高職院校建筑工程專業仿真教具及模型的自主研發探討

易斌

【摘 要】以高職院校建筑工程專業為例，探討仿真教具及模型的自主研發，以解決教學資源配置不足的問題，從而帶動實踐教學課程改革工作，提高教師的科研動手能力。

【關鍵詞】高職 仿真技術 仿真教具 自主研發 課程改革

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0150-02

教學教具及模型在課程實踐中的應用是一個信息傳遞的過程，現代教學傳遞信息的常規教學輔助工具比較多，如掛圖、實物模型、多媒體等。而實物模型能反映物體真實的外觀、變化和運動過程，特別直觀，尤其對于高職學生來說意義重大。教學教具及模型的使用，一方面可以讓學生親自制作模型，激發培養學生的學習興趣，為學生創造操作活動情境，加深對專業構造的了解；另一方面這些教具及模型作為其他專業課的教學輔助工具在教學中也廣泛得以應用。

一、研發仿真教具的意義

建筑工程技術專業是一個實踐性很強的工科專業，實踐教學環節（尤其是現場實習）占很大的比重，是提高專業人才動手能力、專業素質和創新能力的關鍵途徑與手段。目前，全國各高職院校開設土木建筑類專業較多，也不同程度地構建了自己的校內外實訓基地，開展了各種認知類、實操類的實訓項目。但是，建筑專業實踐教學開展實體實訓要求建筑物規模較大、投入資金較多、學生實訓時間較長等，使得現有實訓條件無法滿足教學要求。

開展以校內模擬工程環境為背景、基于仿真技術的建筑工程類專業實訓教學改革，不僅可以很好地滿足人才培養的需求，還可以在一定程度上解決教學資源配置不足的問題。

第一，職業教育對提高學生專業素養、培養動手能力的客觀要求。受到專業實訓條件限制，高職院校的建筑實訓往往顧慮較多，安全、成本、時間等方面都無法做到平衡。有了仿真實物教具，實訓時間可以更靈活，安全也有保障，耗材不貴，創造了強化專業實踐訓練的基礎。

第二，培養教師科研開發與專業實踐能力的有效手段。研發仿真實物教具的過程，實際上也是專業課老師深入了解實訓項目、工程材料，分析結構力學，掌握成本的過程，特別是對于年輕教師來說意義尤其重大，是一次很好的專業實踐能力的鍛煉。

第三，優化實訓資源、降低教學成本的理想途徑。每一所學校的實訓資源有限、資金有限，仿真實物教具大批量生產，一次性采購，大大降低了教學運營成本，是每個學校管理者都盼望的。

二、研發仿真實物教具的設計思路和方法

（一）研發設計的思路

通過與合作單位的研究與開發，將建筑工程技術施工的項目轉化為室內仿真模擬實訓系統產品，形成系統化、產業化的開發，并運用到教學實踐當中去。

1.真正讓學生通過仿真模擬實訓系統產品動手，進一步消化建筑施工工藝理論知識，強化動手能力，加深對建筑工程技術施工內容的理解。

2.采用本課題研發產品，可部分替代真實實訓，不受氣候、場地、耗材的影響，不存在真實實訓帶來的安全問題，在專業教室內就可以做到教、學、做一體化。

總之，設計開發一系列仿真模擬實訓產品，將室外大型、真實實訓項目模擬化、小型化、室內化、模型化，盡量降低實訓成本，一定程度解決了建筑類實訓的困惑，它是一種輔助性的教學產品，具有深遠的實際意義。

（二）研發設計的原則

1.教具可周轉使用，以降低實訓教學成本?？紤]一部分教學實訓材料都是一次性使用，對于班級多學生人數多的實訓來說，耗材投入比較大，必須考慮成本。

2.簡化教具構造，以方便在室內實訓使用。仿真教具不同于真品的地方，就在于學生實訓安排在室內，學生實訓時間有限，要想完成相關實訓工作量，必須方便使用。

3.教具模塊化，以提高學生操作效率。教具的模塊化，可以降低采購成本、維護成本。

（三）研發設計的方法

1.將對應真品實物進行比例縮小，采用常見的規格尺寸即可。以標準磚為例，真品實物為粘土燒結而成，標準尺寸為240×115×53 mm；可以縮小為原物的1/2，配套標準磚為半磚、2/3磚，即可滿足常規砌筑組砌工藝的實訓要求；對于磚之間的水泥砂漿灰縫，可采用白色泡沫進行仿真，學生只需要按照實物灰縫尺寸進行裁割即可，為方便拆除，可不用膠粘劑粘結。

2.將某些對應真品的構造進行改造，采用更加利于拆拼的方法。以腳手架體系為例，對應真品采用的是48×3.5 mm的鋼管，外加三種扣件進行拼裝而成；而這些顯然不方便縮小比例仿真，需要采用一種更加有利于學生在室內進行快速拆拼的結構；于是決定采用簡化桿件、不銹鋼螺栓連接的方案，

3.將對應真品實物的材質進行替換，采用更加低成本的膠合板、硬質塑料板以及更加耐用的烤漆鋼管。

以模板為例，要求學生根據所給圖紙進行尺寸計算、制作，而對應真品采用的是18 mm厚竹膠板或者鋼板制成，不利于學生在實訓臺上迅速裁割；經過大量材料比較分析，決定采用方便加工的木質三厘板。

