基于虚拟仿真与实践相结合的建筑材料课程教学研究

2022-06-25李双喜

高教学刊 2022年18期

李双喜

摘要：建筑材料课程是一门理论性非常强的课程，而且涉及的内容多，抽象难懂，学生往往因缺乏感性认识而感到不易理解、难学。虚拟仿真技术可以模拟抽象难懂以及难以在真实场景中完成的教学环节，很大程度上可对常规教学难以达成的目标进行快速响应与满足。因此，虚拟仿真教学模式将成为高等院校教学方法变革的必然趋势。研究发现，通过虚拟仿真实践教学模式解决传统教学模式下“难理解”“难实现”的问题，增加学生对学习的兴趣，提升学生的创新和空间思维能力，掌握实际项目中设计的基本方法，实现理论和实践相结合的教学;专题教学模式突出学生在课程中的主体地位，培养学生主动探究和创新实践的精神以及终身受用的学习能力。改变短促的、学科单一的、以教师为中心的传统课堂教学，取而代之的是强调长期的、跨学科的、以学生为中心的学习活动;多种考核模式，既可以加深学生对理论知识点的认识，又有利于提升学生的应用及实践能力，培养学生的科学素养及自学能力。

关键词：虚拟仿真;实践教学;建筑材料;课程;教学研究

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：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质基础，凡从事工程建设的技术人员和科研人员都需要具备一定的建筑材料知识。而建筑材料课程是整个工程类专业教学体系中的一门专业基础课，并且课时较少。如何在有限的时间内使学生既能掌握该课程的基本理论知识，又能使学生具有一定的解决工程中遇到的建筑材料实际问题的能力，是现在新工科面临的一个重点研究问题。

建筑材料课程是一门理论性非常强的课程，而且涉及的内容多，每章知识内容又都有着自己的特性，物理概念抽象难懂，如果没有相关专业基础就很难把工程技术相关工作做好且产生创新性想法，学生往往因缺乏感性认识而感到不易理解、难学，只靠课堂讲授很难达到预期教学效果[1]。

目前，建筑材料课程教学过程中存在以下几个问题。

（1）教学内容综合性强、系统性差。建筑材料课程知识点多，涉及的材料种类和材料性质内容较多，而且每种材料的逻辑关系关联性低，致使学生学习的积极性不高。

（2）教学内容深、实践性强。建筑材料课程中虽然没有复杂难懂的公式和逻辑推理，但是涉及很多物理、化学、力学等基础学科的知识，综合性、理论性和实践性都很强，要求学生具有扎实的基础知识和较强的理解能力[2]。

（3）教学方法单一。目前，建筑材料课程的教学一般利用PPT、实验等作为授课载体，以采用灌输式的口头传授方式为主，虽然在一定程度上能够帮助学生理解知识点，但缺少形象生动、直观深入地讲解，使得教师是主动者，学生是被动者，学生对讲授的知识点消化效果差，主动学习意识欠缺。其次，建筑材料课程属于实践性比较强的学科，而实践操作教学内容较少，更使学生无法深入理解相关知识。

（4）试验教学内容相对匮乏。试验课程可以使学生把一定的直接知识同书本知识联系起来，以获得比较完整的知识，又能够培养他们的独立探索能力、实验操作能力和科学研究兴趣，是提高自然科学有关学科教学质量不可缺少的条件，也是培养创新人才的重要途径。目前，建筑材料试验课程仅仅围绕材料的基本性质展开，例如水泥试验，仅测试水泥的安定性，膠砂强度，骨料试验测试密度、吸水率，混凝土试验开展了混凝土拌合物试验和强度试验等。上述试验均属于实证性的试验，针对机理性的探究性或创造性与综合性的试验从未开展，致使试验教学属于理论教学的从属者，并非学生与实践操作能力培养相衔接的载体[3]。

针对建筑材料课程教学目前存在的问题与不足，以新工科背景下复合型综合素质人才培养理念为教学宗旨，汲取现阶段工程卓越人才、创新人才培养计划的优秀思路[4]，对课程教学内容进行优化重组，形成科学体系，紧跟学科前沿，融入新的教学手段，如虚拟仿真教学、实践教学、科研研讨教学等，同时采用多样性的考核方式，构建培养学生的创新综合能力。

一、建筑材料课程体系改革思路

（一）丰富教学方法

近年来，虚拟仿真实验教学信息技术的发展顺应了信息时代教育改革的需要，对原有教学的教学理念、教学模式、教学内容和方法产生颠覆性影响。虚拟仿真技术可以模拟抽象难懂以及难以在真实场景中完成的教学环节，很大程度上对常规教学难以达成的目标进行快速响应与满足。岳文娜等[5]人认为虚拟仿真运用于课程能让学生在课程学习的每一环节都有直观的教学体验，使学生对课程知识有更清晰全面的认识，以理论认知为基础，虚拟仿真技术为手段，真正实现理论与实践相结合，提升学生对方案的设计能力和创新能力。王蔚等[6]人认为虚拟仿真平台与程序教学法相结合的教学模式可促进学生学习的主观能动性，使学生易于理解所学内容，促进了高效率的学习成果。

