土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之虛實(shí)結(jié)合—以土木工程材料實(shí)驗(yàn)為例

金龍 蘇州科技大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)中心

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

《土木工程材料》是土建類專業(yè)的一門(mén)實(shí)操性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)水泥、混凝土、鋼筋、瀝青等實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握常用土木工程材料的實(shí)驗(yàn)方法和質(zhì)量評(píng)定方法，同時(shí)加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。土木工程材料種類繁多，由于養(yǎng)護(hù)需要等原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，學(xué)生不能全過(guò)程多角度深入感受和學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，缺乏實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢，限于實(shí)驗(yàn)條件、組織管理等因素，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)指導(dǎo)教師的現(xiàn)場(chǎng)講述和操作示范說(shuō)明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及注意事項(xiàng)，然后學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，機(jī)械性地重復(fù)老師的操作，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛

為拓展實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，國(guó)家教育部在2013年正式開(kāi)展了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育中心建設(shè)，為土木工程專業(yè)教育帶來(lái)了重要影響，使得高校在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力時(shí)，能夠通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐進(jìn)行互補(bǔ)。利用計(jì)算機(jī)的虛擬情境，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，通過(guò)“虛”的模擬達(dá)到“實(shí)”的目的，將土木工程材料實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全過(guò)程演示及操作，并融入到學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后實(shí)踐的環(huán)節(jié)中，使學(xué)生得到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀感受，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解記憶，有效地幫助學(xué)生建立起感性認(rèn)識(shí)，補(bǔ)充線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。2020年的新冠疫情更加凸顯了線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。

“虛”是指通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，它可以是交互式的，也可以是演示體驗(yàn)式的，學(xué)生可以在逼真直觀的場(chǎng)景中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，達(dá)到學(xué)習(xí)目的。以混凝土實(shí)驗(yàn)為例，可以借助計(jì)算機(jī)虛擬仿真，全過(guò)程實(shí)施實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，免去了混凝土養(yǎng)護(hù)、拆模等周期長(zhǎng)工作量大的步驟，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，盡可能減少了實(shí)驗(yàn)成本和潛在的實(shí)驗(yàn)危害?！皩?shí)”則是通過(guò)線下真實(shí)實(shí)驗(yàn)，借助設(shè)備、場(chǎng)地、材料等實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)實(shí)操性更強(qiáng)的線下實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以親身感受實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟，享受實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，同時(shí)會(huì)體驗(yàn)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可能不會(huì)出現(xiàn)的具體問(wèn)題，如混凝土表面出現(xiàn)的麻面、蜂窩等缺陷，提高學(xué)習(xí)的深度和廣度，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力?！疤摗?、“實(shí)”二者相互結(jié)合，形成了實(shí)體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的相互補(bǔ)充，保證了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完整性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。二者不是相互的重復(fù)，如同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以做一個(gè)實(shí)體可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，同時(shí)做一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為課外預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的內(nèi)容，相得益彰。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通過(guò)信息化平臺(tái)在原有實(shí)體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，避免了土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、消耗多、可操作性低等問(wèn)題，創(chuàng)新了教學(xué)思維和方式，彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不可及、時(shí)間不可及、教學(xué)量不可及、成本不可及等難以解決的問(wèn)題。但二者之間如何恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行比例調(diào)配仍是一個(gè)不斷動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，應(yīng)該視實(shí)際需要和使用效果而定，結(jié)合地區(qū)發(fā)展水平、高校人才培養(yǎng)方案、課程性質(zhì)、行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前尚無(wú)一致的依據(jù)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，既要有實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又要有虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠做到實(shí)體體驗(yàn)項(xiàng)目的盡量不做虛擬實(shí)驗(yàn)。以土木工程材料實(shí)驗(yàn)中的材料密度實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的李氏密度瓶就可以快速完成，該實(shí)驗(yàn)不涉及危險(xiǎn)操作且成本消耗也不大，亦不屬于大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，屬于能“實(shí)”的范疇，那么大可不必開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)，切勿因虛廢實(shí)。

三、存在的問(wèn)題和思考

1.實(shí)驗(yàn)教師是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首要保障，目前高校實(shí)驗(yàn)師作為教輔人員存在，關(guān)注度較低，學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)崗教師的人才隊(duì)伍建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)崗教師待遇，形成穩(wěn)定、高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

2.高校應(yīng)根據(jù)教育部文件精神，結(jié)合自身學(xué)科特點(diǎn)，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)，建立相應(yīng)的教學(xué)資源，健全實(shí)驗(yàn)室管理制度，加強(qiáng)校企合作。

3.高校應(yīng)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，創(chuàng)建一批內(nèi)容新穎、工程意義突出、應(yīng)用背景明確的特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如土木工程材料實(shí)驗(yàn)可結(jié)合工程實(shí)際，開(kāi)展材料外加劑實(shí)驗(yàn)、材料生態(tài)環(huán)保實(shí)驗(yàn)。

4.定期召開(kāi)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，加強(qiáng)與兄弟院校之間的交流聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)資源共享，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

四、結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)了土木工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、方法的變革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是對(duì)工程實(shí)際狀況的有益補(bǔ)充。其與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生探索知識(shí)的興趣，強(qiáng)化了對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”原則，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。