（四）研發設計的過程

第一步：充分調查研究教學所需教具的用途，確定開發深度，詳細列出相應功能要求、成本要求。從建筑專業課程典型項目入手，確定砌筑工程、腳手架工程、鋼筋工程、模板工程等這些教具是必需的，適合微縮從而方便搬到室內進行仿真實訓，而且成本較低，有些還可以循環使用。

第二步：走訪建材市場，了解對應真品實物及材料規格、品種、價格；分析對應真品實物構造，確定哪些參數可以借鑒、哪些必須改造。通過調查和實物拆解發現，實際工程中的對應真品并非可以簡單微縮而成，一是構造復雜了微縮不方便大批量制作，二是成本原因導致材料不能照搬。因此，必須自己設計改造，但是又不能變化太大，否則失去仿真的初衷，學生使用起來真實感也降低。

第三步：初步設計仿真教具方案，確定構造、材質、尺寸，繪制構件草圖和組裝圖。有了初步設計方案，也只是一個比較模糊的概念。在繪制草圖的中，特別是結構細節和組裝方面，遇到了當初不曾預想到的地方，也是通過不斷修改完善才定稿。整個過程都采用了CAD軟件進行二維和三維的手段。

第四步：委托專業廠家進行仿真教具樣品加工。有了加工藍圖，還需要跟專業教學儀器生產廠家技術員進一步溝通，最終才能下單加工。

第五步：完成仿真教具樣品的試用、修改、定型。教具樣品出來之后，研發團隊始終堅持“實用、好用、安全”的原則，反復試用，總結經驗，修改圖紙，再生產，再定型。

（五）研發設計的具體內容

選取建筑工程技術施工實訓的若干項目（例如砌筑工程施工、腳手架工程施工、模板制作安裝施工、鋼結構廠房結構安裝施工等），將大型施工實訓工具與材料進行微縮，做成可讓學生動手完成的、可反復拆裝的、系統化的教學用具，施工技術實訓項目模擬化，移到室內完成相關建筑類實訓項目。

1.砌筑工程施工項目：可用微縮的砌塊完成仿真砌筑墻體。

2.腳手架工程施工項目：可用微縮的腳手架按圖紙、比例搭設仿真腳手架體系。

3.模板制作安裝施工項目：可用微縮的木模板按圖紙、比例搭設仿真整層樓的梁、板、柱模板體系。

4.鋼結構廠房結構安裝施工項目：可用微縮的鋼構件和工具按圖紙、比例搭設鋼結構廠房。

5.其他仿真施工項目。

三、研發仿真實物教具的成果和影響

（一）研發推動教學改革的發展

1.有了這些仿真教具，可以把部分不宜開展的大型建筑施工工藝實訓搬到室內，有效開展砌筑仿真實訓、腳手架搭設與拆除仿真實訓、模板制作與安裝仿真實訓、鋼筋加工與綁扎仿真實訓等。

2.有了這些仿真教具，可以配置較少的師資，緩解了專業課老師較缺乏的現狀。在室內的仿真實訓中，老師只需要講解實訓要領、演示實訓過程、考核實訓成果即可。老師的精力與時間可以更多用在教學設計、課程改革等方面。

3.有了這些仿真教具，可以拓展更多的專業課實訓項目，例如施工組織平面設計實訓、工程識圖實訓、房屋構造模型制作實訓等。

（二）提高了教師的科研水平

在自制教具過程中，根據教具的不同，為了達到更好的演示和教學效果，往往會采用一些較為先進的技術手段，這就要求教師不斷學習新知識、掌握新技術。對于年輕的專業課教師來說，本身就是一個極好的鍛煉機會。仿真教具研發出來了，老師們的動手能力和科研水平都有了較大提高。以腳手架體系為例，老師們的理解僅僅限于書本上的介紹，沒有深入了解桿件和腳手架板的弊端。通過研發，才真正發現問題、想方設法解決問題。

（三）極大提高了學生學習積極性

將仿真教具投入實踐教學中，學生普遍反映良好。在分組完成各類課堂實訓、集中實訓時，手腦并用，有成就感。不僅鍛煉了動手能力，還提高了識圖水平，收到了較好的教學效果。

（四）研發帶來了其他附加成果

不僅完成了砌體砌塊、鋼筋、木模板等常見實訓教具，也產生了若干項實用新型發明專利，分別為仿真拼裝式腳手架桿件、腳手架板、便攜式吊錘、激光吊錘、臨時圍護欄桿、多功能坡度檢測器等。在這個基礎上，還擬定了一整套相應的仿真教具實訓指導書，完成仿真教學實訓的實踐標準化。

結合建筑工程專業實訓的教學仿真模型，是一種重要的教學輔助工具。模型的設計效果必須能反映建筑工程的構造、結構、受力特點、施工工藝、使用過程等方面。隨著建筑工程的發展，將會出現很多新的結構形式、構造方法，因此模型的設計也會不斷發展。同時，制作模型的新材料在不斷增加，制作工具和工藝也在不斷提高和改進，教學模型的制作會越來越簡單，模型的樣式會越來越多樣。

仿真教具的自主研究與設計過程，帶動了本專業的實踐教學課程改革工作，產生了一批實用新型專利發明成果，同時教師的科研動手能力也得到了提高，是一次很有意義的探索，值得推廣。

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【作者簡介】易 斌（1967- ），男，在職研究生，柳州鐵道職業技術學院教研室主任兼專業負責人，副教授，高級工程師。

（責編 黎 原）