數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用與展望

摘要：文章系統(tǒng)分析數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用，通過構(gòu)建“課堂教學(xué)—實(shí)踐教學(xué)—資源建設(shè)”三位一體的數(shù)字化教育體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效能顯著提升。多媒體教學(xué)使混凝土水化反應(yīng)等抽象概念具體化呈現(xiàn)，而虛擬實(shí)驗(yàn)室顯著降低了實(shí)驗(yàn)耗材成本，智能分析軟件助推學(xué)生研究成果SCI/EI收錄率得到極大提升。研究表明，技術(shù)應(yīng)用需突破教師數(shù)字素養(yǎng)斷層與學(xué)生自適應(yīng)學(xué)習(xí)瓶頸的雙重挑戰(zhàn)。提出“AIoT+區(qū)塊鏈”融合方案，構(gòu)建全球教育資源聯(lián)盟鏈，以提升跨國設(shè)備共享率和聯(lián)合科研立項(xiàng)數(shù)量。實(shí)證表明，該模式使材料選型決策效率提升40%，畢業(yè)生工程問題診斷準(zhǔn)確率達(dá)76%，為建筑教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了理論框架與實(shí)踐范式。

關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；建筑材料科學(xué)；多媒體教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；智能分析軟件

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）20-0-03

在全球建筑業(yè)智能化與碳中和轉(zhuǎn)型背景下，建筑材料科學(xué)教育面臨傳統(tǒng)教學(xué)模式與行業(yè)技術(shù)迭代的顯著脫節(jié)。盡管虛擬仿真、大數(shù)據(jù)等技術(shù)已滲透教學(xué)環(huán)節(jié)，但現(xiàn)有研究多聚焦單一技術(shù)應(yīng)用，缺乏系統(tǒng)化的教育生態(tài)構(gòu)建。當(dāng)前的痛點(diǎn)體現(xiàn)為：微觀材料表征教學(xué)抽象化導(dǎo)致部分學(xué)生存在認(rèn)知斷層，實(shí)驗(yàn)安全約束限制眾多高危項(xiàng)目開展，跨國工程案例資源獲取時(shí)效性差［1］。本研究突破技術(shù)堆砌式改革路徑，創(chuàng)新性提出“教育神經(jīng)網(wǎng)”概念，即通過AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)教學(xué)全要素?cái)?shù)字化映射，依托區(qū)塊鏈構(gòu)建跨國資源信任體系，運(yùn)用數(shù)字孿生破解高危實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境，并基于一些高校的實(shí)證數(shù)據(jù)構(gòu)建轉(zhuǎn)型框架。本研究價(jià)值在于，理論上完善了數(shù)字化教育生態(tài)構(gòu)建方法論，實(shí)踐上形成了可復(fù)制的“標(biāo)準(zhǔn)—平臺—服務(wù)”協(xié)同模式，為培養(yǎng)適應(yīng)智能建造時(shí)代的復(fù)合型人才提供了解決方案。

1 數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中展現(xiàn)出多維度的革新價(jià)值：通過三維材料微觀結(jié)構(gòu)可視化、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺等技術(shù)手段，能夠顯著增強(qiáng)混凝土水化反應(yīng)、復(fù)合材料界面效應(yīng)等抽象知識點(diǎn)的教學(xué)直觀性；依托在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS）構(gòu)建的混合式教學(xué)模式，既能實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的全球化共享與個(gè)性化推送，又能通過學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)診斷學(xué)情。然而，其應(yīng)用仍面臨雙重挑戰(zhàn)：教師端存在技術(shù)迭代壓力與資源甄別負(fù)擔(dān)，學(xué)生端則暴露出自主探究能力斷層和數(shù)字化學(xué)習(xí)適應(yīng)性差異。要想破解這些問題，需構(gòu)建“教師數(shù)字素養(yǎng)提升—智能資源庫建設(shè)—學(xué)生元認(rèn)知能力培養(yǎng)”協(xié)同發(fā)展機(jī)制，通過開發(fā)AI輔助備課系統(tǒng)，降低教師的技術(shù)負(fù)荷，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)建立分級資源認(rèn)證體系，結(jié)合PBL項(xiàng)目制教學(xué)優(yōu)化學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)策略，從而推動(dòng)建筑材料科學(xué)教育向“技術(shù)賦能—數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)—能力導(dǎo)向”的新范式轉(zhuǎn)型。

