开放教育建筑类课程虚拟仿真实验教学探究

武瑞娟

(河南开放大学，郑州 450016)

随着设备和信息技术的发展，远程教育在现代教育中所占的比重越来越大，它帮助学习者摆脱了地域和时间的限制，为自主学习提供了便利，逐渐成为了大多数学习者获得知识的主要途径之一[1-2]，这些特点和优势刚好弥补了开放教育工学矛盾突出，时空分离，学生专业基础水平参差不齐的短板[3]。基于信息技术的虚拟仿真技术解决了传统开放教育建筑类课程实验教学中由于条件、时间、经济、安全等方面的制约而导致学生实践操作做不好、做不了、做不上的难题[4-6]。

1 开放教育虚拟仿真实验教学改革的必要性

课程是人才培养的核心要素，是教育的微观问题，解决的却是战略大问题[7]。课程是立德树人这一人才培养根本标准的具体化、操作化和目标化[8]，一门好的课程能够反映出前沿性和时代性，教学形式能呈现出先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化[9]，可以实现知识能力和素质的有机融合，能够培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。在线和远程教育作为开放教育的主要教学形式，其教学形式主要依赖于课程学习资源的设计和传送。由于没有传统课程的教师面授，课程资源便成为了教学环节必不可少的重要内容，要利用课程资源帮助学生在非课堂环境下管理好自己的学习，完成课程学习任务，熟练课程技能。建筑类专业具有大量实践操作类课程，要在现代远程开放教育的条件下使土建专业实践教学环节能够顺利完成，保证开放教育的质量。

2 开放教育学生的特点

开放教育学生多数在接受学校专业教育同时还有工作要兼顾，学生所在地比较分散，较难组织起来进行集中授课，时空分离，工学矛盾突出，他们希望能够通过网络、虚拟仿真等现代信息技术来获取相应知识和实践技能。

2.1 学生的专业知识水平参差不齐

开放教育的部分学生已经从事了与建筑专业相关的工作，他们具有一定的专业实践经验和专业基础知识，希望通过系统学习能够获得更专业、规范的知识和实践技能，使学习有侧重点和针对性，进而提高工作效率。而有些学生是刚接触建筑类专业，知识水平和专业知识均较为薄弱，此类学生希望先学习专业基础知识和基本技能，然后再有针对性地学习相关专业实践技能，逐渐提升工作能力。

2.2 不同工作岗位对实践知识技能的学习需求不同

同一个班级的学生对于同一门课程的要求会因为学生从事不同岗位而不同，工程造价岗位的学生希望学习更多关于预算软件的使用操作，施工管理岗位的学生希望学习更多关于施工组织设计的内容和管理技能。对于学生的差异化需求，传统的课程教学和实践教学模式无法满足。

3 建筑类课程特点

建筑类施工用仪器设备多为大型设备，操作具有一定不便，价格高，部分学校缺少相关的实验实训仪器设备。随着科学技术的快速发展，仪器设备的自动化、信息化水平越来越高，设备更新换代周期缩小，学校仪器设备的更换速度赶不上技术发展进步的速度，学生不了解新技术、新材料、新工艺和新仪器设备[10]。

建筑类实践实训设备的操作需要大型场所，学校很难和施工现场一样配备成套系统设备供学生操作，还需考虑到实践操作过程中学生的人身安全。随着建筑规模的大型化、智能化、复杂化，对建筑专业学生的工程实践能力也提出了更高要求。但受条件、时间、场地和安全方面的限制，学生很难获得现场实践机会，使得学生的施工实践技能欠缺，安全意识淡薄，施工现场应变能力不足。

4 虚拟仿真实验教学系统设计

在建筑产业现代化、信息化发展的背景下，应立足当前建筑专业人才培养的社会需求[11]，结合开放教育学生的分散性，知识结构和岗位需求的差异性，学生学习的工学矛盾突出和时空分离的特点来探索基于信息化技术的虚拟仿真实验实训教学模式，提高学生的分析能力、动手实践能力和综合应用能力[12]，补齐建筑类课程实训教学的短板。

传统实验实训教学模式中，教师和平台更像是一个演示者和信息传送者，教师将制作和建设好的课程教学资源传到教学平台，然后学生阅读学习资源，获得相关知识。但建筑类课程的实验实训项目较多，学生无法一一进行实践操作学习，在传统的课程教学模式中学生更多的是被动接收。而虚拟仿真技术能够将课程教学资源的创建和使用融为一体，融入新信息技术的虚拟仿真教学资源模式更像是个工具，能够以知识共享的方式制订开放教育课程的教学资源和教学模式，学生可以使用这些工具来创建自己的学习内容，不再是一个被动的接受者。课程教学目的不是向学生提供一堆知识内容，而是允许学生根据工作和未来发展需要来选择适合自己的开放数据源，并利用平台提供的算法运算这些数据，然后把所得到的结果用于自己所需。

本研究以建筑工程造价专业为依托，以能实不虚、以虚补实、虚实结合为原则，教师和校企合作单位利用知识共享的方式形成了在线虚拟仿真开放教育资源，设计出了虚拟仿真实验教学系统，打造出了理论与实践、学习与使用的一体化虚实结合实验实训教学模式，使学生能够验证已知、发现新知、探索未知。

