基于虚拟仿真实训的“建筑材料及检验检测”课程教学研究与实践

颜新宁 徐新星 徐蓝波

（东莞职业技术学院，广东 东莞 523808）

虚拟仿真实验教学是一种将现代信息技术与实验教学深度融合的教学方式［1］，随着虚拟仿真技术的蓬勃发展，根据《国家职业教育行动方案》和《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》，中国教育部在2021年启动了职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设，要求不断提升虚拟现实和人工智能等新一代信息技术在实训教学中的应用水平，搭建以实带虚、以虚助实、虚实结合的虚拟仿真实训系统，解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”的痛点和难点，建设虚拟仿真实训教学管理及资源共享平台，避免教学资源重复建设［2，3］。

美国学者埃德加·戴尔（Edgar Dale）1946年提出了“学习金字塔”（Cone of Learning）的理论（图1）。以语言学习为例，在学习两周后，听讲，阅读，多媒体看和听，示范、回答问题，小组讨论，动手操作，教别人等方式能够记住学习内容的效果。可以看出，不同的学习方法达到的学习效果不同，研究表明在两周之后，学生对知识的保持率为5%～90%［4］。

图1 学习金字塔

陶行知在南开中学以《教学合一》为题进行演讲，将“教学合一”扩展为“教学做合一”［5］。认为“要想教得好，学得好，就须做得好”；“教与学都以做为中心”。其重要性在于教学方法直接影响教学目标能否实现以及实现的程度和效率。

实践显示，线上线下混合式教学有助于加强学生对实验基本技能的掌握，促进学生对实验体系及实践思路的多重思考。实验课程的线上线下混合式教学不仅丰富了实验教学的内涵，而且可促进实验课程的标准化建设及共享应用，是未来实验课程改革的有效途径之一［6］。

项目式教学（Problem-Based Learning，PBL）是基于问题的学习，是一种以问题为基础、以学生为主体的教学方法［7］。教师需要从主讲变成主导，成为组织者、管理者、指导者。在这个过程中，学生所进行的探究、沟通、创新和协作等行为，在欧美发达国家已经得到了广泛的应用，效果良好，是传统教学模式无法触及的，也正是通过这些行为，才使得学生的综合素质有全方位的提升。

如何充分发挥虚拟仿真技术优势，结合校企合作生产性实训，形成虚实结合的实训教学模式，运用“学习金字塔”“做中学，学中做”“教学做合一”等理论，利用混合式教学、以工作过程为导向的项目式教学等教学方法，营造以学生自主学习为中心的氛围，调动学生学习的积极性，提高教学效率和质量，优化课程教学，提升学生技能水平和岗位适应性。本研究以“建筑材料及检验检测”课程实训教学为例，进行研究和探索。

1 “建筑材料及检验检测”课程当前教学情况

1.1 课程定位、教材和实训教学情况

“建筑材料及检验检测”是高职土木建筑类专业开设的重要基础课程，前导课程有“建筑制图”“BIM基础”“建筑构造”等，后继课程有“建筑结构及建筑力学”“建筑施工技术”“建筑工程施工组织设计”“建筑工程质量与安全管理”等。一般教材在绪论之后，介绍建筑材料的基本性质等理论，其后各类材料及检测项目一般按照材料的概念、组成、性质、应用及检测等顺序进行编写。课程中介绍的材料主要包括结构材料、墙体材料、辅助材料三类功能材料，涉及材料种类上百种，每类材料都有国家或行业检测标准，详细介绍常规检测项目40项左右，涉及实训设备种类超过50种。目前有建筑相关专业的高职学校一般会建设一个综合性建筑材料检测实训室，每组5～8人，分5～6组进行实训，部分学校引进检测企业，校企合作开发课程，分组进行生产性实训，实训教学一般能完成水泥、钢筋等5个左右检测项目。

