能讓學生在課程學習的每一環節都有直觀的教學體驗，使學生對課程知識有更清晰全面的認識，以理論認知為基礎，虛擬仿真技術為手段，真正實現理論與實踐相結合，提升學生對方案的設計能力和創新能力。王蔚等[6]人認為虛擬仿真平臺與程序教學法相結合的教學模式可促進學生學習的主觀能動性，使學生易于理解所學內容，促進了高效率的學習成果。

因此，課堂教學與虛擬仿真教學結合，可充分調動學生學習的主動性和積極性，并可將難以理解的知識通過虛擬仿真技術進行體現。

（二）完善實踐教學體系

實踐教學彌補了傳統課堂教學在方法創新和實施效果方面的不足，對培養學生的創新精神和實踐能力以及獨立學習和終身發展能力起了重要的作用。顧亞敏等[7]人認為利用專題研討教學法可以激發學生的學習主觀性，培養學生的實踐創新能力。實踐教學可以采取專題教學的形式，也可以采取混凝土技能大賽或設計大賽的形式，以提高學生創新能力和動手操作能力為出發點，培養學生良好的發現問題與分析能力，從而達到新工科人才培養的目標。

（三）改革考核方式

目前大多數學生都是在考試前利用一周的時間突擊復習課堂知識，忽視了課堂上的過程知識學習，使得學生存在應付考試的學習態度，導致學生對所學的知識“零掌握”。采取多種考核方式，去除一考定成績的考核方式，建立以過程為主的評價體系，突出試驗考核、科技文獻綜述考核等，使學生能夠真正學透該門課程。

二、建筑材料教學模式的構建

（一）虛擬仿真教學模式的構建

虛擬仿真是一種基于信息技術，為用戶提供一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶使用頭盔、顯示器和操作手柄等輔助設備，產生一種身臨其境感覺的交互式體驗的系統[8]。

建筑材料課程虛擬仿真主要以工程建設中出現的主要材料問題為依據，通過視頻講解和情景重現等方式讓學生對建筑材料體系有個較為感觀的認知。建筑材料課程除了要求學生掌握理論知識外，還需學生具備材料試驗的能力。由于建筑材料理論課教學是在教室進行，對實驗室的儀器、具體的試驗操作過程及試驗過程中的注意事項等缺乏直觀的認識和了解，單純依靠較為短暫的實操課程學習和操作，不能很好地理解和掌握具體的試驗操作要領。所以，還需要制定基于建筑材料試驗的虛擬仿真教學方式，讓學生對實際的建筑材料試驗操作過程有一個直觀的了解和認識[9]。

基于虛擬仿真技術的教學模式擬定的教學設計環節主要包括以下幾個內容。

1. 水泥生產工藝虛擬仿真教學

水泥的生產工藝較為復雜，教師采用多媒體信息技術的教學方式，學生難以形成有效的認知。通過虛擬仿真教學方式，可使學生增加對水泥生產的感性認識，提高學生學習的主動性。例如采用三維可視化的模式對水泥廠的布局、全線生產工藝流程、生產設備和車間分布及結構進行虛擬仿真模擬，模擬效果如圖1所示。

圖1 水泥廠生產工藝布局虛擬仿真模擬效果圖

虛擬工藝流程涵蓋了水泥原料的破碎及預均化、生料制備及均化、預熱分解、熟料燒成、水泥粉磨及水泥包裝等部分。通過虛擬仿真展示平臺，可以讓學生以漫游的方式認識水泥的整個工藝流程，立體感強。

2. 水泥水化特性及侵蝕機理虛擬仿真教學

水泥的水化與凝結以及侵蝕均為化學類的反應，而學生的化學知識僅局限在高中階段，大學課程未涉及到水泥化學的知識，因此，學生針對這部分知識掌握得非常不好。通過虛擬仿真教學，演示水泥的水化與凝結過程，并以動畫模擬的形式演示外界自然環境對水泥的侵蝕過程，增加學生的理解能力。

3. 巖石的形成與晶體結構虛擬仿真教學

混凝土骨料均由巖石形成，巖石的形成過程及晶體結構影響著骨料的品質，通過虛擬仿真教學，演示巖石的形成以及不同晶體結構的演變，有助于學生對后續知識的理解與掌握。虛擬動畫演示如圖2和圖3所示。

圖2 巖漿巖的虛擬仿真形成過程

該虛擬仿真技術畫面具有很強的環境真實感，解決了教學過程中的某些盲點，同時也增強了學習的趣味性。

4. 水泥混凝土耐久性虛擬仿真教學

水泥混凝土的耐久性是指混凝土在實際自然環境條件下抵抗各種破壞因素的能力，關系到工程的使用壽命。混凝土的耐久性與自然環境息息相關，例如抗凍性、抗磨性、抗化學侵蝕性等。由于學生受專業知識的限制，自然環境對混凝土破壞的過程及其機理還不知道，致使學生難以學懂弄通。因此，通過虛擬仿真教學，本著“虛實結合、能實不虛”的原則，讓學生了解自然環境對混凝土造成破壞的過程和原因，進而掌握提高混凝土耐久性的方法，逐漸培養學生的研究能力。