5 建筑工程造价虚拟仿真实训系统的总体架构和功能架构

5.1 总体架构

建筑工程造价虚拟仿真实训系统的总体架构包括云实验室、教师端、企业端和用户端，总体架构如图1所示。

云实验室是整个系统的核心部分，包括虚拟实验仪器、教师信息、学生信息、企业工程数据信息等，这些信息在权限范围内可供用户进行查询和浏览，同时也可以汇总生成大数据系统。在基本知识技能学习环节，教师要对学生的学习进行测评，并根据大数据信息精准分析不同学生的基本技能掌握情况，实现因材施教。学生也可以根据大数据信息分析自己的知识技能掌握情况，以巩固优势，弥补劣势。学生可以在任何有网络的地方不受时间和地域限制来进行学习、工作及研究创新，并将创新开发的成果用于生产当中。

图1 总体架构Fig.1 General framework

企业端主要用于企业工程实际案例信息的导入以及实际在建工程的实时数据跟踪访问。实训仿真系统的所有软件和实际工程中使用的软件是一样的，企业能够获得在建工程的实时情况并对其进行监督检验和检查改进。学生通过对企业工程实况进行观察，并模拟操作练习，能够增强理论与实践之间的联系，缩短知识与岗位技能之间的差距，提升学生的职业技能，为学生接下来进行的创新开发打下基础。

教师和学生可以利用创新开发系统完成实际项目的工程计量与计价、招投标报价等工作，对试验创意和创新想法进行科学研究模拟，并将自己的科研创新成果转化成产品，提升校企合作的积极性。这是一个对现有教学内容、教学方式、教学组织的颠覆性突破，在未来将深刻改变传统的实验实训教学形态。

5.2 功能架构

建筑工程造价虚拟仿真实训系统的功能架构包括云教学系统、仿真实训平台、研究创新试验开发系统，用于教师辅助实训教学，学生虚拟仿真练习、用户研究创新开发这几方面，功能架构如图2所示。

图2 功能结构Fig.2 Functional structure

5.2.1 云教学系统

教师课程内容讲解以企业的实际工程数据为基础设置，融合了课程知识技能的典型案例，案例内容还原实况，学生可通过3D模型查看、互动等功能来了解案例细部构造及属性信息。可对开放学生、高职学生和高职扩招学生进行混编分组，让学生充分发挥各自优势，共同完成实验设计，并验证虚拟仿真实验与实体实验是否一致或有何差距。

5.2.2 仿真实训平台

建筑类专业实训课程涉及高危条件和不可及、不可逆的施工过程，高成本、高消耗，超大型工程项目难以进行真实实验，一旦出错将产生巨大危险。根据建筑类专业课程特点，虚拟仿真实验教学采用了容错式实训教学模式，学生先通过教学平台进行自主学习，通过技能实训考核测评后再进行仿真实训平台操作，通过操作熟悉技能和施工过程。一旦学生在操作过程中出现操作错误，系统就会产生错误后果警示，提示学生修正错误操作，查找问题，解决问题。错误操作的危害警示可以提高学生施工的安全意识和操作规范性，加深对施工操作技能的掌握和对施工工艺的理解。在设计虚拟仿真实验项目时，为加强学生之间的互动，可将同专业不同类型学生混合，设置实验小组，加强对学生团队协作能力的培养[13-14]。实验项目始终以学生为主体，学生可利用实训仿真平台协作完成实训内容，提高学生的课程参与度。教育的目的不仅仅是传授知识内容，更重要的是培养学生的自主学习和探究创新能力。

5.2.3 研究创新试验开发系统

教育内容和资源的制订与建设是一个持续过程，无须直接形成某个具体的建设工程或建设成果。在创新研究系统中，教师可以进行科学研究，学生或其他资源系统使用者可以根据不同目的和环境在原有资源系统中融入自己的创意和想法，然后提供给资源建设者，是否接受修改由资源建设者决定，也可以在此基础上进行创新开发研究，并将这些成果和产品转化为工程实体供创新者使用，丰富资源形式和内容。

促使学习发生的不是观看或浏览内容，而是使用内容。随着虚拟仿真、云技术的出现，学习形式也发生了变化。教师和合作企业将实时数据应用于实际或将局部数据用于学生(其他用户)的实践技能培训和模拟练习上，将学生的学习重心从内容转移到资源的应用上。课堂上或学习环境中的学习内容与实际工作岗位所使用的内容是相同的。例如，学生所使用的Revit软件与工程企业所使用的Revit是一样的，其数据来自开放性工程数据网络。

6 结语

实验实训教学在建筑类专业人才培养中发挥了重要作用，但受时间、场地、经济和安全限制，难以实现。开放教育学生的学习时间呈碎片化，学习地点过于分散，集中的实验实训教学难以开展。而建筑工程远程虚拟仿真实验室集远程实验学习、远程实验教学管理、远程试验创新开发于一体，学生利用PC机、平板电脑或手机就可进行操作学习。可将高职在校生、开放教育生及扩招生组成混编讨论小组，充分利用各类学生的优势，扬长补短，提高学生的学习参与度。开放教育建筑类课程虚拟仿真实验教学打破了学习方式、时间和地点的局限，让学生可以更加系统、全面地掌握实践技能，拓宽学科视野，提高学生的综合实践能力、信息化素养和创新能力。