基于感性認識獲得分析與試驗證實虛擬仿真教學方法有效性研究
——以土木工程施工理論教學為例

張福生

（南京工程學院，江蘇 南京 210000）

1 獲得感性認識的重要性及方法分析

1.1 感性認識是理論教學中的前提

根據認識論原理，土木工程施工理論教學應該遵循實踐-認識-實踐的原則進行教學。實踐的首要目的是為了獲得感性認識，感性認識是理性認識的前提與基礎[1]。因此，對于土木工程施工理論教學，學生首先應該獲得對施工的感性認識。同時，根據土木工程施工理論教學的反饋，確保學生獲得充足的感性認識對提高土木工程施工理論教學效果與教學質量具有重要意義。

1.2 理論教學基礎是施工場景

土木工程施工理論課程教學內容按照性質分類為施工技術類章節、施工工藝類章節、施工設計類章節，其中施工設計類章節包括施工組織設計、模板設計、腳手架設計等。由于土木工程施工理論教學內容龐大，除非有必要，否則，施工設計類章節內容（包括施工組織設計、模板設計、腳手架設計等）一般單獨設課，所以，土木工程施工課程授課主要內容是施工技術和施工工藝類章節。施工技術、施工工藝章節的知識點與施工場景聯系密切，是對施工場景描述、概括和總結，是基于施工場景的理性認識，是土木工程施工課程理論教學基礎。如果理論教學中拋開施工場景開展施工技術、施工工藝知識點講解是非常困難的。

1.3 應從施工場景中獲得感性認識

土木工程施工教學包括理論性教學和實踐性教學，由于施工場景是理論教學基礎，所以，在實踐性教學中應組織學生通過參觀施工場景獲得感性認識。安排學生參加實際施工作業會存在很大困難，而且，對理論教學幫助不大。所以實踐性教學應盡可能使學生從施工場景中獲得施工感性認識，包括施工場地、施工材料、施工機械等個體和整體形態。理論教學中應該使用虛擬仿真[2]、施工動畫、施工照片、施工短視頻，展現施工場景，從而使學生獲得施工場景感性認識。

1.4 感性認識獲得的有效性分析

獲得感性認識主要目的是為了幫助學生學習理論知識。為了保證獲得的感性認識能夠有效地幫助理論學習，所獲得的感性認識必須遵循關聯性和及時性兩個原則，這是因為感性認識與理性認識兩者具有很強的關聯性和及時性。感性認識關聯性原則是指施工場景獲得的感性認識應該與即將進行的理論教學學習內容相對應或相匹配，如果前一分鐘獲得了鋼筋加工施工感性認識，后一分鐘進行模板工程施工理論教學，則前一分鐘獲得的感性認識是無效的，不能幫助后一分鐘的理論學習。同時，關聯性原則還要求，理論學習知識點的數量與感性認識獲得的數量應該相匹配，即理論知識點集合應該與感性認識集合形成雙射關系。感性認識及時性原則是指獲得的感性認識應在人的意識存在且未消失前盡快轉化為理性認識，否則獲得的感性認識由于時間太久在接受理論教學前就從人的意識中淡出了，起不到幫助理性認識的作用，這樣獲得的感性認識也是無效的。

基于感性認識關聯性與及時性分析，通過實踐性教學（比如參觀施工現場）無法解決理論教學中所需要的感性認識關聯性和及時性，來自實踐性教學的感性認識的數量、匹配性無法保證，及時性也無法保證。只能從理論教學中解決這些問題。而當前的教學技術與手段為解決這些問題提供了可能性。

2 針對獲得感性認識的虛擬仿真教學法

2.1 虛擬仿真教學法目的

虛擬仿真教學方法是以認識論為指引建立的一種教學方法[3]，是一種對現有教學方式的改革。虛擬仿真教學法可以實現從理論教學中使學生及時地、充分地、匹配性的獲得感性認識。虛擬仿真教學法包括采用基于 powerpoint構建的虛擬仿真立體模型，基于powerpoint構建的虛擬仿真立體模型立面圖，以及課后實訓等教學手段進行教學。虛擬仿真教學方法為學生提供了虛擬施工場景，代替學生進入施工現場的認識實踐活動，并保證提供充足的虛擬場景，使得學生對于每個土木工程施工知識點都能夠遵循先感性認識后理性認識的學習順序進行學習。虛擬仿真教學方法包括課堂教學和課后虛擬實訓，符合實踐-認識-實踐的認識論原理。

2.2 虛擬仿真立體模型教學特點

采用powerpoint構建虛擬仿真立體模型，構建的虛擬仿真立體模型作為課堂教學內容之一，其主要目的是為學生提供感性認識。比如對施工材料投入的視覺、施工機械投入的視覺、整體施工場景，施工順序的印象等。幫助學生獲得與施工實踐類似的感性認識。該模型具有以下特點，（1）可以制作任何虛擬的施工場景立體模型，可以根據土木工程施工理論教學需要對應每個章節制作一個或若干個虛擬仿真立體模型。（2）構建的每一個虛擬仿真立體模型可以設置一組或多組動畫，可以根據理論教學需要，每組動畫對應一個知識點，或N組動畫集合對應一個知識點。（3）每組動畫可以設置一個或若干個動畫動作，可以根據課堂教學需要播放靜態的立體模型，或動態的立體模型，以便配合課堂講解需要。（4）不需要增加專用軟件，如果教學課件采用powerpoint制作，則課堂教學不需要在不同軟件之間進行轉換。但是，采用powerpoint構建虛擬仿真立體模型教學也有一些缺點，其一，學生面對立體模型在課堂上記筆記困難，教師通過立體模型考核學生也存在困難，課后學生通過如果動手繪制立體模型進行復習也有困難。這些困難概括為學生記錄難，老師考核難、學生復習難。其二，立體模型難以兼容數據導致無法引導學生理性認識[4]。

