基于虛擬仿真實訓的“建筑材料及檢驗檢測”課程教學研究與實踐

顏新寧 徐新星 徐藍波

（東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808）

虛擬仿真實驗教學是一種將現代信息技術與實驗教學深度融合的教學方式［1］，隨著虛擬仿真技術的蓬勃發展，根據《國家職業教育行動方案》和《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023年）》，中國教育部在2021年啟動了職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設，要求不斷提升虛擬現實和人工智能等新一代信息技術在實訓教學中的應用水平，搭建以實帶虛、以虛助實、虛實結合的虛擬仿真實訓系統，解決實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”的痛點和難點，建設虛擬仿真實訓教學管理及資源共享平臺，避免教學資源重復建設［2，3］。

美國學者埃德加·戴爾（Edgar Dale）1946年提出了“學習金字塔”（Cone of Learning）的理論（圖1）。以語言學習為例，在學習兩周后，聽講，閱讀，多媒體看和聽，示范、回答問題，小組討論，動手操作，教別人等方式能夠記住學習內容的效果。可以看出，不同的學習方法達到的學習效果不同，研究表明在兩周之后，學生對知識的保持率為5%～90%［4］。

圖1 學習金字塔

陶行知在南開中學以《教學合一》為題進行演講，將“教學合一”擴展為“教學做合一”［5］。認為“要想教得好，學得好，就須做得好”；“教與學都以做為中心”。其重要性在于教學方法直接影響教學目標能否實現以及實現的程度和效率。

實踐顯示，線上線下混合式教學有助于加強學生對實驗基本技能的掌握，促進學生對實驗體系及實踐思路的多重思考。實驗課程的線上線下混合式教學不僅豐富了實驗教學的內涵，而且可促進實驗課程的標準化建設及共享應用，是未來實驗課程改革的有效途徑之一［6］。

項目式教學（Problem-Based Learning，PBL）是基于問題的學習，是一種以問題為基礎、以學生為主體的教學方法［7］。教師需要從主講變成主導，成為組織者、管理者、指導者。在這個過程中，學生所進行的探究、溝通、創新和協作等行為，在歐美發達國家已經得到了廣泛的應用，效果良好，是傳統教學模式無法觸及的，也正是通過這些行為，才使得學生的綜合素質有全方位的提升。

如何充分發揮虛擬仿真技術優勢，結合校企合作生產性實訓，形成虛實結合的實訓教學模式，運用“學習金字塔”“做中學，學中做”“教學做合一”等理論，利用混合式教學、以工作過程為導向的項目式教學等教學方法，營造以學生自主學習為中心的氛圍，調動學生學習的積極性，提高教學效率和質量，優化課程教學，提升學生技能水平和崗位適應性。本研究以“建筑材料及檢驗檢測”課程實訓教學為例，進行研究和探索。

1 “建筑材料及檢驗檢測”課程當前教學情況

1.1 課程定位、教材和實訓教學情況

“建筑材料及檢驗檢測”是高職土木建筑類專業開設的重要基礎課程，前導課程有“建筑制圖”“BIM基礎”“建筑構造”等，后繼課程有“建筑結構及建筑力學”“建筑施工技術”“建筑工程施工組織設計”“建筑工程質量與安全管理”等。一般教材在緒論之后，介紹建筑材料的基本性質等理論，其后各類材料及檢測項目一般按照材料的概念、組成、性質、應用及檢測等順序進行編寫。課程中介紹的材料主要包括結構材料、墻體材料、輔助材料三類功能材料，涉及材料種類上百種，每類材料都有國家或行業檢測標準，詳細介紹常規檢測項目40項左右，涉及實訓設備種類超過50種。目前有建筑相關專業的高職學校一般會建設一個綜合性建筑材料檢測實訓室，每組5～8人，分5～6組進行實訓，部分學校引進檢測企業，校企合作開發課程，分組進行生產性實訓，實訓教學一般能完成水泥、鋼筋等5個左右檢測項目。

