開放教育建筑類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

武瑞娟

(河南開放大學(xué)，鄭州 450016)

隨著設(shè)備和信息技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程教育在現(xiàn)代教育中所占的比重越來越大，它幫助學(xué)習(xí)者擺脫了地域和時間的限制，為自主學(xué)習(xí)提供了便利，逐漸成為了大多數(shù)學(xué)習(xí)者獲得知識的主要途徑之一[1-2]，這些特點(diǎn)和優(yōu)勢剛好彌補(bǔ)了開放教育工學(xué)矛盾突出，時空分離，學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)水平參差不齊的短板[3]?；谛畔⒓夹g(shù)的虛擬仿真技術(shù)解決了傳統(tǒng)開放教育建筑類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于條件、時間、經(jīng)濟(jì)、安全等方面的制約而導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐操作做不好、做不了、做不上的難題[4-6]。

1 開放教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是教育的微觀問題，解決的卻是戰(zhàn)略大問題[7]。課程是立德樹人這一人才培養(yǎng)根本標(biāo)準(zhǔn)的具體化、操作化和目標(biāo)化[8]，一門好的課程能夠反映出前沿性和時代性，教學(xué)形式能呈現(xiàn)出先進(jìn)性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化[9]，可以實(shí)現(xiàn)知識能力和素質(zhì)的有機(jī)融合，能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。在線和遠(yuǎn)程教育作為開放教育的主要教學(xué)形式，其教學(xué)形式主要依賴于課程學(xué)習(xí)資源的設(shè)計和傳送。由于沒有傳統(tǒng)課程的教師面授，課程資源便成為了教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少的重要內(nèi)容，要利用課程資源幫助學(xué)生在非課堂環(huán)境下管理好自己的學(xué)習(xí)，完成課程學(xué)習(xí)任務(wù)，熟練課程技能。建筑類專業(yè)具有大量實(shí)踐操作類課程，要在現(xiàn)代遠(yuǎn)程開放教育的條件下使土建專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)能夠順利完成，保證開放教育的質(zhì)量。

2 開放教育學(xué)生的特點(diǎn)

開放教育學(xué)生多數(shù)在接受學(xué)校專業(yè)教育同時還有工作要兼顧，學(xué)生所在地比較分散，較難組織起來進(jìn)行集中授課，時空分離，工學(xué)矛盾突出，他們希望能夠通過網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)來獲取相應(yīng)知識和實(shí)踐技能。

2.1 學(xué)生的專業(yè)知識水平參差不齊

開放教育的部分學(xué)生已經(jīng)從事了與建筑專業(yè)相關(guān)的工作，他們具有一定的專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)基礎(chǔ)知識，希望通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)能夠獲得更專業(yè)、規(guī)范的知識和實(shí)踐技能，使學(xué)習(xí)有側(cè)重點(diǎn)和針對性，進(jìn)而提高工作效率。而有些學(xué)生是剛接觸建筑類專業(yè)，知識水平和專業(yè)知識均較為薄弱，此類學(xué)生希望先學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識和基本技能，然后再有針對性地學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)實(shí)踐技能，逐漸提升工作能力。

2.2 不同工作崗位對實(shí)踐知識技能的學(xué)習(xí)需求不同

同一個班級的學(xué)生對于同一門課程的要求會因?yàn)閷W(xué)生從事不同崗位而不同，工程造價崗位的學(xué)生希望學(xué)習(xí)更多關(guān)于預(yù)算軟件的使用操作，施工管理崗位的學(xué)生希望學(xué)習(xí)更多關(guān)于施工組織設(shè)計的內(nèi)容和管理技能。對于學(xué)生的差異化需求，傳統(tǒng)的課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)模式無法滿足。

3 建筑類課程特點(diǎn)

建筑類施工用儀器設(shè)備多為大型設(shè)備，操作具有一定不便，價格高，部分學(xué)校缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，儀器設(shè)備的自動化、信息化水平越來越高，設(shè)備更新?lián)Q代周期縮小，學(xué)校儀器設(shè)備的更換速度趕不上技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的速度，學(xué)生不了解新技術(shù)、新材料、新工藝和新儀器設(shè)備[10]。

建筑類實(shí)踐實(shí)訓(xùn)設(shè)備的操作需要大型場所，學(xué)校很難和施工現(xiàn)場一樣配備成套系統(tǒng)設(shè)備供學(xué)生操作，還需考慮到實(shí)踐操作過程中學(xué)生的人身安全。隨著建筑規(guī)模的大型化、智能化、復(fù)雜化，對建筑專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力也提出了更高要求。但受條件、時間、場地和安全方面的限制，學(xué)生很難獲得現(xiàn)場實(shí)踐機(jī)會，使得學(xué)生的施工實(shí)踐技能欠缺，安全意識淡薄，施工現(xiàn)場應(yīng)變能力不足。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