2.3 虛擬仿真立體模型立面圖教學特點

powerpoint構建的虛擬仿真立體模型立面圖是根據powerpoint構建的虛擬仿真立體模型繪制的立面圖。將立面圖作為教學內容與立體模型形成互補的課堂教學手段。其目的是幫助學生將施工場景的立體模型使用可記錄可復習可考核可量化的立面圖進行表達。可記錄是指學生可以在課堂上記錄立面圖形，課后可以通過重復繪制立面圖進行復習，考試中可以使用立面圖形式對學生進行考核，立面圖上可以附加數據信息，幫助學生完成感性認識到理性認識的升華。徹底解決記錄難、考核難、復習難的問題。立面圖的教學特點是，一個虛擬仿真立體模型對應一個或若干個立面圖，每個立面圖設置有一組或數組動畫，每組動畫包括一個或N個動畫動作集合。每個立面圖根據講課需要可以靜態畫面播放或動態畫面播放。

2.4 課后虛擬實訓特點

課后應使學生對課堂上學過的虛擬仿真立體模型立面圖進行復習。主要教學特點是，（1）要求學生使用手工繪制立面圖，根據課堂筆記結合回憶進行繪制。（2）要求學生繪制N張立面圖表達一個施工過程或施工場景。其目的是鞏固課堂所學知識，并通過繪制立面圖加強對施工場景的感性認識，以及對理論知識的理性認識。

3 虛擬仿真教學法獲得感性認識效果試驗及分析

3.1 感性認識效果試驗組織

對學生組織三次感性認識效果試驗，每次兩節標準課時共90分鐘，每次一個相同教學班不變，學生數38人，地點設在多媒體普通教室。第一次土木工程施工理論教學采用虛擬仿真教學法，但PPT課件僅包括采用powerpoint構建的虛擬仿真立體模型教學內容，沒有立體模型對應的立面圖，課后布置作業但沒有立面圖繪制內容，課后作業預計一個小時的作業量。第二次上課前發放對第一次上課教學內容感性認識效果調查問卷并百分之百回收調查問卷，第二次土木工程施工理論教學采用虛擬仿真教學法，PPT課件包括采用powerpoint構建的虛擬仿真立體模型教學內容以及對應的立面圖教學內容，課后布置作業但沒有立面圖繪制內容，課后作業預計一個小時的作業量。第三次上課前發放對第二次上課教學內容感性認識效果調查問卷并百分之百回收調查問卷，第三次土木工程施工理論教學采用虛擬仿真教學法，PPT課件包括采用powerpoint構建的虛擬仿真立體模型教學內容以及對應的立面圖教學內容，課后作業包含完成立面圖繪制等內容，課后作業預計一個小時的作業量。第四次上課前發放對第三次上課教學內容感性認識效果調查問卷并百分之百回收調查問卷，

3.2 感性認識效果試驗評價內容

調查問卷中感性認識效果試驗評價內容包括感覺、感知、表象三個指標[1]。感覺指標要求學生對每次課程教學包括課后作業所獲得的視覺感覺，比如，施工場地、施工材料，施工機械的視覺感覺效果按照百分制打分；感知指標要求學生對每次課程教學包括課后作業所獲得的感知，比如，整體施工場景，整體施工順序的感知效果按照百分制打分；表象指標要求學生對每次課程教學包括課后作業所獲得的表象，比如施工場景的形狀在意識中的保存，再現，重組的印象。三個指標權重在三次試驗中均設置為三分之一。

3.3 試驗評價結果及分析

對三次回收的感性認識試驗調查問卷進行統計計算，第一次教學調查問卷三個評價指（感覺、感知、表象）的評價結果分別為80分、50分、50分，加權平均為60分；第二次教學調查問卷三個評價指標（感覺、感知、表象）的評價結果分別為80分、80分、70分，加權平均為77分；第三次教學調查問卷三個評價指標（感覺、感知、表象）的評價結果分別為90分、90分、90分，加權平均為90分。

根據問卷調查結果，可以看出在第一次理論教學中僅引入虛擬仿真立體模型教學內容對學生獲得感性認識的效果一般，特別是學生僅通過視覺進行觀看，無法記錄、無法復習、無法重復練習，因此對施工場景的整體印象以及在意識中保存施工場景形狀起到的作用較差。這也是第一次課對感知、表象評價較差的原因。在第三次理論教學中不僅引入虛擬仿真立體模型，還引入了立體模型的立面圖，以及課后虛擬實訓等教學內容，建立了從虛擬仿真立體圖形到立面圖的對應關系，幫助學生實現從印象到理性的升華，使得學生獲得了可記錄，可重復，可量化，可訓練的立面圖形，從而強化了學生的感性認識。

4 結語

虛擬仿真教學法能夠使學生在理論學習前獲得感性認識，獲得的感性認識與理論教學知識點具有匹配性和及時性。引入立體模型的立面圖解決了虛擬教學中可記錄、可考核、可復習難題。該方法是一整套教學方法，包括課堂教學和課后教學方法，符合實踐-認識-實踐的認識論原理。符合土木工程施工理論教學內容對實踐性要求高的特點。由于該方法不需要專用軟件即可實現虛擬仿真教學，因此，該教學方法簡便易行，是一種可行且具有較高價值的教學方法。