1.2 教学组织和教学方法

“建筑材料及检验检测”课程是理论和实践紧密结合的课程，教学组织一般分为两种形式：一种是先讲理论，学期末组织整周实训；另一种是理实一体化教学，每种建筑材料都先讲理论，然后进行实训或播放实训教学视频或介绍检测标准。理论教学讲材料和应用，实训教学检测材料性能。疫情防控期间，线上教学、慕课、混合式教学也得到了大范围应用。

2 “建筑材料及检验检测”教学存在的问题

“建筑材料及检验检测”教学普遍存在实训课时少、实践机会不足、脱离生产实际、教学做分离、“做中学，学中做”落实不够、教学形式枯燥、考核机制单一等问题，在教学理念、内容、方法、手段、过程、评价等方面存在不足。

2.1 实训教学存在“三高三难”痛点、难点，实训数量不足、教学脱离生产实际

“建筑材料及检验检测”课程涉及的企业实际常规检测试验有40种以上，普遍存在设备种类繁多、数量庞大、数字化智能化设备更新快等问题，学校没有足够的场地和资金来建设所有的项目检测实训室；水泥混凝土的原材料需要的量大，样品数量要求多，材料不能反复利用，产生的废料处理难，钢筋等材料费用高，沥青等材料有毒、气味难闻，“三高三难”问题突出，只能开展少数几个项目检测实训，很难跟上技术和标准的更新，实训教学开展数量和质量存在不足。

在线下实训中，学校实训室与企业生产性检测室在工作环境、检测设备精度管理、检测记录、检测报告等方面差距太大。如企业生产性检测室通过视频监控和数据联网处于政府职能部门监督下，有严格的管理监督制度，检测原始记录表格、检测报告签字需要负法律责任。

2.2 课堂教学存在教学做分离，无法实现“教学做合一”

2.2.1 课堂教学以教师为中心，先讲理论后实训，没有体现“教学做合一”

先讲理论后实训，在上理论课时，会造成以教为中心，容易导致一个课件讲到底，满堂灌，学生对理论学习兴趣不大，能记住的东西有限，学习效果大打折扣，效果不佳，体现不了“做中学，学中做”等理念。一些学校开设了“建筑材料及检验检测”“建筑材料及检验检测实训”两门课程，明显将理论和实训分离。

2.2.2 线上精品网络共享课程缺乏互动性实训，无法实施说、做、教等主动学习模式

目前，线上精品网络共享课程将理论讲解、实训步骤等制作成短视频或音频，并提供课件、图片、检测标准、讨论问题、作业等内容。教学管理平台有比较好的学习统计功能，学生可以按照菜单顺序，选择对应的内容，反复观看、浏览、回答问题、完成作业、参加考试。根据“学习金字塔”理论，整个学习过程还停留在阅读、聆听、观看、回答问题的层面，只能达到30%记忆的效果；没有口述表达、动手操作、教别人环节，无法达到记忆90%的最高水平。

2.3 探索混合式教学改革，“先做后学”模式复制推广难度大

因受新冠疫情影响，线上教学在全国得到了普及，师生已经适应了线上教学的环境和条件，客观上为实施混合式教学提供了一个非常好的机遇。为探索“做中学”教学模式，我们利用混合所有制办学的有利条件，通过进行22个材料检测项目的线下生产性检测实训，走过一条从理论与实训分离，到理论与实践一体化，再到先实训后理论教学探索“做中学”之路，如图2所示。

图2 探索“做中学”教学改革

如东莞职业技术学院建筑学院对该课程进行改革，充分利用混合所有制办学理事单位东莞市建设工程检测中心与建筑学院同处一个大院的优势，将22个材料检测实训，在检测中心6个检测室，由6个企业工程师担任实训指导教师，按照国家标准进行生产性实训教学。经过5年的磨合，解决了企业生产与教学冲突、理论课与实训课教学进程的配合与学情沟通、6名企业实训室教师工作量计算等难题，开发了活页式教材，建立了小规模限制性在线课程（SPOC）课程，进行了混合式教学的探索，如图3所示。课前将实训记录和实训报告上传到线上教学管理平台，课中针对实训中遇到的问题及发生的错误进行研讨，调动了学生学习的积极性，培养了其分工协助能力，提高了教学质量和效果。

