面向網(wǎng)絡(luò)教育人才培養(yǎng)的建筑材料虛擬實驗的建設(shè)與應(yīng)用

田丹

（大連理工大學(xué) 遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院，遼寧 大連 116011）

面向網(wǎng)絡(luò)教育人才培養(yǎng)的建筑材料虛擬實驗的建設(shè)與應(yīng)用

田丹

（大連理工大學(xué) 遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院，遼寧 大連 116011）

網(wǎng)絡(luò)教育中的虛擬實驗是以科學(xué)理論為指導(dǎo)對計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)的綜合運用。建筑材料實驗作為土木工程類專業(yè)的基礎(chǔ)實驗，其虛擬系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)土木工程實驗在時間、空間及人員規(guī)模上的操作限制，擴大了實驗教學(xué)范圍，增強了實驗教學(xué)效果，在網(wǎng)絡(luò)教育實驗教學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的創(chuàng)新。

網(wǎng)絡(luò)教育；人才培養(yǎng)；虛擬實驗；實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是具有工科特色的網(wǎng)絡(luò)教育工作的重要組成部分，在培養(yǎng)在職從業(yè)人員應(yīng)用技能方面發(fā)揮著重要的作用。建筑材料是土木工程類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，也是一門特別強調(diào)實驗教學(xué)的專業(yè)課程，建筑材料的種類繁多以及建筑材料實驗的多樣性和破壞性，使得該課程實驗具有項目多、消耗大、費用高、歷時長、儀器設(shè)備雜和占用場地多等特點[1]。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教育招生規(guī)模的不斷擴大及學(xué)源地域分布的廣泛性使建筑材料實驗成為實驗教學(xué)工作的“瓶頸”，如何解決這一問題，使虛擬實驗的建設(shè)與應(yīng)用成為研究的“熱點”。

一、虛擬實驗的內(nèi)涵及特點

1.虛擬實驗的內(nèi)涵。虛擬實驗是以真實實驗為基礎(chǔ)，利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完成的實驗，其系統(tǒng)一般由傳感器、測控器（或數(shù)據(jù)采集器）、相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件和計算機系統(tǒng)組成，其中計算機系統(tǒng)是數(shù)字化實驗的核心[2]。

2.虛擬實驗的特點。①實驗過程“可視化”，虛擬實驗通過與計算機連接的傳感器實時采集數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了時間上細(xì)微過程的實驗過程數(shù)據(jù)自動記錄，相當(dāng)于用傳感器和計算機代替人眼、手、紙和筆記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的時間連續(xù)性，實現(xiàn)了瞬間變化“可視化”。②實驗設(shè)計“重點化”，虛擬實驗由傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人眼讀取數(shù)據(jù)，用計算機軟件取代紙筆方式手工記錄數(shù)據(jù)，計算機軟件代替人腦對數(shù)據(jù)進行簡單統(tǒng)計、處理和分析，能夠直接把測量數(shù)據(jù)的變化過程通過“待測物理量—時間”圖像直接顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關(guān)系，從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r間和心力用于實驗設(shè)計，用于探究和分析，用于驗證和修改假設(shè)，從而有利于更好地理解概念，掌握規(guī)律。③數(shù)據(jù)采集“智能化”，數(shù)據(jù)采集“智能化”的基礎(chǔ)是計算機信息技術(shù)的應(yīng)用。功能強大的數(shù)據(jù)采集器可以自動把整

個實驗過程中物理量的變化通過高采樣率完整地記錄下來，存儲在數(shù)據(jù)文件中。由于采用計算機自動控制，數(shù)字化實驗?zāi)軌蛟诤芏痰臅r間內(nèi)采集和處理大量的數(shù)據(jù)，并利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理和作圖功能，將數(shù)據(jù)反映成圖像，使實驗結(jié)果更加直觀，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)變化過程與實驗過程同步，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和實時處理。④教學(xué)過程“現(xiàn)代化”，虛擬實驗提供了一種現(xiàn)代化的認(rèn)知工具。認(rèn)知工具是支持、指導(dǎo)、擴展學(xué)習(xí)者思維過程的心理或計算與實驗裝置[3]。