2 數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

2.1.1 多媒體教學(xué)的系統(tǒng)化整合

多媒體教學(xué)通過集成投影系統(tǒng)、交互式觸控屏及數(shù)字內(nèi)容管理平臺，構(gòu)建多模態(tài)知識呈現(xiàn)體系，實(shí)現(xiàn)了建筑材料科學(xué)教學(xué)效能的顯著提升?；诓牧峡茖W(xué)特性，教師可利用掃描電鏡圖像動(dòng)態(tài)解析混凝土孔隙結(jié)構(gòu)演化過程，結(jié)合BIM模型演示復(fù)合材料在荷載作用下的應(yīng)力分布，使抽象理論具象化。教學(xué)實(shí)踐表明，采用三維動(dòng)態(tài)模型展示水泥水化反應(yīng)，可使學(xué)生對概念的理解效率提升45%，課堂測試正確率提高28%［2］。這種視聽融合的教學(xué)方式，不僅突破了傳統(tǒng)板書的空間局限性，還通過多感官刺激深化了學(xué)生對材料相變、界面效應(yīng)等核心知識的理解。

2.1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的沉浸式訓(xùn)練

依托虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）引擎與物理仿真算法，構(gòu)建建筑材料虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性與可拓展性雙重突破。學(xué)生通過穿戴HTC Vive Pro設(shè)備，可操作虛擬萬能試驗(yàn)機(jī)完成鋼材拉伸實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并標(biāo)注屈服點(diǎn)、頸縮階段等關(guān)鍵參數(shù)，誤差率控制在3%以內(nèi)［3］。該平臺支持20類典型建材實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化重構(gòu)，包括混凝土碳化模擬、瀝青流變特性測試等高風(fēng)險(xiǎn)或高成本項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)耗材成本降低62%，同時(shí)消除高溫高壓環(huán)境的潛在安全隱患。追蹤數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過5次虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室操作規(guī)范達(dá)標(biāo)率提升至91%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組的67%。

2.1.3 在線互動(dòng)平臺的生態(tài)化構(gòu)建

基于Moodle平臺搭建建筑材料科學(xué)專屬在線教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，集成課程資源庫、智能評測系統(tǒng)與協(xié)作學(xué)習(xí)空間三大功能模塊。教師端采用SCORM標(biāo)準(zhǔn)封裝超200個(gè)微課單元，涵蓋從骨料級配原理到智能建材應(yīng)用的全知識鏈；學(xué)生端通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)路徑推薦算法，可獲得個(gè)性化學(xué)習(xí)方案，系統(tǒng)監(jiān)測顯示學(xué)生知識盲點(diǎn)識別準(zhǔn)確率達(dá)82%。實(shí)時(shí)協(xié)作功能支持多團(tuán)隊(duì)同步開展混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)競賽，平臺內(nèi)置的ANSYS仿真接口可直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。疫情期間教學(xué)數(shù)據(jù)顯示，該平臺使師生互動(dòng)頻次增加3.2倍，作業(yè)提交及時(shí)率提升至95%，構(gòu)建起突破時(shí)空約束的持續(xù)性學(xué)習(xí)閉環(huán)。

2.2 在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

2.2.1 數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)化重構(gòu)

基于有限元分析（FEA）與離散元（DEM）耦合算法，構(gòu)建建筑材料多尺度仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持水泥水化過程分子動(dòng)力學(xué)模擬、混凝土碳化進(jìn)程預(yù)測等18類典型實(shí)驗(yàn)的數(shù)字孿生。學(xué)生通過ABAQUS界面設(shè)定骨料級配、環(huán)境溫濕度等參數(shù)，可實(shí)時(shí)觀測材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展規(guī)律，系統(tǒng)自動(dòng)生成應(yīng)力云圖與損傷演化曲線，模擬誤差率控制在2%以內(nèi)。實(shí)踐表明，經(jīng)過10學(xué)時(shí)仿真訓(xùn)練的學(xué)生，實(shí)體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理率提升至89%，較傳統(tǒng)教學(xué)組提高37個(gè)百分點(diǎn)。平臺內(nèi)置的DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊，支持學(xué)生自主開展正交試驗(yàn)優(yōu)化，年均產(chǎn)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案126項(xiàng)。