因此，课堂教学与虚拟仿真教学结合，可充分调动学生学习的主动性和积极性，并可将难以理解的知识通过虚拟仿真技术进行体现。

（二）完善实践教学体系

实践教学弥补了传统课堂教学在方法创新和实施效果方面的不足，对培养学生的创新精神和实践能力以及独立学习和终身发展能力起了重要的作用。顾亚敏等[7]人认为利用专题研讨教学法可以激发学生的学习主观性，培养学生的实践创新能力。实践教学可以采取专题教学的形式，也可以采取混凝土技能大赛或设计大赛的形式，以提高学生创新能力和动手操作能力为出发点，培养学生良好的发现问题与分析能力，从而达到新工科人才培养的目标。

（三）改革考核方式

目前大多数学生都是在考试前利用一周的时间突击复习课堂知识，忽视了课堂上的过程知识学习，使得学生存在应付考试的学习态度，导致学生对所学的知识“零掌握”。采取多种考核方式，去除一考定成绩的考核方式，建立以过程为主的评价体系，突出试验考核、科技文献综述考核等，使学生能够真正学透该门课程。

二、建筑材料教学模式的构建

（一）虚拟仿真教学模式的构建

虚拟仿真是一种基于信息技术，为用户提供一个逼真的具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户使用头盔、显示器和操作手柄等辅助设备，产生一种身临其境感觉的交互式体验的系统[8]。

建筑材料课程虚拟仿真主要以工程建设中出现的主要材料问题为依据，通过视频讲解和情景重现等方式让学生对建筑材料体系有个较为感观的认知。建筑材料课程除了要求学生掌握理论知识外，还需学生具备材料试验的能力。由于建筑材料理论课教学是在教室进行，对实验室的仪器、具体的试验操作过程及试验过程中的注意事项等缺乏直观的认识和了解，单纯依靠较为短暂的实操课程学习和操作，不能很好地理解和掌握具体的试验操作要领。所以，还需要制定基于建筑材料试验的虚拟仿真教学方式，让学生对实际的建筑材料试验操作过程有一个直观的了解和认识[9]。

基于虚拟仿真技术的教学模式拟定的教学设计环节主要包括以下几个内容。

1. 水泥生产工艺虚拟仿真教学

水泥的生产工艺较为复杂，教师采用多媒体信息技术的教学方式，学生难以形成有效的认知。通过虚拟仿真教学方式，可使学生增加对水泥生产的感性认识，提高学生学习的主动性。例如采用三维可视化的模式对水泥厂的布局、全线生产工艺流程、生产设备和车间分布及结构进行虚拟仿真模拟，模拟效果如图1所示。

图1 水泥厂生产工艺布局虚拟仿真模拟效果图

虚拟工艺流程涵盖了水泥原料的破碎及预均化、生料制备及均化、预热分解、熟料烧成、水泥粉磨及水泥包装等部分。通过虚拟仿真展示平台，可以让学生以漫游的方式认识水泥的整个工艺流程，立体感强。

2. 水泥水化特性及侵蚀机理虚拟仿真教学

水泥的水化与凝结以及侵蚀均为化学类的反应，而学生的化学知识仅局限在高中阶段，大学课程未涉及到水泥化学的知识，因此，学生针对这部分知识掌握得非常不好。通过虚拟仿真教学，演示水泥的水化与凝结过程，并以动画模拟的形式演示外界自然环境对水泥的侵蚀过程，增加学生的理解能力。

3. 岩石的形成与晶体结构虚拟仿真教学

混凝土骨料均由岩石形成，岩石的形成过程及晶体结构影响着骨料的品质，通过虚拟仿真教学，演示岩石的形成以及不同晶体结构的演变，有助于学生对后续知识的理解与掌握。虚拟动画演示如图2和图3所示。

图2 岩浆岩的虚拟仿真形成过程

该虚拟仿真技术画面具有很强的环境真实感，解决了教学过程中的某些盲点，同时也增强了学习的趣味性。

4. 水泥混凝土耐久性虚拟仿真教学

水泥混凝土的耐久性是指混凝土在实际自然环境条件下抵抗各种破坏因素的能力，关系到工程的使用寿命。混凝土的耐久性与自然环境息息相关，例如抗冻性、抗磨性、抗化学侵蚀性等。由于学生受专业知识的限制，自然环境对混凝土破坏的过程及其机理还不知道，致使学生难以学懂弄通。因此，通过虚拟仿真教学，本着“虚实结合、能实不虚”的原则，让学生了解自然环境对混凝土造成破坏的过程和原因，进而掌握提高混凝土耐久性的方法，逐渐培养学生的研究能力。

