基于虚拟仿真技术建筑材料实验教学的改革探究
来源：本站 作者：孙荣荣 李 姿 河南工业职业技术学院 发表于：2023.06.29 198浏览
孙荣荣
文/孙荣荣 河南工业职业技术学院实训中心主任
李 姿 河南工业职业技术学院讲师
摘 要：建筑材料实验是建筑材料课程的重要组成部分，传统的实验教学方法因受时间、场地、设备等因素制约导致很多实验项目无法开设，虚拟仿真技术的融入不仅解决了上述难题，还使原本枯燥的实验教学充满了趣味性。本文分析了传统实验教学模式存在的问题，将传统实验教学与虚拟仿真技术进行了有效融合，并把实验项目进行重新整合分类，建立了虚实结合式实验教学模式。虚实结合式实验教学不仅打破了时空限制，让学生在高度真实的实训环境中体验到学习的乐趣，还提升了他们的综合素养，对教学目标的达成起到了很好的促进作用。
关键词：虚拟仿真；建筑材料；实验；教学模式
建筑材料课程是建筑工程类专业一门重要的专业基础课，建筑材料实验则是建筑材料课程重要的组成部分，其通过实验不仅能促使学生将所学理论知识与实践结合，还可以提高学生的动手能力和团结协作能力。随着科技与信息化技术的发展应用，传统的“教师讲解演示-学生听学做”实验模式已无法吸引学生的学习兴趣。虚拟仿真实验教学的应用顺应了教育信息化改革需求，并因其绿色环保、形象生动、安全可重复等优点，颠覆了传统的教学方法和内容，突破了真实实验室受场地、课时、设备、安全等因素制约的束缚，为实验教学增添了生机与活力。但传统的实验教学仍然有着不可替代的作用，所以，本着“能实不虚、虚实结合”的原则，结合本校虚拟仿真实训基地的建设和建材实验室的实际情况，本研究将建筑材料实验项目进行了重新整合，构建了虚实结合式实验教学模式，以期为相关专业的实验实训教学改革提供参考和借鉴。
一、传统实验教学模式存在的问题
1.开设实验项目有限
传统实验教学主要是在真实实验室进行，有些实验项目因各种原因无法开设，如：有些项目因实验设备价格昂贵无法购置而无法开设；有些项目如水泥的凝结时间实验、体积安定性实验等，由于耗时较长，受学生上课时间限制而无法开设；还有的项目，从学生安全的角度考虑无法开设，比如实验过程中沥青在加热后会释放有毒气体。所以，在真实实验室中真正适合学生动手操作的项目非常有限。
2.开设实验内容单一
传统实验项目大多数都是关于材料基本性质方面的验证性实验，学生只需要按照固定步骤操作即可。这种模式虽然可以加深学生对理论知识的理解和巩固，但是过程中学生不需要思考，这对于培养学生“发现-分析-解决问题”的能力以及创新能力是不利的。
3.开设实验成本较高
实验室建设要想跟上建筑材料技术的飞速发展和设备的快速更新换代，需要大量资金的投入以支持实验室升级改造。同时，实验过程中会消耗很多建筑材料且产生的建筑垃圾无法回收利用，学生不可避免的实验失败和重复性操作也会产生材料浪费问题：这些因素会导致开设实验成本较高。
4.实验教学手段单一
传统的实验教学主要还是采用课前预习，课中教师通过PPT进行讲解并演示，然后让学生动手操作的模式进行。虽然有动手操作环节，但依然属于灌输式教学方式，过程中学生不需要思考，只需按照固定的实验步骤依葫芦画瓢即可，大部分学生无法解决在实验过程中出现的问题，独立探索的能力和创新能力无法得到有效培养[1]。
二、建筑材料实验教学模式改革的思路
近年来，虚拟仿真实验教学的融入对原有的教学方法和教学内容产生了巨大影响，以往一些因为资金、场地、时间和安全性等问题无法开设的实验项目都可以通过虚拟仿真实验来完成。同时还可以融入一些技能大赛和设计大赛的实验项目，以提高学生的创新能力和分析能力，从而满足新的人才培养目标。但是，完全摒弃传统实验教学手段也是不可取的。将传统实验教学和虚拟仿真实验教学两种教学方式结合，不仅可以取长补短，还能使实验教学达到最佳效果。
三、建筑材料实验虚实结合式教学模式的构建
笔者从事建筑材料教学十余年，对建筑材料实验所用到的仪器设备、操作方法、场地条件等都非常熟悉，结合本校虚拟仿真实训基地建设和建材实验室的场地、设备等方面实际情况，把可操作的建筑材料实验项目（主要包括骨料类、水泥类、水泥混凝土类、砂浆类、钢筋类、沥青类）进行了重新整合，分成了四种不同类型，分别是真实操作实验项目、虚拟仿真实验项目、虚实结合式实验项目和设计性实验项目[2]。