2.2.2 遠(yuǎn)程實(shí)踐的生態(tài)化協(xié)同

依托“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，建立“高?！髽I(yè)—檢測機(jī)構(gòu)”三方聯(lián)動(dòng)的遠(yuǎn)程實(shí)踐平臺。通過部署360°全景攝像頭與AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)系統(tǒng)，學(xué)生可實(shí)時(shí)觀摩預(yù)拌混凝土智能生產(chǎn)線運(yùn)作，并參與高強(qiáng)鋼筋智能檢測等12類實(shí)踐項(xiàng)目。平臺集成騰訊會議企業(yè)版功能，支持跨國時(shí)區(qū)協(xié)同，近兩年累計(jì)組織學(xué)生參與中建國際、拉法基豪瑞等企業(yè)的34個(gè)海外工程項(xiàng)目遠(yuǎn)程研討，63%的參與者掌握了EN 206混凝土標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用能力。

2.2.3 智能分析軟件的系統(tǒng)化賦能

開發(fā)建筑材料性能分析專業(yè)軟件套件，包含CT掃描數(shù)據(jù)三維重構(gòu)模塊、時(shí)溫等效原理預(yù)測工具等六大功能系統(tǒng)。學(xué)生導(dǎo)入混凝土抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，軟件自動(dòng)進(jìn)行Weibull分布擬合與耐久性評級，生成包含28項(xiàng)指標(biāo)的AI診斷報(bào)告。深度集成Python開源庫，支持學(xué)生自定義本構(gòu)模型，如在瀝青流變特性分析中，通過修改Burgers模型參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同改性劑效果的量化對比。教學(xué)應(yīng)用表明，使用該軟件進(jìn)行畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，數(shù)據(jù)可視化達(dá)標(biāo)率為100%，研究成果被SCI/EI收錄的比例提升至21%。

2.3 在教育資源建設(shè)中的應(yīng)用

2.3.1 智能數(shù)字化教材的體系化開發(fā)

基于EPUB3.0標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建建筑材料科學(xué)智能教材系統(tǒng)，集成動(dòng)態(tài)3D模型、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)注等交互模塊。教材平臺內(nèi)置學(xué)習(xí)行為追蹤算法，可依據(jù)學(xué)生章節(jié)測試結(jié)果自動(dòng)推送微課視頻與針對性習(xí)題，使知識內(nèi)化效率提升35%。教師端配備AI備課助手，可快速生成混凝土配合比計(jì)算、材料耐久性評估等12類情境化教學(xué)案例庫，教案準(zhǔn)備時(shí)間縮短60%。應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，采用該教材的班級，學(xué)生課堂參與度提升至92%，復(fù)雜概念掌握周期縮短2.8天［4］。

2.3.2 云端教育資源庫的生態(tài)化運(yùn)營

依托阿里云平臺搭建建筑材料科學(xué)專業(yè)資源庫，構(gòu)建“MOOCs+SPOC+虛擬教研室”三級資源體系。核心資源層收錄MIT OpenCourseWare等國際課程132門、國內(nèi)金課47門，實(shí)現(xiàn)雙語資源全覆蓋；實(shí)踐資源層集成全球典型工程案例庫與虛擬實(shí)驗(yàn)資源包；社區(qū)層開發(fā)材料創(chuàng)新協(xié)作空間，支持多校團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展綠色建材研發(fā)項(xiàng)目，年均產(chǎn)出專利23項(xiàng)。資源庫采用區(qū)塊鏈存證技術(shù)確保知識產(chǎn)權(quán)，通過智能標(biāo)簽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源檢索準(zhǔn)確率98%，日均訪問量突破1.2萬人次，形成持續(xù)生長的教育資源生態(tài)圈。

2.3.3 建筑材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫的深度賦能

基于SQL Server與Python構(gòu)建建筑材料多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫，整合ASTM/CSTM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)12萬條、材料全生命周期碳足跡數(shù)據(jù)8.6萬組，以及全球典型失效案例3700例。數(shù)據(jù)庫配備材料基因組計(jì)劃專用接口，支持學(xué)生通過輸入抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等需求參數(shù)，智能推薦5種最優(yōu)材料組合方案。深度開發(fā)模塊提供Jupyter Notebook嵌入式分析環(huán)境，學(xué)生可調(diào)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法開展數(shù)據(jù)挖掘，如通過決策樹模型預(yù)測混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與外加劑摻量的非線性關(guān)系。數(shù)據(jù)庫運(yùn)行兩年間，支撐師生發(fā)表SCI論文47篇，完成企業(yè)委托課題89項(xiàng)，材料選型決策效率提升40%［5］。

3 數(shù)字技術(shù)在建筑材料科學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用展望

3.1 技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)的教學(xué)范式重構(gòu)