1.2 教學組織和教學方法

“建筑材料及檢驗檢測”課程是理論和實踐緊密結合的課程，教學組織一般分為兩種形式：一種是先講理論，學期末組織整周實訓；另一種是理實一體化教學，每種建筑材料都先講理論，然后進行實訓或播放實訓教學視頻或介紹檢測標準。理論教學講材料和應用，實訓教學檢測材料性能。疫情防控期間，線上教學、慕課、混合式教學也得到了大范圍應用。

2 “建筑材料及檢驗檢測”教學存在的問題

“建筑材料及檢驗檢測”教學普遍存在實訓課時少、實踐機會不足、脫離生產實際、教學做分離、“做中學，學中做”落實不夠、教學形式枯燥、考核機制單一等問題，在教學理念、內容、方法、手段、過程、評價等方面存在不足。

2.1 實訓教學存在“三高三難”痛點、難點，實訓數量不足、教學脫離生產實際

“建筑材料及檢驗檢測”課程涉及的企業實際常規檢測試驗有40種以上，普遍存在設備種類繁多、數量龐大、數字化智能化設備更新快等問題，學校沒有足夠的場地和資金來建設所有的項目檢測實訓室；水泥混凝土的原材料需要的量大，樣品數量要求多，材料不能反復利用，產生的廢料處理難，鋼筋等材料費用高，瀝青等材料有毒、氣味難聞，“三高三難”問題突出，只能開展少數幾個項目檢測實訓，很難跟上技術和標準的更新，實訓教學開展數量和質量存在不足。

在線下實訓中，學校實訓室與企業生產性檢測室在工作環境、檢測設備精度管理、檢測記錄、檢測報告等方面差距太大。如企業生產性檢測室通過視頻監控和數據聯網處于政府職能部門監督下，有嚴格的管理監督制度，檢測原始記錄表格、檢測報告簽字需要負法律責任。

2.2 課堂教學存在教學做分離，無法實現“教學做合一”

2.2.1 課堂教學以教師為中心，先講理論后實訓，沒有體現“教學做合一”

先講理論后實訓，在上理論課時，會造成以教為中心，容易導致一個課件講到底，滿堂灌，學生對理論學習興趣不大，能記住的東西有限，學習效果大打折扣，效果不佳，體現不了“做中學，學中做”等理念。一些學校開設了“建筑材料及檢驗檢測”“建筑材料及檢驗檢測實訓”兩門課程，明顯將理論和實訓分離。

2.2.2 線上精品網絡共享課程缺乏互動性實訓，無法實施說、做、教等主動學習模式

目前，線上精品網絡共享課程將理論講解、實訓步驟等制作成短視頻或音頻，并提供課件、圖片、檢測標準、討論問題、作業等內容。教學管理平臺有比較好的學習統計功能，學生可以按照菜單順序，選擇對應的內容，反復觀看、瀏覽、回答問題、完成作業、參加考試。根據“學習金字塔”理論，整個學習過程還停留在閱讀、聆聽、觀看、回答問題的層面，只能達到30%記憶的效果；沒有口述表達、動手操作、教別人環節，無法達到記憶90%的最高水平。

2.3 探索混合式教學改革，“先做后學”模式復制推廣難度大

因受新冠疫情影響，線上教學在全國得到了普及，師生已經適應了線上教學的環境和條件，客觀上為實施混合式教學提供了一個非常好的機遇。為探索“做中學”教學模式，我們利用混合所有制辦學的有利條件，通過進行22個材料檢測項目的線下生產性檢測實訓，走過一條從理論與實訓分離，到理論與實踐一體化，再到先實訓后理論教學探索“做中學”之路，如圖2所示。

圖2 探索“做中學”教學改革

如東莞職業技術學院建筑學院對該課程進行改革，充分利用混合所有制辦學理事單位東莞市建設工程檢測中心與建筑學院同處一個大院的優勢，將22個材料檢測實訓，在檢測中心6個檢測室，由6個企業工程師擔任實訓指導教師，按照國家標準進行生產性實訓教學。經過5年的磨合，解決了企業生產與教學沖突、理論課與實訓課教學進程的配合與學情溝通、6名企業實訓室教師工作量計算等難題，開發了活頁式教材，建立了小規模限制性在線課程（SPOC）課程，進行了混合式教學的探索，如圖3所示。課前將實訓記錄和實訓報告上傳到線上教學管理平臺，課中針對實訓中遇到的問題及發生的錯誤進行研討，調動了學生學習的積極性，培養了其分工協助能力，提高了教學質量和效果。

