課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法研究

李翔 黨曉楠 王清雯

摘 要：《建筑材料》是高職高專院校建筑工程技術(shù)、建筑材料檢測(cè)技術(shù)、工程造價(jià)及工程管理的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課?！督ㄖ牧稀氛n程涵蓋大量材料性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備眾多。這需要學(xué)院能夠配置數(shù)量眾多的實(shí)驗(yàn)儀器，以滿足實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，這對(duì)于一般高職院校而言，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。本文創(chuàng)新地采用了課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，該方法不僅可達(dá)到理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的雙重目的，亦可解決教學(xué)資源短缺的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著，學(xué)生對(duì)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的滿足度達(dá)到95%。

關(guān)鍵詞：建筑材料 分階段 網(wǎng)絡(luò)虛擬 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TU50 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（c）-0159-04

Abstract： "Building Materials" is an important professional basic course for building engineering technology， building materials testing technology， engineering cost and project management in higher vocational colleges. The "Building Materials" course covers a wide range of material performance testing experiments and requires a large number of experimental equipment. This requires the college to be able to configure a large number of experimental instruments to meet the actual experimental teaching tasks， which is almost impossible for general vocational colleges. This paper innovatively adopts the method of network virtual experiment teaching in and out of class. This method can not only achieve the dual purposes of theoretical teaching and experimental teaching， but also solve the practical problem of shortage of teaching resources. The experimental teaching effect is remarkable， and the students' satisfaction with the innovative experimental teaching method reaches 95%.

Key Words： Building materials； Staged； Network virtual； Experimental teaching

《建筑材料》是高職高專院校建筑工程技術(shù)、建筑材料檢測(cè)技術(shù)、工程造價(jià)及工程管理專業(yè)的一門重要的專業(yè)課[1]。該課程介紹了常見建筑材料的基本概念、性質(zhì)以及檢測(cè)方法，對(duì)今后其他專業(yè)課程的學(xué)生起到搭建基礎(chǔ)的作用，讓學(xué)生對(duì)建筑材料的概念、產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景及應(yīng)用領(lǐng)域有了基本了解[2]。同時(shí)，可為今后從事建筑材料實(shí)驗(yàn)工作的學(xué)生提供一定的理論知識(shí)及基本實(shí)驗(yàn)技能。