在建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展的背景下，應(yīng)立足當(dāng)前建筑專業(yè)人才培養(yǎng)的社會需求[11]，結(jié)合開放教育學(xué)生的分散性，知識結(jié)構(gòu)和崗位需求的差異性，學(xué)生學(xué)習(xí)的工學(xué)矛盾突出和時空分離的特點(diǎn)來探索基于信息化技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，提高學(xué)生的分析能力、動手實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力[12]，補(bǔ)齊建筑類課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的短板。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式中，教師和平臺更像是一個演示者和信息傳送者，教師將制作和建設(shè)好的課程教學(xué)資源傳到教學(xué)平臺，然后學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)資源，獲得相關(guān)知識。但建筑類課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目較多，學(xué)生無法一一進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)，在傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式中學(xué)生更多的是被動接收。而虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒄n程教學(xué)資源的創(chuàng)建和使用融為一體，融入新信息技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)資源模式更像是個工具，能夠以知識共享的方式制訂開放教育課程的教學(xué)資源和教學(xué)模式，學(xué)生可以使用這些工具來創(chuàng)建自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容，不再是一個被動的接受者。課程教學(xué)目的不是向?qū)W生提供一堆知識內(nèi)容，而是允許學(xué)生根據(jù)工作和未來發(fā)展需要來選擇適合自己的開放數(shù)據(jù)源，并利用平臺提供的算法運(yùn)算這些數(shù)據(jù)，然后把所得到的結(jié)果用于自己所需。

本研究以建筑工程造價專業(yè)為依托，以能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合為原則，教師和校企合作單位利用知識共享的方式形成了在線虛擬仿真開放教育資源，設(shè)計出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，打造出了理論與實(shí)踐、學(xué)習(xí)與使用的一體化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，使學(xué)生能夠驗(yàn)證已知、發(fā)現(xiàn)新知、探索未知。

5 建筑工程造價虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能架構(gòu)

5.1 總體架構(gòu)

建筑工程造價虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括云實(shí)驗(yàn)室、教師端、企業(yè)端和用戶端，總體架構(gòu)如圖1所示。

云實(shí)驗(yàn)室是整個系統(tǒng)的核心部分，包括虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、教師信息、學(xué)生信息、企業(yè)工程數(shù)據(jù)信息等，這些信息在權(quán)限范圍內(nèi)可供用戶進(jìn)行查詢和瀏覽，同時也可以匯總生成大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在基本知識技能學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師要對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行測評，并根據(jù)大數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)分析不同學(xué)生的基本技能掌握情況，實(shí)現(xiàn)因材施教。學(xué)生也可以根據(jù)大數(shù)據(jù)信息分析自己的知識技能掌握情況，以鞏固優(yōu)勢，彌補(bǔ)劣勢。學(xué)生可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方不受時間和地域限制來進(jìn)行學(xué)習(xí)、工作及研究創(chuàng)新，并將創(chuàng)新開發(fā)的成果用于生產(chǎn)當(dāng)中。

圖1 總體架構(gòu)Fig.1 General framework

企業(yè)端主要用于企業(yè)工程實(shí)際案例信息的導(dǎo)入以及實(shí)際在建工程的實(shí)時數(shù)據(jù)跟蹤訪問。實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)的所有軟件和實(shí)際工程中使用的軟件是一樣的，企業(yè)能夠獲得在建工程的實(shí)時情況并對其進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)和檢查改進(jìn)。學(xué)生通過對企業(yè)工程實(shí)況進(jìn)行觀察，并模擬操作練習(xí)，能夠增強(qiáng)理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系，縮短知識與崗位技能之間的差距，提升學(xué)生的職業(yè)技能，為學(xué)生接下來進(jìn)行的創(chuàng)新開發(fā)打下基礎(chǔ)。

教師和學(xué)生可以利用創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)完成實(shí)際項(xiàng)目的工程計量與計價、招投標(biāo)報價等工作，對試驗(yàn)創(chuàng)意和創(chuàng)新想法進(jìn)行科學(xué)研究模擬，并將自己的科研創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，提升校企合作的積極性。這是一個對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)組織的顛覆性突破，在未來將深刻改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)形態(tài)。

5.2 功能架構(gòu)