圖3 基于課前線下實訓的混合式教學

但該教學改革在推廣應用中，因校企合作條件限制，面對線下實訓的“三高三難”問題，在校企合作、教學與生產、課時費和物料成本等方面，許多學校會難以實施，線下先實訓后理論教學的“做中學”模式復制推廣的難度比較大。

2.4 教材編寫按照先理論后實訓的模式，無法指導“做中學”行動導向教學改革

在教材編制上，一般形式上基本已按照項目式教學進行編制，但還是保留材料學科分類的痕跡。全書結構，先是緒論，第一個項目是純基礎理論式地系統介紹建筑材料的物理、化學、力學等基本性能，涉及的理論概念和公式比較多，概念抽象，難以理解和掌握。從第二個項目開始，按照材料學科分類，逐一介紹各種材料性能及檢測，與建造工作過程不對應。面對一個實際工程項目，學完以后不知道哪些材料什么時候需要檢測，怎樣取樣、送樣，哪些性能需要檢測，嚴重脫離了工地的實際要求，不能適應崗位的需要。缺乏真正以工作過程為導向的項目式教學理念編制的教材。

2.5 教師缺乏企業經驗，學校缺乏調動教師積極性的機制

學校教師的材料檢測技能大部分是由學校檢測實訓室培養出來的，普遍缺乏一線企業工作經驗，實際操作經驗不夠，不能解決實訓中出現的問題，對最新標準的執行情況和要求不明。從傳統的教學方法到混合式教學，課前學時沒有計入課時，在機制上，學校缺乏鼓勵措施和辦法。

3 基于虛擬仿真技術在“建筑材料及檢驗檢測”實訓教學上的探究

針對上述已進行的改革和存在的問題，基于虛擬仿真實訓技術，按照項目式教學要求，開發虛擬仿真資源，編制新形態教材，建設網絡共享精品課程，進行混合式教學改革、實訓教學做合一等方面內容探究。

3.1 開發虛擬仿真實訓資源，達到崗課賽證融合

應用虛擬仿真技術，開發建筑材料及檢驗檢測虛擬仿真實訓資源，可以解決目前實訓教學過程中“三高三難”的痛點、難點；實現以做為中心，為實施做中學、學中做創造條件，提高學生的學習積極性；為實現混合式教學，以學生自主學習為中心，虛實結合，以虛助實提高教學效率和質量。目前虛擬仿真技術發展迅速，已有一些公司開發了部分材料虛擬仿真檢測資源，如廣聯達科技股份有限公司等企業，實訓項目有15～30個，也應用到一些學校的教學中。但在應用上與教學要求有差距，缺項較多，不能形成綜合性報告；開發沒有與職業院校教師合作，與現有教材不配套，與課堂教學需求和硬件環境不適配，難以推廣應用，導致目前實際應用的院校不多。根據建筑工程檢測及施工企業的實際和“1+X”建設工程質量技能證書標準要求進行資源開發，達到崗課賽證融合，開發虛擬仿真實訓資源是非常必要的。

3.2 對標“1+X”考證、崗位作業要求，校企合作開發虛擬仿真實訓資源

對于建筑材料實訓項目，可以根據崗位技能需求、考證需求、教學需求進行籌劃。解決實訓過程中的“三高三難”問題，需要先厘清具體的痛點、難點。建設工程質量檢測職業技能等級“1+X”證書（建筑材料方向），是教育部推出的第六批試點項目，材料檢測項目考核要求共53項。根據廣東省政府職能部門的質量檢測站發布的《房屋建筑工程見證取樣送檢監督工作實施細則作業指導書》檢測材料類型23大項、94個檢測項目。從教學角度考慮，需要對某一個工程項目的材料和檢測進行工作過程整體介紹。我們精選了34個虛擬仿真實訓項目（表1），基本覆蓋了企業檢測項目范圍，既能滿足考證中線下實操訓練要求，又可為大量的社會培訓創造有利條件，減小了實施難度，降低了成本，有利于將虛擬仿真技術推廣到社會培訓中。

