土木工程專業實驗教學之虛實結合—以土木工程材料實驗為例

金龍 蘇州科技大學土木工程實驗中心

一、實驗教學現狀

《土木工程材料》是土建類專業的一門實操性很強的基礎課程，實驗教學通過水泥、混凝土、鋼筋、瀝青等實驗使學生掌握常用土木工程材料的實驗方法和質量評定方法，同時加深對理論知識的理解，提高分析問題和解決問題的能力。土木工程材料種類繁多，由于養護需要等原因導致實驗周期較長，學生不能全過程多角度深入感受和學習專業知識，缺乏實驗體驗。同時實驗內容更新慢，限于實驗條件、組織管理等因素，現有實驗主要通過指導教師的現場講述和操作示范說明實驗內容、方法及注意事項，然后學生分組進行實驗，機械性地重復老師的操作，不利于學生創新能力的培養。

二、虛實結合，相互補充，能實不虛

為拓展實驗及實踐教學的深度和廣度，切實提高實驗教學質量，國家教育部在2013年正式開展了國家級虛擬仿真實驗教學的教育中心建設，為土木工程專業教育帶來了重要影響，使得高校在培養學生專業能力時，能夠通過虛擬仿真實驗的方式與現場實踐進行互補。利用計算機的虛擬情境，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，通過“虛”的模擬達到“實”的目的，將土木工程材料實驗進行全過程演示及操作，并融入到學生課前預習、課后實踐的環節中，使學生得到實驗教學的直觀感受，加深對所學知識的理解記憶，有效地幫助學生建立起感性認識，補充線下實驗教學的不足，提高教學質量。2020年的新冠疫情更加凸顯了線上虛擬仿真實驗教學的重要性。

“虛”是指通過計算機技術發展的線上實驗教學形式，它可以是交互式的，也可以是演示體驗式的，學生可以在逼真直觀的場景中開展實驗活動，達到學習目的。以混凝土實驗為例，可以借助計算機虛擬仿真，全過程實施實驗項目，免去了混凝土養護、拆模等周期長工作量大的步驟，提高了實驗教學的效率，盡可能減少了實驗成本和潛在的實驗危害。“實”則是通過線下真實實驗，借助設備、場地、材料等實現教學目標，通過實操性更強的線下實驗，學生可以親身感受實驗的每一個步驟，享受實驗的樂趣，同時會體驗線上實驗教學中可能不會出現的具體問題，如混凝土表面出現的麻面、蜂窩等缺陷，提高學習的深度和廣度，培養發現問題和解決問題的能力。“虛”、“實”二者相互結合，形成了實體實驗內容和虛擬實驗內容的相互補充，保證了實驗內容的完整性，提高了實驗教學質量。二者不是相互的重復，如同一個實驗項目，可以做一個實體可實現項目，同時做一個虛擬實驗項目作為課外預習和復習的內容，相得益彰。

虛擬仿真實驗教學模式通過信息化平臺在原有實體實驗的基礎上，避免了土木工程專業實驗教學成本高、消耗多、可操作性低等問題，創新了教學思維和方式，彌補了實體實驗地點不可及、時間不可及、教學量不可及、成本不可及等難以解決的問題。但二者之間如何恰當地進行比例調配仍是一個不斷動態變化的過程，應該視實際需要和使用效果而定，結合地區發展水平、高校人才培養方案、課程性質、行業發展特點等進行調節，目前尚無一致的依據。

對于實驗教學項目來說，既要有實體實驗項目，又要有虛擬實驗項目，能夠做到實體體驗項目的盡量不做虛擬實驗。以土木工程材料實驗中的材料密度實驗為例，學生可以應用簡單的李氏密度瓶就可以快速完成，該實驗不涉及危險操作且成本消耗也不大，亦不屬于大型或綜合性實驗項目，屬于能“實”的范疇，那么大可不必開展虛擬實驗，切勿因虛廢實。

三、存在的問題和思考

1.實驗教師是開展實驗教學的首要保障，目前高校實驗師作為教輔人員存在，關注度較低，學校應加強對實驗崗教師的人才隊伍建設，提高實驗崗教師待遇，形成穩定、高質量的實驗教學隊伍，保證虛擬仿真實驗教學的質量。

2.高校應根據教育部文件精神，結合自身學科特點，加強虛擬仿真實驗中心建設，建立相應的教學資源，健全實驗室管理制度，加強校企合作。

3.高校應促進實驗教學改革，創建一批內容新穎、工程意義突出、應用背景明確的特色實驗項目，如土木工程材料實驗可結合工程實際，開展材料外加劑實驗、材料生態環保實驗。

4.定期召開實驗室技術人員教學經驗交流會，不斷改進實驗教學方法，加強與兄弟院校之間的交流聯系，實現資源共享，取長補短。

四、結論

虛擬仿真實驗教學促進了土木工程專業傳統實驗教學理念、方法的變革，在實驗教學中具有較強的優勢，是對工程實際狀況的有益補充。其與線下實驗教學相結合，激發了學生探索知識的興趣，強化了對學生工程素質的培養，有利于培養學生的創新能力。土木工程專業實驗教學應堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”原則，拓展實驗教學的深度和廣度，提高實驗教學質量。