張?zhí)m芳

“建筑材料”實(shí)驗(yàn)課虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)研究

張?zhí)m芳

(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶南岸區(qū)400074)

基于建筑材料實(shí)驗(yàn)課目前存在的問(wèn)題，以虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)補(bǔ)充、替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在研究總結(jié)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，闡述建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的組成及功能，并分析虛擬輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，即利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐能力、提高實(shí)驗(yàn)課的效率等方面都具有重要的意義。

建筑材料；課程；虛擬實(shí)驗(yàn)；輔助教學(xué)

“建筑材料”課程是土木工程類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，本課程理論與實(shí)踐方面緊密結(jié)合，相輔相成。通過(guò)實(shí)踐課程，學(xué)生能加深對(duì)理論知識(shí)的理解，能鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的能力，明確材料檢測(cè)、評(píng)價(jià)的重要性，增強(qiáng)學(xué)生的工程質(zhì)量意識(shí)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。但是，目前大多數(shù)高校存在學(xué)生數(shù)量多，實(shí)驗(yàn)室資源有限，再加之薄弱的實(shí)驗(yàn)師資力量和教學(xué)硬件設(shè)施，已遠(yuǎn)不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，在這樣的狀況下，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施往往顯得空洞、無(wú)效。因此，改善現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，尋找補(bǔ)充、替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式日顯重要。虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)體系利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、編程技術(shù)，彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，越來(lái)越受到世界各高校的歡迎。因此，“建筑材料”課程作為實(shí)踐性強(qiáng)的課程利用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，可以起到事半功倍的效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建筑材料實(shí)驗(yàn)課存在的主要問(wèn)題

“建筑材料”課程在高校的土木工程及相關(guān)專業(yè)中具有重要的地位，而其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)則更是本課程教學(xué)的重中之重，但目前 “建筑材料”實(shí)驗(yàn)課存在著各種問(wèn)題，如教學(xué)課時(shí)數(shù)偏少、實(shí)驗(yàn)組織安排欠合理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少且知識(shí)更新慢、教學(xué)手段單一、教學(xué)方法傳統(tǒng)化、教學(xué)體系薄弱、專職實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍人員少等[1-2]。研究表明，實(shí)驗(yàn)室所提供的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值是被教育家們所廣泛認(rèn)可的[3]，因此，如果上述問(wèn)題得不到及時(shí)解決，將對(duì)學(xué)生的知識(shí)的理解和掌握、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、實(shí)際工程問(wèn)題解決的能力、生產(chǎn)實(shí)踐的能力等都會(huì)產(chǎn)生不利影響，故在有限資源的情況下，探索新的建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法勢(shì)在必行。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)輔助實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法

2.1 建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路

虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)計(jì)算機(jī)在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上完成模擬，在設(shè)計(jì)建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要盡可能覆蓋整個(gè)課程所涉及的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，不同學(xué)校也可以根據(jù)各校的專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，主要內(nèi)容包括以下4個(gè)方面。

1)建筑材料的基本性質(zhì)試驗(yàn):材料的密度試驗(yàn)、石灰、水泥性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)、瀝青性能試驗(yàn)、粗細(xì)骨料以及外加劑的性能及其評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2)砂漿及混凝土材料試驗(yàn):混凝土、砂漿配合比設(shè)計(jì)試配試驗(yàn)、混凝土拌合物的工作性，硬化混凝土的力學(xué)性能、耐久性 (抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性、耐酸、堿、鹽腐蝕性能)和混凝土的收縮試驗(yàn)，砂漿的工作性、力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。

3)瀝青混合料:熱拌瀝青混合料試件制作和物理指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)、瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、車轍試驗(yàn)、瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)及其構(gòu)造深度測(cè)定、瀝青混合料滲水系數(shù)測(cè)定及其配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

4)鋼筋試驗(yàn):鋼筋的拉伸性能試驗(yàn)、彎曲(冷彎)性能試驗(yàn)等。

虛擬實(shí)驗(yàn)室利用遠(yuǎn)程輸送模式，學(xué)生雖遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室基地但能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒介控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備并收集數(shù)據(jù)，這已有很多成功的實(shí)例[4-5]。目前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的虛擬版本已經(jīng)發(fā)展并進(jìn)入到工程和科學(xué)課程中[6-7]。研究表明，學(xué)生利用這種實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的效果明顯且靈活性強(qiáng)[4-5，8]。