1.真实操作实验项目
砂石实验、水泥细度实验，以及水泥砂浆和混凝土基本性能实验耗时相对较短，所使用仪器设备操作起来相对简单，本着“能实不虚”原则，这些项目均设在真实实验室完成，既提高了学生动手能力，还能增强学生的分工协作精神。
2.虚拟仿真实验项目
水泥的标准稠度用水量、凝结时间和安定性三个实验项目耗时均较长，在有限的课时内无法完成；石油沥青的延度、针入度和软化点三个实验在操作过程中由于需要加热，过程中会释放有刺激性气味的气体，会对学生健康造成危害，同时实验还需要用到恒温水浴，实验室设备无法达到要求；混凝土耐久性实验对实验条件和环境的依赖性较强，目前学校的实验条件还无法达到要求：以上几个实验项目均采用虚拟仿真实验的方式进行。
3.虚实结合式实验项目
水泥的胶砂强度实验和混凝土立方体抗压强度实验在操作上比较相似，都需要经过配料、搅拌、成型、养护、强度测定等步骤，而且各步骤要连续进行。但是过程中“养护”需达到规定龄期后才能进行强度测定。在传统实验教学中，这期间间隔时间过长导致学生无法将两次实验联系在一起，使整个实验过程缺乏连贯性，而采用虚实结合的方式就可以避免以上问题。其中配料、搅拌、成型的步骤可以在实验室进行，养护和强度的测定两个步骤则采用虚拟仿真方式进行，这样整个实验的衔接性更强。
钢筋的性能实验主要用到的设备是万能试验机，为避免学生操作失误导致设备受损，提高实验成功率，可以先让学生通过虚拟仿真实验熟悉实验方法和实验步骤以及仪器设备操作，然后再进入实验室动手操作，这样可以达到事半功倍的实验效果。
4.设计性实验项目
只有让学生自己设计方案并完成操作，才能培养其科学实验能力并使其获得实验的成就感。虚实结合的实验模式使设计性实验成为可能。水泥混凝土配合比设计实验项目具有较强的综合性和设计性。以“透水混凝土”实验为例，教学过程中，首先让学生分组进行实验方案设计，这一步可让学生在课下通过文献查阅、网络搜索等方式进行；第二步，让学生对自己的实验方案进行讲解，由教师提问，学生进行答辩；第三步，由学生按照自己设计的实验方案进行配料、搅拌，测定拌合物性能指标是否满足设计要求并调整；最后，制备混凝土试件并测定其硬化后的强度、透水性等指标，教师将不同组的实验结果进行打分排名并计入课程成绩[3]。
四、虚实结合式实验教学模式的意义和创新点
1.打破了传统实验教学模式的时空限制
虚实结合式实验教学模式的应用打破了传统实验受场地、设备、时间、经费等条件限制的束缚。同时教师还可以提前将虚拟仿真实验的视频上传到教学平台供学生随时随地学习，使课堂教学质量得到明显提升。
2.创新了实验教学方法
虚实结合式实验教学模式的应用创新了实验教学方法。具有仿真性和沉浸感的虚拟仿真实验室为学生构建了身临其境的实验环境，提高了学生的积极性和主动性，让学生在轻松愉快的氛围中完成实验任务。
3.创新了设计性实验
虚实结合式实验教学模式的应用使设计性实验也可以开展。设计性实验项目的融入，可以激发学生的学习兴趣。其中文献查阅和方案设计环节不仅能扩展学生的知识面，还能提高学生将所学理论知识与实践结合的能力，培养其自学能力和科学素养。
五、结束语
虚拟仿真技术的应用顺应了教育信息化改革的需求，将虚拟仿真实验教学与传统实验相结合，不仅可以有效缓解真实实验室受场地、课时、设备、安全等因素影响的突出问题，还有利于调动学生学习积极性和主动性，培养其综合素养。本文将虚拟仿真技术融入建筑材料实验课程的教学中，并对教学内容进行分类重组，构建了虚实结合的实验教学模式。该教学模式将虚拟仿真实验与传统实验进行有效融合，充分发挥两者优势，最终实现了教学质量的提升。
（项目编号：1.教育部职业院校信息化教学指导委员会2022年度职业院校数字化转型行动研究课题KT22090；2.河南工业职业技术学院职业教育研究基金项目2022ZJYJ08。）
参考文献：
[1]张海亚,苏海花等.“虚实结合”混合式教学模式在建筑材料实验中的构建[J].湖南工业职业技术学院学报,2019,6:79-82,102.
[2]赵毅,黄德明,樊小义.虚拟仿真技术融于建筑材料课程实验教学模式研究[J].实验科学与技术,2021,19(1):46-52.
[3]李双喜.基于虚拟仿真与实践结合的建筑材料课程教学研究[J].高教学刊,2022,18:119-122.