建筑材料与检测课内实验教学改革研究

赵美霞，杨 宁，刘 娟，于明旭

（1.江苏建筑职业技术学院；2.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116）

建筑材料与检测课是高职建筑工程技术专业（群）开设的一门专业基础课，课程的主要任务是使学生掌握建筑材料的基本知识、技术性能，会进行材料的选择并掌握特定的检测技术和方法等。该课程既有课堂教学环节，也有实验室教学环节。教室和实验室是这门课程学习的两个阵地，互为补充，相得益彰。然而近年来随着高职招生规模的不断扩大，一些高职院校的实验室场地、实验仪器及师资严重不足，加上建筑材料与检测课内实验课时明显减少，导致实验教学质量堪忧。为了解决这一矛盾，我院（江苏建筑职业技术学院）考虑通过立项建设更多的实验室以满足实验的需要，但是由于学校场地有限、财力不足，以及建设实验场地及其配套设施周期较长等原因，这一矛盾一直没有得到顺利解决。而随着计算机技术、互联网及物联网的发展，虚拟实验的出现为解决上述问题提供了途径[1-5]。本文在传统场地实验的基础上，总结了虚拟实验的优势，分析构建虚拟实验平台的必要性，提出虚拟实验平台构建的思路，以便为建筑材料与检测课程的教学实验改革提供参考。

一、虚拟实验的优势

虚拟实验简单地说就是借助计算机及互联网等构建一种虚拟仿真的实验环境，学生通过计算机设备模拟操作实验的全过程，从而达到实验的目的和要求[6-8]。虚拟实验是计算机技术飞速进步和发展的一种产物，其需要一定的信息技术做支撑[9-10]。虚拟实验作为场地实验的一种补充和崭新的模式具有如下优点。

（一）虚拟实验具有高逼真性及仿真性

当学生开展虚拟实验的时候，借助生成的实时的、具有三维信息的虚拟仿真实验环境，学生可以沉浸其中产生逼真的身临其境的感受，并能够在虚拟环境中按照真实实验的步骤和要求进行各项预定的实验操作，所取得学习效果不低于实际实验。

（二）虚拟实验可以完成场地实验不能完成或不便完成的实验

有些实验花费太高而学校经费有限、或者花费巨大但实验效果却不一定理想，有些实验过程需要经历几个月甚至几年的时间而没条件开展，有些实验因为毒性或危险性太大不适宜开展群体性的场地实验，有些实验无法在场地观察和再现，这些情形均可以借助虚拟实验来完成。

（三）虚拟实验可以重复进行而不会增加额外的成本，可以突破场地实验的时空限制

虚拟实验具有可重复及不增加成本的特性，能够方便学生反复演练，直到搞清楚实验过程中所有的难点或疑惑，也方便教师重复强调实验过程中的重难点。这一点是场地实验无法做到的。另外，其突破时空的特性有利于操作者提前预习实验，改变了实验无法预习操作的现状，有利于提高实验教学的质量。

（四）虚拟实验的交互性好

借助于网络，虚拟实验便于线上交流互动，实现了教与学的双向交流，有利于及时解答疑问。这是场地实验所不具备的。

（五）虚拟实验有利于保证实验的教学质量

虚拟实验不占用已有课时，在当下实验课时明显不足的情况下，有利于保证实验的教学质量。

（六）虚拟实验在降低成本花费方面效果显著

虚拟实验作为场地实验的补充，可以明显降低实验材料费、人工费、实验维修费、设备损耗费、管理费等。

（七）虚拟实验作为一种较新的实验方式，有利于转变学生被动的学习状态

虚拟实验方式较新，有利于激发学生的学习兴趣和创新意识，转变学生的学习态度，变被动学习为主动探索，提高学习效率。

二、虚拟实验平台的构建的必要性

鉴于虚拟实验的诸多优势，因此开展建筑材料与检测课程虚拟实验平台的构建非常必要。

（一）构建虚拟实验平台是教育信息化建设需要

国家及地方教育主管部门一直非常重视教育的信息化建设，出台了很多政策鼓励高校将信息技术与教育教学深度融合。虚拟实验是信息技术发展的产物，虚拟实验平台的构建对于推动职业教育信息化的快速发展，构建“互联网+”条件下的人才培养新模式至关重要。