2.2 建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的組成及功能

建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息門(mén)戶和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理系統(tǒng)3個(gè)模塊，不同的模塊其功能也不相同[9]。

1)建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室。

建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、步驟以及儀器設(shè)備的介紹等與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料和內(nèi)容。在虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中，將文字、圖形、動(dòng)畫(huà)、聲音等各種媒體功能融為一體，動(dòng)靜結(jié)合，同時(shí)虛擬儀器也可以安全方便地讓學(xué)生拆卸、組裝，根據(jù)不同部分逐個(gè)展示儀器的工作原理和方式，便于學(xué)生接受和理解，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在寓教于樂(lè)中完成專業(yè)實(shí)驗(yàn)[12-13]。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，要按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，只有步驟和操作正確，才能進(jìn)入下一步的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這樣的鍛煉，使學(xué)生能更深入理解所學(xué)專業(yè)知識(shí)，提高他們處理復(fù)雜項(xiàng)目和解決問(wèn)題的能力[14]。

2)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息門(mén)戶。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息門(mén)戶主要是對(duì)建筑材料實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息的發(fā)布(如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新、變化等)，也是實(shí)驗(yàn)室對(duì)外宣傳、展示的窗口以及師生相互學(xué)習(xí)交流的平臺(tái)，是建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室信息表達(dá)方式的補(bǔ)充。

3)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。

設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的主要目的是完成門(mén)戶網(wǎng)站的內(nèi)容發(fā)布與管理、即時(shí)通信和系統(tǒng)維護(hù)、實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容介紹及維護(hù)、實(shí)驗(yàn)課程的登記和預(yù)約等功能；同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)與多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景內(nèi)的數(shù)據(jù)交互、分析統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用管理，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[9]。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，學(xué)生可以按照其分配的賬號(hào)進(jìn)行登錄，可以預(yù)約或進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)；如果教師想在課上利用軟件，則可以通過(guò)教師的賬號(hào)登陸進(jìn)入，開(kāi)始虛擬實(shí)驗(yàn)的演示和操作。在課堂上師生可以互動(dòng)，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)可以自己動(dòng)手完成很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；課后學(xué)生也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)課堂內(nèi)容加以鞏固的同時(shí)，也可以做些自己感興趣的材料實(shí)驗(yàn)，從而可以更新知識(shí)并補(bǔ)充、豐富本課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.3 利用虛擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)建筑材料課程而言，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是非常必要的但也是有難度的。如測(cè)定水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)時(shí)，除了按標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的方法進(jìn)行外，測(cè)試人員還應(yīng)有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。又如測(cè)定混凝土的各項(xiàng)性能時(shí)，配合比的設(shè)計(jì)、調(diào)試等都是比較復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)經(jīng)驗(yàn)欠缺的初學(xué)學(xué)生來(lái)講是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，加之在非常有限的課時(shí)內(nèi)要掌握這些內(nèi)容，就非常困難了。因此，在實(shí)際中，經(jīng)常是老師預(yù)先把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)好，學(xué)生按既定的流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[10](如圖1所示)，而最終學(xué)生的成績(jī)是以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式來(lái)評(píng)價(jià)，給出分?jǐn)?shù)，在此過(guò)程中，學(xué)生的能力并沒(méi)有得到真正的提高。

圖1 教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前先利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。首先，學(xué)生按照要測(cè)定的既定目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，計(jì)算得到的各參數(shù)在虛擬操作中輸入，運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)軟件檢查計(jì)算是否正確，這樣可以避免理論計(jì)算錯(cuò)誤引起的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手前進(jìn)行修正。同時(shí)，學(xué)生也可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中將實(shí)驗(yàn)操作中可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行模擬，并對(duì)每一種情況輸入相應(yīng)的調(diào)整數(shù)據(jù)，軟件就會(huì)給出是否正確的信息，幫助學(xué)生掌握其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和正確性，這樣既鍛煉了學(xué)生理解、掌握理論知識(shí)的能力，也使學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中能靈活應(yīng)用相關(guān)理論。