图3 基于课前线下实训的混合式教学

但该教学改革在推广应用中，因校企合作条件限制，面对线下实训的“三高三难”问题，在校企合作、教学与生产、课时费和物料成本等方面，许多学校会难以实施，线下先实训后理论教学的“做中学”模式复制推广的难度比较大。

2.4 教材编写按照先理论后实训的模式，无法指导“做中学”行动导向教学改革

在教材编制上，一般形式上基本已按照项目式教学进行编制，但还是保留材料学科分类的痕迹。全书结构，先是绪论，第一个项目是纯基础理论式地系统介绍建筑材料的物理、化学、力学等基本性能，涉及的理论概念和公式比较多，概念抽象，难以理解和掌握。从第二个项目开始，按照材料学科分类，逐一介绍各种材料性能及检测，与建造工作过程不对应。面对一个实际工程项目，学完以后不知道哪些材料什么时候需要检测，怎样取样、送样，哪些性能需要检测，严重脱离了工地的实际要求，不能适应岗位的需要。缺乏真正以工作过程为导向的项目式教学理念编制的教材。

2.5 教师缺乏企业经验，学校缺乏调动教师积极性的机制

学校教师的材料检测技能大部分是由学校检测实训室培养出来的，普遍缺乏一线企业工作经验，实际操作经验不够，不能解决实训中出现的问题，对最新标准的执行情况和要求不明。从传统的教学方法到混合式教学，课前学时没有计入课时，在机制上，学校缺乏鼓励措施和办法。

3 基于虚拟仿真技术在“建筑材料及检验检测”实训教学上的探究

针对上述已进行的改革和存在的问题，基于虚拟仿真实训技术，按照项目式教学要求，开发虚拟仿真资源，编制新形态教材，建设网络共享精品课程，进行混合式教学改革、实训教学做合一等方面内容探究。

3.1 开发虚拟仿真实训资源，达到岗课赛证融合

应用虚拟仿真技术，开发建筑材料及检验检测虚拟仿真实训资源，可以解决目前实训教学过程中“三高三难”的痛点、难点；实现以做为中心，为实施做中学、学中做创造条件，提高学生的学习积极性；为实现混合式教学，以学生自主学习为中心，虚实结合，以虚助实提高教学效率和质量。目前虚拟仿真技术发展迅速，已有一些公司开发了部分材料虚拟仿真检测资源，如广联达科技股份有限公司等企业，实训项目有15～30个，也应用到一些学校的教学中。但在应用上与教学要求有差距，缺项较多，不能形成综合性报告；开发没有与职业院校教师合作，与现有教材不配套，与课堂教学需求和硬件环境不适配，难以推广应用，导致目前实际应用的院校不多。根据建筑工程检测及施工企业的实际和“1+X”建设工程质量技能证书标准要求进行资源开发，达到岗课赛证融合，开发虚拟仿真实训资源是非常必要的。

3.2 对标“1+X”考证、岗位作业要求，校企合作开发虚拟仿真实训资源

对于建筑材料实训项目，可以根据岗位技能需求、考证需求、教学需求进行筹划。解决实训过程中的“三高三难”问题，需要先厘清具体的痛点、难点。建设工程质量检测职业技能等级“1+X”证书（建筑材料方向），是教育部推出的第六批试点项目，材料检测项目考核要求共53项。根据广东省政府职能部门的质量检测站发布的《房屋建筑工程见证取样送检监督工作实施细则作业指导书》检测材料类型23大项、94个检测项目。从教学角度考虑，需要对某一个工程项目的材料和检测进行工作过程整体介绍。我们精选了34个虚拟仿真实训项目（表1），基本覆盖了企业检测项目范围，既能满足考证中线下实操训练要求，又可为大量的社会培训创造有利条件，减小了实施难度，降低了成本，有利于将虚拟仿真技术推广到社会培训中。