建筑工程造價虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能架構(gòu)包括云教學(xué)系統(tǒng)、仿真實(shí)訓(xùn)平臺、研究創(chuàng)新試驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，用于教師輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生虛擬仿真練習(xí)、用戶研究創(chuàng)新開發(fā)這幾方面，功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure

5.2.1 云教學(xué)系統(tǒng)

教師課程內(nèi)容講解以企業(yè)的實(shí)際工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)置，融合了課程知識技能的典型案例，案例內(nèi)容還原實(shí)況，學(xué)生可通過3D模型查看、互動等功能來了解案例細(xì)部構(gòu)造及屬性信息?？蓪﹂_放學(xué)生、高職學(xué)生和高職擴(kuò)招學(xué)生進(jìn)行混編分組，讓學(xué)生充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計，并驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)是否一致或有何差距。

5.2.2 仿真實(shí)訓(xùn)平臺

建筑類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程涉及高危條件和不可及、不可逆的施工過程，高成本、高消耗，超大型工程項(xiàng)目難以進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，一旦出錯將產(chǎn)生巨大危險。根據(jù)建筑類專業(yè)課程特點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用了容錯式實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，學(xué)生先通過教學(xué)平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過技能實(shí)訓(xùn)考核測評后再進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)平臺操作，通過操作熟悉技能和施工過程。一旦學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)操作錯誤，系統(tǒng)就會產(chǎn)生錯誤后果警示，提示學(xué)生修正錯誤操作，查找問題，解決問題。錯誤操作的危害警示可以提高學(xué)生施工的安全意識和操作規(guī)范性，加深對施工操作技能的掌握和對施工工藝的理解。在設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，為加強(qiáng)學(xué)生之間的互動，可將同專業(yè)不同類型學(xué)生混合，設(shè)置實(shí)驗(yàn)小組，加強(qiáng)對學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)[13-14]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目始終以學(xué)生為主體，學(xué)生可利用實(shí)訓(xùn)仿真平臺協(xié)作完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，提高學(xué)生的課程參與度。教育的目的不僅僅是傳授知識內(nèi)容，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究創(chuàng)新能力。

5.2.3 研究創(chuàng)新試驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)

教育內(nèi)容和資源的制訂與建設(shè)是一個持續(xù)過程，無須直接形成某個具體的建設(shè)工程或建設(shè)成果。在創(chuàng)新研究系統(tǒng)中，教師可以進(jìn)行科學(xué)研究，學(xué)生或其他資源系統(tǒng)使用者可以根據(jù)不同目的和環(huán)境在原有資源系統(tǒng)中融入自己的創(chuàng)意和想法，然后提供給資源建設(shè)者，是否接受修改由資源建設(shè)者決定，也可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)研究，并將這些成果和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為工程實(shí)體供創(chuàng)新者使用，豐富資源形式和內(nèi)容。

促使學(xué)習(xí)發(fā)生的不是觀看或?yàn)g覽內(nèi)容，而是使用內(nèi)容。隨著虛擬仿真、云技術(shù)的出現(xiàn)，學(xué)習(xí)形式也發(fā)生了變化。教師和合作企業(yè)將實(shí)時數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際或?qū)⒕植繑?shù)據(jù)用于學(xué)生(其他用戶)的實(shí)踐技能培訓(xùn)和模擬練習(xí)上，將學(xué)生的學(xué)習(xí)重心從內(nèi)容轉(zhuǎn)移到資源的應(yīng)用上。課堂上或?qū)W習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)內(nèi)容與實(shí)際工作崗位所使用的內(nèi)容是相同的。例如，學(xué)生所使用的Revit軟件與工程企業(yè)所使用的Revit是一樣的，其數(shù)據(jù)來自開放性工程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)在建筑類專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，但受時間、場地、經(jīng)濟(jì)和安全限制，難以實(shí)現(xiàn)。開放教育學(xué)生的學(xué)習(xí)時間呈碎片化，學(xué)習(xí)地點(diǎn)過于分散，集中的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)難以開展。而建筑工程遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室集遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、遠(yuǎn)程試驗(yàn)創(chuàng)新開發(fā)于一體，學(xué)生利用PC機(jī)、平板電腦或手機(jī)就可進(jìn)行操作學(xué)習(xí)。可將高職在校生、開放教育生及擴(kuò)招生組成混編討論小組，充分利用各類學(xué)生的優(yōu)勢，揚(yáng)長補(bǔ)短，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。開放教育建筑類課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了學(xué)習(xí)方式、時間和地點(diǎn)的局限，讓學(xué)生可以更加系統(tǒng)、全面地掌握實(shí)踐技能，拓寬學(xué)科視野，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、信息化素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。