2.4 開(kāi)發(fā)高效軟件，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣

虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)在本專業(yè)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，既考慮學(xué)生使用時(shí)的方便和簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠確保軟件的趣味性和有效性。建筑材料課程內(nèi)容繁雜，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，如果利用QQ寵物的軟件設(shè)計(jì)原理，將虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成類似于QQ寵物的軟件，將對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作會(huì)增加很多趣味性[11]。例如，當(dāng)測(cè)定混凝土的強(qiáng)度時(shí)，可以將標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行提前設(shè)置，每隔一定時(shí)間自動(dòng)養(yǎng)護(hù)，并可以設(shè)計(jì)不同養(yǎng)護(hù)方式的對(duì)比，每到強(qiáng)度測(cè)定的時(shí)間就會(huì)自動(dòng)提醒你需要進(jìn)行測(cè)試，并以動(dòng)畫(huà)的形式將試件破壞形式表現(xiàn)出來(lái)，如果強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)以提醒的方式(類似于QQ寵物生病的功能)告訴你，哪些地方出了問(wèn)題。各種性能、指標(biāo)的變化都以卡通寵物的形象來(lái)表示，這樣既增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使學(xué)生對(duì)各種材料的性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)有更深入的了解。

2.5 利用虛擬實(shí)驗(yàn)，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間

在建筑材料課程實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成，而實(shí)驗(yàn)的操作也僅是簡(jiǎn)單的重復(fù)，如水泥凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定，從試件的制作、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試等需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而且在初次測(cè)定后，后面的操作手續(xù)幾乎相同。但在實(shí)際中，由于課時(shí)的原因，經(jīng)常是讓學(xué)生學(xué)會(huì)操作過(guò)程，并未能真正掌握初凝、終凝的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)便終止了實(shí)驗(yàn)；再如，做混凝土的力學(xué)性能時(shí)，由于需要養(yǎng)護(hù)的時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常利用一些以前做過(guò)的試塊在儀器上演示一下測(cè)定過(guò)程，學(xué)生根本無(wú)法真正參與，而在運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)后，教師可以先教學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試一些常見(jiàn)材料的性能，并強(qiáng)調(diào)在實(shí)測(cè)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題、注意事項(xiàng)等，在學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用有一定的基礎(chǔ)后，再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解，加深印象，這樣不僅節(jié)約時(shí)間，而且可以起到事半功倍的效果。有研究表明，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展為允許學(xué)生在90 min內(nèi)運(yùn)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法來(lái)決定材料在擠壓成形工藝中的14個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)[15]，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

建筑材料實(shí)驗(yàn)課存在學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多、知識(shí)更新慢、教學(xué)方法單一等各種問(wèn)題；但本課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，可以使學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)得到應(yīng)用和進(jìn)一步的強(qiáng)化。在實(shí)際中，由于受多種因素的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果往往達(dá)不到預(yù)期的效果，也不能真正提高和鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力；而利用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)改革的發(fā)展和趨勢(shì)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)和利用可以順應(yīng)這一趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)有效的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件是完善和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段。

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Study on Virtual Experiment Supplementary Teaching of“Construction Materials” Laboratory Course

ZHANG Lanfang
(School of Materials Science and Engineering， Chongqing Jiaotong University， Nan'an， Chongqing 400074， China)

Based on the existing problems of the construction materials laboratory course at present，using the virtual experiment assisted the teaching supplement，replacing the traditional experimental teaching.On the basis of summarizing the domestic and foreign literatures， this paper elaborates the design ideas of the virtual laboratory of building materials， the composition and function of the laboratory platform.The advantages of virtual assistant experiment teaching are analyzed.Namely，the use of virtual experiment teaching can improve the students'ability of experiment design， enrich the experimental content， enhance learning interest and shorten the experiment time.At the same time，it is also of great significance to improve the students'practical ability and improve the efficiency of experiment course.

construction materials； course； virtual experiment； supplementary teaching

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.014

2016-02-29；修改日期:2016-10-18

重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2016-53)。

張?zhí)m芳(1976-)，女，博士，副教授，主要從事建筑材料方面教學(xué)和科研工作。