（二）构建虚拟实验平台是当下实验教学改革的迫切需要

当前大多高职院校的状况是学生多、场地少、设备老、仪器缺、实验教学课时少。虚拟实验对于弥补场地实验的不足，提升实验的教学质量具有重要作用。构建虚拟实验平台是解决实验教学中现实矛盾的迫切需要。

（三）构建虚拟实验平台是当下高职学生学情的迫切需要

高职学生的知识基础相对薄弱，对于理论学习兴趣不浓，学习比较被动，而对新事物、新技术兴趣浓厚，喜欢探究。虚拟实验正好迎合了高职学生的这种学情，给他们提供了一种新的学习方式。构建虚拟实验平台对于提升他们的学习主动性，激发他们的学习热情，培养他们的自信心具有重要作用。

三、虚拟实验平台的构建思路

本课程虚拟实验平台构建的目标是使学生能够基于网络平台随时随地体验水泥、石子、砂、混凝土、钢筋等相关的虚拟材料实验，教师能够随时随地与学生互动，指导学生，发布任务及要求，最大程度提高学生的实验能力。虚拟实验平台的设计要符合学习者的认知特点和认知规律，要保证实验的直观性和便捷性，要注重实验的互动性。虚拟实验平台的内容建设以专任教师为主，技术建设以合作的技术服务公司为主，各司其职，各尽其责。本文主要论述内容建设部分。根据需要将虚拟实验平台以版块的形式进行构建，可分为用户版块、虚拟实验版块、在线交流版块及反馈评价版块。

（一）用户版块

用户版块主要涉及管理员用户、教师用户、学生用户、游客用户，主要包括用户注册、登陆、用户信息维护及修改、用户权限等功能。用户的所有操作均可以通过访问特定网页实现。不同用户具有不同的权限和访问限制。

管理员用户拥有最高的权限，可以对教师、学生及游客进行各种权限的管理。

教师用户有以下权限：对学生身份进行审核及添加或删除学生名单，设置各种虚拟仪器、设备及使用说明供学生操作使用，对实验所需要的虚拟软件或其他软件提供下载，上传实验的原理、目的、要求、操作步骤、演示视频、三维动画等学习内容，查阅学生提交的实验报告，针对学生的实验完成情况进行评阅，给予评价意见和分数，在线提问和回答学生的问题，查看和统计学生用户的访问轨迹、实验完成情况，对虚拟平台提出改进意见等。

学生用户有以下权限：通过注册登录平台访问学生资源，在平台使用各种虚拟仪器，下载教师上传的虚拟软件等，在线阅读教师上传的实验要求、操作步骤、演示视频、动画等学习内容，针对疑惑在线提问，提交实验报告，查阅综合成绩评定结果，对虚拟平台提出建议和意见等。

游客用户只能观看部分演示内容，操作部分开放性的模拟实验。

（二）虚拟实验版块

虚拟实验版块是平台的核心部分，可以划分为实验基本知识区、实验仪器区、实验操作区、实验报告区、实验完成评价区，囊括了课程的主要实验。课程的主要实验包括水泥标准稠度用水量测定、水泥安定性实验、水泥强度实验、砂筛分析实验、砂的表观密度实验、砂的松散堆积密度实验、石子的表观密度实验、石子的松散堆积密度实验、沥青针入度实验、沥青延度实验、沥青软化度实验、混凝土拌合物和易性的测定、混凝土拌合物表观密度的测定、混凝土立方体抗压强度实验、混凝土配合比设计实验、混凝土耐久性实验、外加剂的性能及其评价实验、钢筋的拉伸性能实验、弯曲性能试验等。