表1 已开发虚拟仿真模块和“1+X”考证实操考核要求

3.3 编制以工程项目工作过程为导向的含有虚拟仿真实训的新形态教材

有了虚拟仿真实训资源，如果没有配套的教材，又会回到先理论教学后实训的老路。我们根据多年的教学探索，以在“前导BIM技术基础”课程中，学生建立的学校某一个建筑物模型为例，将工程项目建设工作过程涉及的材料及检测，统领全书项目式教学布局，利用已开发的虚拟仿真实训资源，开展“先实训后理论学习”的混合式教学实践，结合德国职业教育引导文的编写模式，编著新形态活页式教材。教材按照工作手册模式编排，配套实训步骤和实训报告表格，师生可以根据一个任务对应一次2课时的实训内容，组织2课时的理论课内容，按先实训课后理论课的步骤实施混合式教学。

全书根据常用的材料类型，选择了8类材料及其检测作为具体项目，并细分不同的性能检测作为若干个任务，以材料检测的工作过程为导向，按照先做后学、混合式教学步骤编制，安排课前、课中、课后学习内容。每一个任务的6个环节如图4所示。

图4 以工作过程为导向的项目式教学教材编写和实施顺序

（1）检测实训。按照国家或行业标准介绍检测仪器及检测步骤，根据材料检测企业的使用格式，编写原始记录表格和实训报告表格，明确材料检测实训内容，并开发虚拟仿真实训资源34个，制作配套的二维码。教学时扫码可以在管理平台上先完成相关的互动实训，形成实训报告，作为混合式教学的课前学习成果。

（2）引导问题。主要根据检测实训内容和相关知识，提炼出学生需要掌握的一些基本概念和知识作为课前学习的引导问题。

（3）相关知识。按照从做中学的行动导向理论，针对检测试验中涉及的相关内容编写相关知识，并做适当延伸。将材料的相关理论碎片化，融入各个项目，明确做什么、学什么，提高学习质量和效果。通过材料综合性能检测报告，进行知识的整合和连贯。

在相关知识中，将建筑材料的课程思政素材融入各个项目中，将世界八大建筑奇迹中的中国长城、北京奥运会鸟巢、港珠澳大桥、中国基建狂魔、质量安全事故、检测标准和检测步骤、政府监督、熟练的检测技术技能、严谨的数据处理、新材料、新技术等分配到相关项目中，让课程思政元素充满每一个课堂。

（4）小组讨论。利用学校教学管理平台或网络在线精品课程平台或虚拟仿真实训平台，线下组织课堂研讨，根据小组完成的检测实训情况和出现的问题，在教学平台上传线上或线下的检测原始记录和实训报告，设计研讨问题。

总结汇报。上传研讨问题的结果，分小组进行汇报，各组之间进行辩论。

（5）评估。设置评估表格，教师及学生对实训报告、引导问题、讨论汇报等情况进行打分，设置教师评价、组内互评、组间互评、自评等权重，形成学习成果的评价结果。

（6）作业。根据教学中存在的问题，结合“1+X”考证要求，适当扩展知识范围，布置相关作业和虚拟仿真实训。

3.4 基于虚拟仿真实训资源，开发网络共享精品课程

利用已开发的虚拟仿真实训资源，建设网络共享精品课程。在教学设计上，每一个项目按照活页式教材、虚拟仿真实训、相关知识（教学视频、课件、引导问题）、“1+X”考证训练四个模块顺序进行建设，并按照该顺序进行慕课学习。

3.5 基于虚拟仿真实训资源开展混合式教学，实践“学习金字塔”理论教学方法

（1）应用“学习金字塔”理论，开展混合式教学。将虚拟仿真实训资源应用于混合式教学过程中，可以分为课前、课中、课后三个部分，如图5所示。利用学校线上教学管理平台或建立虚拟仿真实训教学管理及资源共享平台，可以实现课前的教学安排，解决虚拟仿真实训资源开放性不足、管理统计不便等常见问题。