1 傳統(tǒng)《建筑材料》課程教學(xué)活動(dòng)中存在的主要問(wèn)題

隨著社會(huì)的發(fā)展，教學(xué)手段及教學(xué)方法日新月異，教學(xué)改革的方向需要符合高職高專教學(xué)的本質(zhì)，即引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，確保在《建筑材料》的課程教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高[3]。在筆者看來(lái)，《建筑材料》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，儀器設(shè)備的不齊全是需直面的問(wèn)題。這是由于《建筑材料》教材講述的不同建筑材料檢測(cè)方法多達(dá)三十幾種，涉及內(nèi)容包括材料基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、建筑鋼材實(shí)驗(yàn)、水泥技術(shù)性能實(shí)驗(yàn)、混凝土骨料實(shí)驗(yàn)、普通混凝土稠度、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、建筑砂漿稠度、分層度、抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、燒結(jié)普通紅磚抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，石油瀝青實(shí)驗(yàn)，木材實(shí)驗(yàn)等[4]。材料涉及的種類繁多，檢測(cè)方法差異性巨大。這需要學(xué)院能夠配置數(shù)量眾多的實(shí)驗(yàn)儀器，以滿足實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，這對(duì)于一般的高職院校而言，是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，以鎮(zhèn)江市高等專科學(xué)校為例，《建筑材料》課程的實(shí)驗(yàn)課時(shí)為48學(xué)時(shí)，在實(shí)際教授過(guò)程中學(xué)生只能獨(dú)立動(dòng)手參與12個(gè)實(shí)驗(yàn)。部分重點(diǎn)、難點(diǎn)的材料檢測(cè)方法無(wú)法完成教學(xué)計(jì)劃，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中留下遺憾。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)、仿真技術(shù)與多媒體技術(shù)的迅速崛起與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立已成為可能，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室就是融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用虛擬技術(shù)在外觀上模仿現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備，再利用仿真技術(shù)模擬元器件的自身特性及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能，并能真切地反映實(shí)驗(yàn)流程與步驟的一種虛擬實(shí)驗(yàn)室[5]。學(xué)習(xí)者能通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)虛擬儀器進(jìn)行操作，達(dá)到像現(xiàn)實(shí)中操作真實(shí)儀器相同的目的。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室在很大程度上可輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)獨(dú)特的教學(xué)環(huán)境，從根本上改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)的方式發(fā)生了革命性的變化。目前關(guān)于《建筑材料》課程的虛擬仿真軟件亦可從相關(guān)廠家購(gòu)買，但虛擬實(shí)驗(yàn)軟件價(jià)格普遍昂貴，由于軟件版權(quán)問(wèn)題，學(xué)生無(wú)法自行在私人電腦上安裝該軟件；換言之，虛擬實(shí)驗(yàn)具有空間局限性，普遍需要在學(xué)校仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然受限于實(shí)際教學(xué)課時(shí)。只有對(duì)高職院?！督ㄖ牧稀氛n程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效改革，采用可簡(jiǎn)便安裝、零付費(fèi)、易編程的模擬軟件實(shí)現(xiàn)建筑材料的性能模擬，才可達(dá)到理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的雙重目的，同時(shí)也解決了教學(xué)資源短缺的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2 課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

如何讓學(xué)生更多地參與教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有效地利用有限的教學(xué)課時(shí)，是亟待解決的問(wèn)題，也是教學(xué)改革的重點(diǎn)方向。課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)方法的引入，或在一定程度上解決了該問(wèn)題，可讓學(xué)生更多地了解實(shí)驗(yàn)原理以及影響材料檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因素。課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)方法基于的理念是實(shí)現(xiàn)課內(nèi)、課外的分段教學(xué)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生通過(guò)教學(xué)視頻了解某種材料的檢測(cè)原理及方法，教師同步講授影響該種材料性能測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵性因素，讓學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識(shí)。同時(shí)，教師提供破解版仿真軟件Matlab 7.0，學(xué)生自帶筆記本電腦實(shí)現(xiàn)軟件的下載、安裝、運(yùn)行以及誤差反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的編程。最后，教師提供模擬訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)以及需要仿真模擬的樣本數(shù)據(jù)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)模擬仿真，認(rèn)真學(xué)習(xí)，達(dá)到初步實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。課后，教師提供需要模擬仿真的樣本數(shù)據(jù)，學(xué)生課后需再次實(shí)現(xiàn)樣本的模擬仿真，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

由于提供模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)是將影響材料檢測(cè)結(jié)果的各個(gè)因素進(jìn)行了量化，讓學(xué)生再次回顧實(shí)驗(yàn)操作的流程以及原理，加深了對(duì)該材料檢測(cè)方法的了解，達(dá)到了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。相比較目前流行的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，該教學(xué)方法不受空間與時(shí)間的限制。同時(shí)，學(xué)生自帶筆記本電腦，仿真軟件只需通過(guò)一次下載即可永久使用。由于仿真軟件的編程方式相同，只需要一次教授即可掌握，極大提高了教學(xué)效率，讓學(xué)生在有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)中可對(duì)多種材料的性能進(jìn)行虛擬仿真。