二、建筑材料虛擬實驗的構(gòu)建

1.實驗的設(shè)計思路。建筑材料虛擬實驗的構(gòu)建目標(biāo)是提供網(wǎng)絡(luò)教育實驗教學(xué)的新方式，將建筑材料實驗從實驗室搬到網(wǎng)絡(luò)平臺，使在職人員可通過網(wǎng)絡(luò)平臺做水泥、鋼筋、混凝土、砂漿等多種基本建材實驗，結(jié)合真實實驗，從而更好地達(dá)到建筑材料實驗教學(xué)的目的[4]。

建筑材料虛擬實驗具體內(nèi)容包括：（1）與實驗原理相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以文本的形式導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)平臺。（2）實驗操作步驟利用實際錄像以視頻的形式展現(xiàn)或者用數(shù)碼相機拍攝實驗主要過程圖片加以滾動的字幕表示。（3）利用實驗操作結(jié)果，手動進行數(shù)據(jù)的記錄與處理。

2.實驗的構(gòu)建功能。該虛擬實驗的構(gòu)建功能如圖1所示，主要包括原理規(guī)范、操作演示、視頻演示和實驗報告等內(nèi)容，既包含了教學(xué)大綱中對實驗的基本要求，又建立了輔助教學(xué)和在線交流功能。

圖1 建筑材料虛擬實驗的功能框圖

原理規(guī)范主要介紹了每個實驗的基本原理、實驗依據(jù)、實驗設(shè)備和相應(yīng)的取樣、操作程序，其形式為文本。學(xué)生可以通過在線瀏覽和文檔下載初步掌握實驗的總體過程。操作演示是在實驗原理的基礎(chǔ)上，為剛開始進行實驗操作的學(xué)生設(shè)計的一個作為參考用的實驗指導(dǎo)步驟，采用圖文混合方式，將實驗步驟具體分解，能有效、快速地輔助學(xué)習(xí)者了解該實驗的操作過程，是對實驗的總體指導(dǎo)，其步驟是規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的。視頻演示是整個虛擬實驗的核心，主要包含了水泥、混凝土、砂漿、鋼筋等實驗教學(xué)內(nèi)容的錄像資料。采用真實的設(shè)備、素材進行實驗，以連續(xù)的活動圖像，真實、有序、同步、形象地實現(xiàn)實驗的全過程。通過視頻演示，學(xué)生不僅可以掌握實驗過程、實驗原理，同時也能直觀地掌握儀器設(shè)備的操作技術(shù)。在視頻演示中還特別設(shè)計了局部放大功能，可以讓學(xué)生清晰地觀察到試件在加載過程中的變形狀況及儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄，使得實驗數(shù)據(jù)不失真實，數(shù)據(jù)處理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。實驗報告是通過實驗中的觀察、分析、綜合、判斷，如實地把實驗的全過程和實驗結(jié)果用文字形式記錄下來的書面材料。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺下載實驗報告模板，根據(jù)模板要求填寫實驗數(shù)據(jù)并計算分析得出結(jié)果。輔助教學(xué)和在線交流功能使學(xué)生在實驗過程中遇到的問題疑難點可以向教師請教，教師也可以隨時發(fā)送測試題來檢查學(xué)生的掌握程度。