在实验基本知识区，以文本的形式分别列出了上述实验有关的规范、标准和实验原理，需要的实验仪器及其配图、实验仪器的各种型号和参数、仪器的使用说明、注意事项及仪器的保养知识；在实验仪器区，分别列出了上述实验所需要的全部虚拟仪器和设备。这些虚拟仪器和设备由合作的技术开发公司进行三维模型的构建，模型中包含着仪器的全部参数信息和功能特性。当学习者将鼠标放到对应仪器的旁边时，会出现对仪器功能、作用及如何使用的提示和说明。学习者确定选用所需要的仪器时，只需用鼠标左键点击即可。实验操作区是学习者开展三维虚拟实验的区域，学习者可以通过实验仪器区选择和调用需要的实验仪器和设备，再根据实验基本知识区关于实验的操作步骤和要求开始模拟实验。实验过程要注意仪器的调用顺序，仪器之间的连接规则。当学习者感觉操作有困难或有疑惑时，可以在此区域内观看实验的演示视频和动画。

学习者在实验操作的过程中系统会全程录屏并提示操作者是否进行保存和上传，以便后台对实验操作过程和完成情况进行综合评价和打分，此项占据总分数的40%。在实验报告区设计了上述实验对应的实验报告模板，鉴于每个实验的特殊性，每一个实验的实验报告模板均有所不同。学习者可以在实验操作区完成模拟实验的基础上，基于实验报告的模板撰写完成实验报告，系统会根据实验报告撰写的完整度、准确度等给予综合评价和打分，此项占据总分数的40%。实验完成评价区是在学习者实验操作得分及实验报告得分的基础上，结合教师给予的总分数20%的评价得分得到总评成绩。此总评不仅包括总评的分数，还包括对学习者实验操作过程和实验报告完成情况不足之处的完整说明，并提出了改进的措施和建议。

（三）在线交流版块

在线交流版块包括师生交流区、提问留言区和自由讨论区三块内容。

在师生交流区，学生可以针对实验中遇到的问题、疑惑与老师交流和互动，也可以针对实验中的一些想法和思路向老师请教。教师负责启迪、引导学生去思考和解决疑难问题，老师最终给出标准答案。师生交流区的不足之处在于，当学生提出问题时教师需要在线才能及时互动，如果教师上线不及时，会因为交流区聊天内容的增多而将提问问题覆盖，并且交流过程中提问和回答的内容也会因为聊天内容的增多被覆盖，不易被后来上线的同学看到。

在提问留言区，学生对于一些不需要互动或是不需要着急知道答案的疑问进行留言，教师和所有同学都可以查看留言，都可以在闲暇时间对提问进行回复，不需要做出及时答复。留言区的设置方便了后来同学对问题的查看，有利于知识的传承，避免了重复问题的重复回答。

在自由讨论区，学生之间可以自由讨论实验操作过程中的心得，可以对实验中的困惑各抒己见，在讨论中互相促进，共同提高，在知识的交流中增加感情，加深友谊。

（四）反馈评价版块

学生和教师在使用虚拟实验平台过程中的一些建议和意见，可以在反馈评价版块进行留言，促使平台更加完善。

总之，虚拟实验是教育信息化发展的产物，是传统场地实验的补充。在建筑材料与检测课程引入虚拟实验对于解决学生多、场地少、设备老、仪器缺、实验教学课时少的问题具有重要意义，对于提高学生的学习积极性，激发学生的学习兴趣具有重要作用。同时需要认识到：虚拟实验平台的构建是技术构建和内容构建的结合；虚拟实验平台中虚拟实验版块处于核心地位，对于平台的构建至关重要。虚拟实验平台的构建不是一蹴而就的，需通过反馈评价版块不断收集意见和建议来不断完善。