3 分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法教學(xué)實(shí)例

混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)是《建筑材料》課程重點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但因?yàn)殒?zhèn)江市高等?？茖W(xué)校剛開設(shè)建工、建材以及安監(jiān)專業(yè)，相關(guān)的制樣設(shè)備以及檢測(cè)設(shè)備尚未配套齊全。因此，采用課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)法可以實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。模擬實(shí)驗(yàn)采用的UCI的Concrete Compressive Strength的數(shù)據(jù)集[6]，該數(shù)據(jù)集可以簡(jiǎn)單地從網(wǎng)絡(luò)上下載。數(shù)據(jù)集中包含了1030組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由9個(gè)參數(shù)組成，輸入層個(gè)數(shù)為8個(gè)，輸出層個(gè)數(shù)為1個(gè)。前7個(gè)參數(shù)為每立方米混凝土中各種配料的含量，即水泥含量、高爐礦渣粉含量、粉煤灰含量、水含量、減水劑含量、粗集料含量以及細(xì)集料含量，第8個(gè)參數(shù)為制備試樣在恒溫恒濕條件下的放置天數(shù)，輸出參數(shù)為抗壓強(qiáng)度。在虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，從1030個(gè)數(shù)據(jù)組中選擇部分作為訓(xùn)練組，部分作為預(yù)測(cè)組。同時(shí)，可以看出，每個(gè)輸入層的參數(shù)都對(duì)混凝土最終的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了至關(guān)重要的作用，也是教材中需要讓學(xué)生努力記憶、掌握的部分。通過(guò)軟件模擬預(yù)測(cè)，可讓學(xué)生真正理解每個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)混凝土的影響，加深教材知識(shí)點(diǎn)的記憶。

在課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，首先，學(xué)生在自己的電腦中安裝免費(fèi)的Matlab 7.0軟件，并跟從教師學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本編程程序，具體的編程過(guò)程可以參考文獻(xiàn)[7，8]。其次，通過(guò)觀看視頻了解抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)方法，隨后教師將數(shù)據(jù)集復(fù)制給各位同學(xué)。最后，學(xué)生跟從教師進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)定、訓(xùn)練以及具體的仿真過(guò)程，達(dá)到熟練掌握材料性能預(yù)測(cè)的目的。課后，學(xué)生還需回顧仿真步驟，對(duì)教師提供的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬訓(xùn)練，得到仿真結(jié)果，填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生對(duì)部分樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，可以看出模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)集中給定的實(shí)測(cè)值很接近，說(shuō)明該方法具有廣泛的實(shí)用性。

4 課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生滿意

由于采用了課內(nèi)外分階段教學(xué)方法，有效提高了教學(xué)效率。本?！督ㄖ牧稀氛n程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)為48課時(shí)，在實(shí)際的教授過(guò)程中，我們利用有限16個(gè)課時(shí)完成了7種建筑材料性能檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)。在該課程授課即將結(jié)束時(shí)，我們采用了網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問(wèn)卷的方式了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)變革的適應(yīng)性、滿意度以及相關(guān)的建議。實(shí)際發(fā)出調(diào)查問(wèn)卷22份，回收問(wèn)卷22份。問(wèn)卷調(diào)查的結(jié)果顯示學(xué)生對(duì)課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的總體滿意度達(dá)到了95%以上。學(xué)生給予的建議是希望能夠?qū)ζ渌稍趯?shí)驗(yàn)室測(cè)試獲得的材料性能也能進(jìn)行模擬仿真。這也是今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)改革方向，將實(shí)踐與理論進(jìn)行結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

5 展望

付費(fèi)、易仿真的Matlab 7.0軟件可實(shí)現(xiàn)《建筑材料》課程的課內(nèi)外分階段網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。Matlab 7.0軟件中包含BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型工具箱，可簡(jiǎn)單調(diào)用，該模型的仿真編程程序簡(jiǎn)單、易懂、可操作性強(qiáng)，只需要提供部分樣本進(jìn)行訓(xùn)練，即可滿足預(yù)測(cè)的目的。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)軟件的安裝與編程步驟，在課后自行免費(fèi)安裝該軟件，安裝方法簡(jiǎn)便，易于操作。學(xué)生根據(jù)老師提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬編程，獲得預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并與老師提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。該教學(xué)方法獲得學(xué)生的認(rèn)可，在高職高專院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的情況下，是可以選擇的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

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