图3 沉积岩的虚拟仿真形成过程

5. 水泥及水泥混凝土试验虚拟仿真教学

建筑材料课程是一门实操性较强的专业基础课，试验教学环节占到了该课程的三分之一。在以往的试验教学环节中，教师都是在教室内讲解，而学生对实验室的仪器、具体的试验操作过程及试验过程中的注意事项等缺乏直观的认识和了解，单纯依靠较为短暂的试操课程学习和操作，不能很好地理解和掌握具体的试验操作要领，教学效果不佳。或者有些试验时间周期长，试验费用高，难以让本科生广泛、深入地参与。比如抗冻试验、抗化学侵蚀性试验等。

综上，作为传统教学方法的补充和延伸，虚拟仿真教学在高校教学改革中也体现了其独有的应用价值，不仅对科研工作有良好的辅助作用，也对试验和实践教学有明显的助力。

（二）实践教学模式的构建

如何将理论与实际相结合，让学生在真实的工作环境中融会贯通，真正理解教师讲授的知识，是目前课程教学的难点和重点。由于学生接触工程实践机会较少，因此，虚拟仿真试验是学生为数不多的实践机会，是激发学生学习热情的绝佳机会，要求教师把握教学机会，顺势引导，培养学生动手、独立思考、分析问题和解决问题的能力[10]。

实践教学模式拟定的教学设计环节主要包括以下几个内容。

1. 工程现场情景的构建

由于学生对工程的概念几乎为零，不了解工程性质及工程建设过程中对材料的需求。通过虚拟仿真视频，可以直观地让学生认识工程，了解工程建设的基本环节以及工程对材料的要求。

2. 专题教学的构建

通过工程现场情景的虚拟仿真视频，让学生掌握了工程建设的基本环节以及工程对材料的要求后，针对具体的工程材料需求，制订专题教学方法。以混凝土配合比设计为例，根据虚拟仿真视频播放的工程特性，让学生确定混凝土的技术要求，然后进行混凝土配合比设计。根据设计的配合比，结合混凝土配合比试验课，讓学生进行试拌调整，并测试混凝土相关性能。

3. 学科竞赛的构建

建筑材料的学科竞赛以综合性、设计性试验为主。参照中国混凝土与水泥制品协会发起的全国混凝土设计大赛模式，组织学生积极参加，分班级进行比赛。例如以“轻质高强”为主题，配制即在一定的混凝土密度等级下（体积密度不高于1 400 kg/m3）获得更高强度的混凝土为例，让学生通过查阅文献，制订试验方案，制备混凝土试件，然后教师对其试件性能进行测试，并让学生对设计思路进行答辩，以此激发学生对建筑材料课程的学习兴趣。这种竞赛模式，不仅能够提高学生对理论知识的综合运用能力，还能丰富学生的大学生活，同时也可考验学生的心理素质，非常符合高校培养应用型人才的教育新理念。

（三）教学考核模式的构建

传统的考核方式大多为在学期末进行考试测评，不管是采用闭卷的方式还是开卷的方式，基本上都是侧重于考察学生对基本知识点的掌握，而这些知识点有的理论性较强，有的则需要进行大量的公式计算，学生往往局限于文字性的死记硬背，很难做到知其然知其所以然。建筑材料课程开设的目的在于培养学生的应用及实践能力，因此，课程考核宜尽量体现在提升学生实践能力等方面。

1. 增加学生的动手能力测试。根据学生试验课测试的水泥、骨料等技术性能，在配合比试验课时，让学生根据之前测试的数据，进行混凝土配合比设计，然后现场进行试拌调整。依据学生的设计说明书、现场试验成果作为考核的成绩。

2. 结合具体的工程项目，给出设计参数，让学生进行设计答辩，答辩完毕后由老师进行相关知识提问。

3. 通过撰写科技论文的方式进行考核，让学生查阅大量的科技文献，对材料的性能进行深入了解，这样既可以加深学生对理论知识点的认识，又可以培养学生的科学素养及自学能力。

三、结束语

1. 通过虚拟仿真实践教学模式解决传统教学模式下“难理解”“难实现”的问题，增加学生对学习的兴趣，提升学生的创新和空间思维能力，掌握实际项目中设计的基本方法，实现理论和实践相结合的教学。

2. 专题教学模式突出了学生在课程中的主体地位，培养了学生主动探究和创新实践的精神以及终身受用的学习能力。改变了短促的、学科单一的、以教师为中心的传统课堂教学，取而代之的是强调长期的、跨学科的、以学生为中心的学习活动。

3. 多种考核模式，既可以加深学生对理论知识点的认识，又有利于提升学生的应用及实践能力，培养学生的科学素养及自学能力。

参考文献：

[1]潘玉寨，郭冠军，杨立见.新工科人才培养专题研究型教学模式研究——以光电信息科学与工程专业为例[J].大学教育，2019（10）：

174-176.

[2]卜静武，周济人，徐波.“00后”大学生学习建筑材料课程教学改革[J].教育教学论坛，2020（32）：177-178.

[3]赵静源.以试验为主导模式的建筑材料教学改革探析[J].陕西教育（高教），2020（5）：36-37.