虛擬仿真技術應用于新建工科院校土木工程材料試驗教學的改革研究

李生紅，李俊紅，王力，何文剛，李華章

（1.遵義師范學院 工學院，貴州遵義 563006；2.遵義市交科工程檢測有限公司，貴州遵義 563006）

為適應遵義經濟建設發展和學校整體規劃的需要，遵義師范學院于2013 年成立遵義師范學院工學院，并在遵義市委市政府指導下于2013 年申報土木工程專業，于2014 年獲批[1]。土木工程材料試驗作為土木工程專業一門實踐性極強的專業基礎課，其教學目的是使學生熟悉土木工程材料性能試驗基本方法，加深對土木工程材料性能的理解，培養學生試驗技能，為今后從事相關工作奠定基礎[2-3]。

土木工程專業作為一所地方性院校新成立的工科專業，雖然獲得了相關單位的大力支持，但是由于發展起步晚，土木工程材料試驗課程開展也因此受到試驗場地、試驗經費等因素的制約。筆者在2014年參與土木工程材料試驗的教學工作，見證了這門課程從無到有的整個過程。目前，學校通過使用“三好建筑工程試驗仿真軟件”來解決因場地、經費等限制而無法建設試驗室的問題，讓學生能夠通過軟件模擬完成土木工程材料試驗、土木工程施工等課程內容的學習。

“三好建筑工程試驗仿真軟件”能夠解決土木工程材料試驗課程講授的問題，并且彌補了傳統試驗教學的種種不足。筆者在多年教學中發現，由于只是通過電腦進行模擬試驗，學生常常會按部就班完成試驗，缺乏創新知識。因此，針對新建工科院校，在以“三好建筑工程試驗仿真軟件”的基礎上，亟須對土木工程材料試驗課程進行教學改革，以培養適應地方經濟發展需求的應用型人才。

1 土木工程材料試驗教學現狀

1.1 傳統土木工程材料試驗教學現狀

土木工程材料試驗是一門應用性極強的試驗性課程，試驗內容多而雜，各試驗之間相關性不強，傳統的試驗教學主要在學校試驗室進行，但由于課時較少，學生人數多，不能完全覆蓋所有試驗，只能選擇其中一部分試驗進行示范性操作，達不到全覆蓋的教學效果[4-6]。傳統的試驗教學常采用教師講授方式，即教師講述試驗原理、試驗步驟及注意事項，然后學生按部就班地進行試驗操作，最后提交試驗報告，學生仍只停留在對試驗現象的簡單描述和對試驗結果的驗證上，難以有效激發學生的學習興趣和創新意識，不利于其科技創新能力的培養[7-8]。另外，部分土木工程材料試驗由于耗時較長，如混凝土抗壓強度試驗，使得實驗教學的難度增大[9-11]。

1.2 遵義師范學院土木工程材料試驗教學現狀

目前，遵義師范學院土木工程材料試驗是通過“三好建筑工程試驗仿真軟件”進行的模擬試驗，在學院計算機機房進行相關教學，試驗課開設在土木工程材料理論課授課第8 周后進行，學生基本具備了土木工程材料相關的理論基礎。共安排16 個課時，8 個教學周，每周完成2 個試驗，共完成土木工程材料試驗16 個，具體安排見表1。通過“三好建筑工程試驗仿真軟件”進行的模擬試驗基本覆蓋了本專業土木工程試驗內容，實現了傳統試驗教學無法達到的教學效果。

表1 土木工程材料試驗教學安排統計表

筆者發現運用“三好建筑工程試驗仿真軟件”進行模擬試驗，教學方法依然是講授法，即教師講授試驗原理、試驗步驟、數據計算及注意事項，然后學生根據試驗安排依次按照軟件進行模擬試驗，雖然能夠實現16 個試驗的模擬試驗教學，但由于是通過電腦進行，學生經常會反饋視覺眩暈，學習枯燥無味，學生的積極性、創新性沒有被完全激發，影響了課程的教學效果。在此基礎上，筆者提出了以虛擬仿真技術為基礎的土木工程材料試驗課程的教學改革。