3.實驗的構(gòu)建資源。（1）引入數(shù)字化儀器，建立實驗硬件環(huán)境，建筑材料虛擬實驗應(yīng)結(jié)合課程特點，創(chuàng)建虛實結(jié)合、以實為主的實驗教學(xué)模式。通過數(shù)字化儀器，提高實驗硬件建設(shè)水平，增強實驗教學(xué)功能，并能夠在數(shù)字化實驗環(huán)境下，完成常規(guī)的實驗任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生基本實驗方法、實驗?zāi)芰?，同時通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)字化實驗環(huán)境擴展出去，使實驗得到有效延伸，大幅度提高實驗設(shè)備的利用率。（2）構(gòu)建以計算機為主體的數(shù)字化實驗平臺，建筑材料虛擬實驗要真正體現(xiàn)出其教學(xué)優(yōu)勢，必須以計算機為主體，構(gòu)建虛擬實驗平臺。一方面計算機作為控制設(shè)備，能充分開發(fā)數(shù)字化儀器的功能，另一方面計算機構(gòu)建起虛擬實驗平臺，學(xué)生可以通過平臺直接進行在線實驗學(xué)習(xí)，在時間和空間上大幅度地拓展了實驗環(huán)境。（3）發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，形成立體化實驗教學(xué)模式，網(wǎng)絡(luò)是建筑材料虛擬實驗的神經(jīng)線，它可以保證數(shù)字化實驗的高效率運行，達(dá)到最佳效果。一方面網(wǎng)絡(luò)把數(shù)字化儀器設(shè)備等硬件資源發(fā)散出去，開展遠(yuǎn)程實驗，充分發(fā)揮數(shù)字化儀器設(shè)備的優(yōu)勢，提高了利用率。另一方面網(wǎng)絡(luò)把虛擬實驗平臺、多媒體課件、實驗輔導(dǎo)資料等軟件資源發(fā)散出去，打破了傳統(tǒng)實驗的時空限制，提高了遠(yuǎn)程實驗學(xué)習(xí)效果。（4）建設(shè)現(xiàn)代化管理手段，保障數(shù)字化實驗順利開展，網(wǎng)上實驗管理可以實時監(jiān)控學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)情況，實現(xiàn)實驗預(yù)約、解惑答疑、報告提交、實驗討論、自我測試等功能，通過批閱學(xué)生的預(yù)習(xí)報告、查看學(xué)生的網(wǎng)上提問和測試結(jié)果，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，便于有針對性地安排輔導(dǎo)。

三、建筑材料虛擬實驗的應(yīng)用效果

1.全面推進了實驗教學(xué)現(xiàn)代化。實驗數(shù)據(jù)的實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析和實時分享使建筑材料實驗環(huán)境無限擴展，同時教學(xué)實驗?zāi)０妗嶒灲Y(jié)果以及實驗報告的電子化，使得教學(xué)評價和教學(xué)指導(dǎo)的模式更加現(xiàn)代化，從而可以進一步促進教學(xué)、優(yōu)化教學(xué)。

2.有效加深了學(xué)生對實驗現(xiàn)象和原理的理解。由于建筑材料虛擬實驗的結(jié)果非常直觀、精確，學(xué)生對許多實驗現(xiàn)象的直接觀察和定量記錄得以實現(xiàn)，對實驗結(jié)果的認(rèn)可度和把握性大大提高，從傳統(tǒng)的死記硬背地機械性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的理解性、探究性學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率和效果也將隨之提高。

3.建筑材料虛擬實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用現(xiàn)代科技的能力。作為未來世界的主人，當(dāng)代學(xué)生需要體驗并實踐各種先進的實驗理念和實驗技術(shù)，數(shù)字化實驗室建設(shè)為學(xué)生個體發(fā)展現(xiàn)代科技素養(yǎng)提供了契機，學(xué)生可以運用各類傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機以及必要的實驗配件等硬件通過開放性的軟件進行各類實驗操作，實驗的綜合性和現(xiàn)代化是空前的。

21世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，建筑材料虛擬實驗作為網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的創(chuàng)新成果具備良好的發(fā)展前景。我們應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)代化技術(shù)，使虛擬實驗在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中發(fā)揮更重要的作用，進一步擴大網(wǎng)絡(luò)教育的規(guī)模。

[1]白振宇.傳統(tǒng)物理實驗的數(shù)字化改進例解與啟示[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2007，（5）：36-37.

[2]郭曉萍，彭實.數(shù)字化教學(xué)實驗系統(tǒng)在探究活動中的應(yīng)用實例[J].教學(xué)儀器與實驗，2006，（5）：6-7.

[3]朱梁權(quán).利用DIS傳感器研究通斷電自感現(xiàn)象[J].物理實驗，2009，（1）：27-29.

[4]李建霞.綜合設(shè)計型實驗教學(xué)方法探索——軟硬件結(jié)合進行數(shù)字實驗教學(xué)[J].教學(xué)研究，2009，（3）：63-67.

G642

A

1674-9324（2014）04-0270-02

田丹（1981-），女，遼寧沈陽人，講師（碩士），主要從事網(wǎng)絡(luò)高等教育教學(xué)研究。