建筑材料科學(xué)教育將深度集成AIoT技術(shù)體系，形成“數(shù)據(jù)感知—智能決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”的教學(xué)閉環(huán)?；赥ensorFlow框架構(gòu)建的學(xué)習(xí)分析引擎，可實(shí)時(shí)捕獲學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作軌跡、知識測試反饋等超200個(gè)維度的數(shù)據(jù)，通過LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測個(gè)體學(xué)習(xí)瓶頸，動(dòng)態(tài)調(diào)整VR材料仿真實(shí)驗(yàn)難度系數(shù)?！?G+數(shù)字孿生技術(shù)”將實(shí)現(xiàn)全球典型工程案例的毫米級建模，學(xué)生可通過觸覺反饋手套感知不同骨料配比混凝土的流變特性差異。區(qū)塊鏈賦能的材料數(shù)據(jù)庫，能確保全球12萬種建材性能數(shù)據(jù)的可追溯性，支持跨時(shí)區(qū)協(xié)同研發(fā)。據(jù)預(yù)測，至2025年，這類技術(shù)融合可使教學(xué)資源配置效率提升40%，學(xué)生工程決策能力培養(yǎng)周期縮短30%。

3.2 教育生態(tài)的全球化協(xié)同演進(jìn)

構(gòu)建“MOOCs+SPOC+虛擬教研室”三位一體的混合式教育生態(tài)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的智能適配與全球流通。依托AWS Educate云平臺，建立跨國課程學(xué)分互認(rèn)機(jī)制，支持學(xué)生選修MIT的智能建筑材料等32門國際課程，并計(jì)入本土學(xué)分體系。自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過知識圖譜技術(shù)，為每名學(xué)生生成個(gè)性化能力矩陣，精準(zhǔn)推薦哈佛大學(xué)材料失效分析案例庫等進(jìn)階資源。疫情期間數(shù)據(jù)顯示，采用該模式的院校國際聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計(jì)占比從7%躍升至35%，學(xué)生參與ISO標(biāo)準(zhǔn)修訂研討會的數(shù)量增長4倍，每篇畢業(yè)論文引用國際前沿文獻(xiàn)量提升至8.2篇。

3.3 資源網(wǎng)絡(luò)的智能化共享升級

建立基于聯(lián)盟鏈的建筑材料教育資源共享網(wǎng)絡(luò)，形成“標(biāo)準(zhǔn)—平臺—服務(wù)”協(xié)同體系。采用IEEE 1484.12標(biāo)準(zhǔn)對3D材料顯微結(jié)構(gòu)模型、BIM施工模擬案例等資源進(jìn)行元數(shù)據(jù)封裝，實(shí)現(xiàn)跨平臺無損調(diào)用。智能合約機(jī)制確保原創(chuàng)資源上傳者獲得精準(zhǔn)版權(quán)收益，激發(fā)全球教師貢獻(xiàn)優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的積極性。資源平臺集成Materials Project開源數(shù)據(jù)庫接口，支持學(xué)生直接調(diào)用12萬種虛擬材料進(jìn)行量子級別性能模擬。試運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，該網(wǎng)絡(luò)使院校間實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率從58%提升至89%，跨國聯(lián)合科研項(xiàng)目立項(xiàng)數(shù)增長2.5倍，2023年全球通過該平臺共享的創(chuàng)新教具達(dá)1270項(xiàng)，形成了持續(xù)進(jìn)化的教育資源共享生態(tài)［6］。

4 結(jié)語

研究表明，數(shù)字技術(shù)通過三維重構(gòu)使建筑材料教育質(zhì)效得到了極大提升。課堂教學(xué)方面，VR/AR技術(shù)使實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范達(dá)標(biāo)率從67%提升至91%。實(shí)踐教學(xué)中，有限元仿真系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)方案合理率提高了37個(gè)百分點(diǎn)。資源建設(shè)層面，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫支撐跨國聯(lián)合科研增長2.5倍。關(guān)鍵創(chuàng)新在于建立“數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)—智能診斷系統(tǒng)—全球資源鏈”協(xié)同機(jī)制，使畢業(yè)生材料創(chuàng)新能力得到了極大的提升。未來應(yīng)著力于開發(fā)邊緣計(jì)算賦能的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)備接入延遲問題，以及構(gòu)建建筑材料教育元宇宙，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空沉浸式協(xié)作研發(fā)。同時(shí)，建立基于NFT的數(shù)字資源確權(quán)體系，激發(fā)全球教師資源貢獻(xiàn)的積極性。

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