圖3 沉積巖的虛擬仿真形成過程

5. 水泥及水泥混凝土試驗虛擬仿真教學

建筑材料課程是一門實操性較強的專業基礎課，試驗教學環節占到了該課程的三分之一。在以往的試驗教學環節中，教師都是在教室內講解，而學生對實驗室的儀器、具體的試驗操作過程及試驗過程中的注意事項等缺乏直觀的認識和了解，單純依靠較為短暫的試操課程學習和操作，不能很好地理解和掌握具體的試驗操作要領，教學效果不佳。或者有些試驗時間周期長，試驗費用高，難以讓本科生廣泛、深入地參與。比如抗凍試驗、抗化學侵蝕性試驗等。

綜上，作為傳統教學方法的補充和延伸，虛擬仿真教學在高校教學改革中也體現了其獨有的應用價值，不僅對科研工作有良好的輔助作用，也對試驗和實踐教學有明顯的助力。

（二）實踐教學模式的構建

如何將理論與實際相結合，讓學生在真實的工作環境中融會貫通，真正理解教師講授的知識，是目前課程教學的難點和重點。由于學生接觸工程實踐機會較少，因此，虛擬仿真試驗是學生為數不多的實踐機會，是激發學生學習熱情的絕佳機會，要求教師把握教學機會，順勢引導，培養學生動手、獨立思考、分析問題和解決問題的能力[10]。

實踐教學模式擬定的教學設計環節主要包括以下幾個內容。

1. 工程現場情景的構建

由于學生對工程的概念幾乎為零，不了解工程性質及工程建設過程中對材料的需求。通過虛擬仿真視頻，可以直觀地讓學生認識工程，了解工程建設的基本環節以及工程對材料的要求。

2. 專題教學的構建

通過工程現場情景的虛擬仿真視頻，讓學生掌握了工程建設的基本環節以及工程對材料的要求后，針對具體的工程材料需求，制訂專題教學方法。以混凝土配合比設計為例，根據虛擬仿真視頻播放的工程特性，讓學生確定混凝土的技術要求，然后進行混凝土配合比設計。根據設計的配合比，結合混凝土配合比試驗課，讓學生進行試拌調整，并測試混凝土相關性能。

3. 學科競賽的構建

建筑材料的學科競賽以綜合性、設計性試驗為主。參照中國混凝土與水泥制品協會發起的全國混凝土設計大賽模式，組織學生積極參加，分班級進行比賽。例如以“輕質高強”為主題，配制即在一定的混凝土密度等級下（體積密度不高于1 400 kg/m3）獲得更高強度的混凝土為例，讓學生通過查閱文獻，制訂試驗方案，制備混凝土試件，然后教師對其試件性能進行測試，并讓學生對設計思路進行答辯，以此激發學生對建筑材料課程的學習興趣。這種競賽模式，不僅能夠提高學生對理論知識的綜合運用能力，還能豐富學生的大學生活，同時也可考驗學生的心理素質，非常符合高校培養應用型人才的教育新理念。

（三）教學考核模式的構建

傳統的考核方式大多為在學期末進行考試測評，不管是采用閉卷的方式還是開卷的方式，基本上都是側重于考察學生對基本知識點的掌握，而這些知識點有的理論性較強，有的則需要進行大量的公式計算，學生往往局限于文字性的死記硬背，很難做到知其然知其所以然。建筑材料課程開設的目的在于培養學生的應用及實踐能力，因此，課程考核宜盡量體現在提升學生實踐能力等方面。

1. 增加學生的動手能力測試。根據學生試驗課測試的水泥、骨料等技術性能，在配合比試驗課時，讓學生根據之前測試的數據，進行混凝土配合比設計，然后現場進行試拌調整。依據學生的設計說明書、現場試驗成果作為考核的成績。

2. 結合具體的工程項目，給出設計參數，讓學生進行設計答辯，答辯完畢后由老師進行相關知識提問。

3. 通過撰寫科技論文的方式進行考核，讓學生查閱大量的科技文獻，對材料的性能進行深入了解，這樣既可以加深學生對理論知識點的認識，又可以培養學生的科學素養及自學能力。

三、結束語

1. 通過虛擬仿真實踐教學模式解決傳統教學模式下“難理解”“難實現”的問題，增加學生對學習的興趣，提升學生的創新和空間思維能力，掌握實際項目中設計的基本方法，實現理論和實踐相結合的教學。

2. 專題教學模式突出了學生在課程中的主體地位，培養了學生主動探究和創新實踐的精神以及終身受用的學習能力。改變了短促的、學科單一的、以教師為中心的傳統課堂教學，取而代之的是強調長期的、跨學科的、以學生為中心的學習活動。

3. 多種考核模式，既可以加深學生對理論知識點的認識，又有利于提升學生的應用及實踐能力，培養學生的科學素養及自學能力。

參考文獻：

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