2 土木工程材料虛擬仿真技術教學改革設計

2.1 試驗項目優化設計

按照崔德芹主編的《土木工程材料》教材安排，土木工程材料試驗包括土木工程材料的基本性質試驗、水泥試驗、混凝土集料試驗、普通混凝土試驗、建筑砂漿試驗和瀝青試驗6 個小節，共27 個試驗。“三好建筑工程試驗仿真軟件”中土木工程材料虛擬仿真試驗包含建筑材料密度試驗、水泥標準稠度用水量試驗、水泥凝結時間試驗等22 個試驗模塊，且每個試驗模塊涵蓋了任務準備、任務實施、任務拓展、試驗報告和視頻庫等功能單元。由此可見，土木工程材料試驗項目多，且各項目之間聯系較小，如果只是按照傳統方法進行教學，很難達到教學效果，亟須對試驗項目進行優化設計。

根據《土木工程材料》教材中土木工程材料試驗內容和“三好建筑工程試驗仿真軟件”中試驗內容，將試驗項目按照材料類型劃分為水泥試驗、混凝土試驗、砂漿試驗和瀝青試驗，總共16 個試驗，其中水泥試驗包括水泥細度試驗、水泥標準稠度用水量試驗、水泥凝結時間試驗和水泥體積安定性試驗4 個試驗，混凝土試驗包括建筑材料密度試驗、砂堆積密度試驗、混凝土拌合物稠度試驗、混凝土拌合物表觀密度試驗、混凝土拌合物立方體抗壓強度試驗、混凝土立方體抗折強度試驗、混凝土配合比試驗、混凝土抗折強度試驗8 個試驗，砂漿試驗包括砂漿稠度和分層度試驗、砂漿立方體抗壓強度試驗2 個試驗，瀝青試驗包括彈性改性瀝青不透水檢測試驗、彈性改性瀝青防水卷材耐熱性試驗2 個試驗，如圖1 所示。

根據材料類型的分類，可以實現教授內容與試驗內容的統一，而不是過于牽強地將各種材料相互聯系[12-13]。試驗過程中每種材料的試驗內容層層遞進，相關性更大，學生更易理解試驗目的、掌握土木工程材料試驗相關知識點。

2.2 輔助教學平臺建設

通過收集和錄制試驗視頻，利用超星學習通建立土木工程材料試驗課程，試驗課程內容結合“三好建筑工程試驗仿真軟件”試驗內容共分為8講次，每次課程內容包括課前知識講解、試驗真實視頻、試驗相關規范和課后測試4 部分。目的是通過課前知識講解讓學生能夠在試驗前做好課前復習，鞏固理論課所講相關材料的知識點；通過真實的試驗視頻，學生能夠更真實地了解試驗原理、試驗過程、試驗結果計算等；通過試驗規范的查看，學生對各項規范規定更加熟悉，并養成嚴格按照規范操作試驗的習慣；最后的課后測試，測試內容隨機發放，不僅包括理論知識，還包括仿真試驗和真實試驗操作視頻相關內容，通過測試，教師可以更好地掌握學生理論知識的掌握情況和試驗操作情況。

2.3 以水泥細度試驗為例的教學改革設計

在對試驗項目進行優化設計和輔助教學平臺建立的基礎上，教師通過課前復習、真實試驗與虛擬仿真試驗實操、課后測試相結合進行教學，建立了“理實虛”一體化的教學模式[14]，如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真試驗教學模式

以水泥細度試驗為例進行教學改革設計。首先，學生通過提前建立的超星學習通土木工程材料試驗班級課程，回顧前8 周學習的水泥細度試驗知識點，觀看傳統試驗視頻和規范GB/T 1345-2005《水泥細度檢驗方法 篩析法》；其次，學生通過“三好建筑工程試驗仿真軟件”進行仿真試驗操作，試驗操作結束后，學生對試驗數據進行處理，并編寫試驗報告；最后，學生完成超星學習通課后測試，教師根據批改課后測試和試驗報告情況，對試驗中存在的普遍問題進行解答。

3 結束語

根據遵義師范學院現有教學情況，通過對土木工程材料試驗課程進行試驗項目優化設計，開展試驗輔助平臺的建設，借助“三好建筑工程試驗仿真軟件”進行土木工程材料試驗課程的教學改革，以期提升教學效果，培養能夠更加適應地方經濟發展需求的應用型人才。