图5 基于虚拟仿真实训的混合式教学

应用“学习金字塔”理论中听讲、阅读、观看、回答问题、小组讨论、动手操作、教别人的教学方法，让知识保持率达到90%，提高了学习记忆的效果，实现实践—认识—实践的全过程教学。

（2）使用虚拟仿真资源，解决课前线上课程的互动实训问题。开发虚拟仿真实训资源，在解决“三高三难”问题的同时，可以线上先完成相关的实训，为混合式教学课前进行实训的推广带来突破。

（3）应用新形态教材，减小了混合式教学课程设计的难度。开展混合式教学，配套教材是教学活动的脚本，可以指导师生轻松尝试新的教学方式，是推广混合式教学的关键。教材将每个项目的教学步骤构建成统一的模式，减小了课程设计的难度。学生在虚拟仿真技术和视频学习的支持下，降低了自主学习的难度，锻炼了探索能力，提高了学习的兴趣。

（4）基于教学管理平台，应用PBL模式，解决课堂评估等问题。应用PBL模式，可以课前发布主要研讨问题，将学生进行分组，先设计教师、组内、组间、自评等评分项目及权重。课上学生提交书面研讨意见，并选出代表发言。教师组织现场评分，快速形成学习成果评估总分，作为期末考评的组成部分。

4 优化“建筑材料及检验检测”教学实施效果

经过几年的实践，“建筑材料及检验检测”教学方法和手段不断优化，激发了学生学习的兴趣，锻炼了学生探究问题的能力，学生满意度不断提高（对课程有兴趣的占98%，收获较大的占96%），课堂教学效果好。

4.1 虚拟仿真实训资源实施方便，锻炼了学生的自主探究能力

依托教育部智能建造虚拟仿真实训基地培育项目，“建筑材料及检验检测”虚拟仿真实训资源采用线上管理平台和本地化布置，学生可以在宿舍登录，在虚拟仿真视频的引导下，参考教材提供的检测步骤，自主进行交互性实训，可以完成55个以上的项目实训，极大地方便了开展“做中学”教学，学生自主探究的能力得到提高。

4.2 虚拟仿真实训提高了实施混合式教学的可行性

相比观看视频，能进行互动性实训。相比线下实训，极大地降低了实施难度，为先实训后理论教学、实践“学中做”教学提供了强有力的支撑，为推广混合式教学提供了可行的实践案例。

4.3 突出学生的主体地位，提升了自主学习能力和效率

混合式教学调动了学生学习的主动性，“教学做合一”连贯性好，提高了教学质量和效率。经过“三个课堂”（线上课堂、企业课堂、线下课堂）的学习，提升了实践动手能力，第一次参加“1+X”建设工程质量检测职业技能等级证书考核的通过率达到100%，实现了与职业岗位零距离，满足了学生创新创业与就业发展的需要。

5 结语

根据岗位技能和考证要求，按照国家或行业标准，校企合作开发55个建筑材料检测虚拟仿真实训资源，开展“做中学、学中做”的研究和实践，探索“先做虚拟仿真实训，后进行理论教学和实训”、虚实结合的教学方法。以工程项目工作过程为导向，通过整合实训项目和相关知识，设计PBL研讨问题和评估项目与权限，结合虚拟仿真实训资源视频二维码，按照混合式教学模式编制配套的新形态教材。利用教学管理平台或虚拟仿真实训管理平台，使用智能建造技术虚拟仿真实训基地，制作配套虚拟仿真教学短视频，开发线上共享精品课程，优化课程建设。通过“三教”改革，提炼了教学内容，理顺了课程设计，丰富了教学手段，激发了学习兴趣，提高了教学效率和质量，提升了学生技能和岗位适应性。

开放共享虚拟仿真项目，还能够避免教学资源重复建设，节约教育资金，提高虚拟仿真项目的经济效益。