表1 已開發虛擬仿真模塊和“1+X”考證實操考核要求

3.3 編制以工程項目工作過程為導向的含有虛擬仿真實訓的新形態教材

有了虛擬仿真實訓資源，如果沒有配套的教材，又會回到先理論教學后實訓的老路。我們根據多年的教學探索，以在“前導BIM技術基礎”課程中，學生建立的學校某一個建筑物模型為例，將工程項目建設工作過程涉及的材料及檢測，統領全書項目式教學布局，利用已開發的虛擬仿真實訓資源，開展“先實訓后理論學習”的混合式教學實踐，結合德國職業教育引導文的編寫模式，編著新形態活頁式教材。教材按照工作手冊模式編排，配套實訓步驟和實訓報告表格，師生可以根據一個任務對應一次2課時的實訓內容，組織2課時的理論課內容，按先實訓課后理論課的步驟實施混合式教學。

全書根據常用的材料類型，選擇了8類材料及其檢測作為具體項目，并細分不同的性能檢測作為若干個任務，以材料檢測的工作過程為導向，按照先做后學、混合式教學步驟編制，安排課前、課中、課后學習內容。每一個任務的6個環節如圖4所示。

圖4 以工作過程為導向的項目式教學教材編寫和實施順序

（1）檢測實訓。按照國家或行業標準介紹檢測儀器及檢測步驟，根據材料檢測企業的使用格式，編寫原始記錄表格和實訓報告表格，明確材料檢測實訓內容，并開發虛擬仿真實訓資源34個，制作配套的二維碼。教學時掃碼可以在管理平臺上先完成相關的互動實訓，形成實訓報告，作為混合式教學的課前學習成果。

（2）引導問題。主要根據檢測實訓內容和相關知識，提煉出學生需要掌握的一些基本概念和知識作為課前學習的引導問題。

（3）相關知識。按照從做中學的行動導向理論，針對檢測試驗中涉及的相關內容編寫相關知識，并做適當延伸。將材料的相關理論碎片化，融入各個項目，明確做什么、學什么，提高學習質量和效果。通過材料綜合性能檢測報告，進行知識的整合和連貫。

在相關知識中，將建筑材料的課程思政素材融入各個項目中，將世界八大建筑奇跡中的中國長城、北京奧運會鳥巢、港珠澳大橋、中國基建狂魔、質量安全事故、檢測標準和檢測步驟、政府監督、熟練的檢測技術技能、嚴謹的數據處理、新材料、新技術等分配到相關項目中，讓課程思政元素充滿每一個課堂。

（4）小組討論。利用學校教學管理平臺或網絡在線精品課程平臺或虛擬仿真實訓平臺，線下組織課堂研討，根據小組完成的檢測實訓情況和出現的問題，在教學平臺上傳線上或線下的檢測原始記錄和實訓報告，設計研討問題。

總結匯報。上傳研討問題的結果，分小組進行匯報，各組之間進行辯論。

（5）評估。設置評估表格，教師及學生對實訓報告、引導問題、討論匯報等情況進行打分，設置教師評價、組內互評、組間互評、自評等權重，形成學習成果的評價結果。

（6）作業。根據教學中存在的問題，結合“1+X”考證要求，適當擴展知識范圍，布置相關作業和虛擬仿真實訓。

3.4 基于虛擬仿真實訓資源，開發網絡共享精品課程

利用已開發的虛擬仿真實訓資源，建設網絡共享精品課程。在教學設計上，每一個項目按照活頁式教材、虛擬仿真實訓、相關知識（教學視頻、課件、引導問題）、“1+X”考證訓練四個模塊順序進行建設，并按照該順序進行慕課學習。

3.5 基于虛擬仿真實訓資源開展混合式教學，實踐“學習金字塔”理論教學方法

（1）應用“學習金字塔”理論，開展混合式教學。將虛擬仿真實訓資源應用于混合式教學過程中，可以分為課前、課中、課后三個部分，如圖5所示。利用學校線上教學管理平臺或建立虛擬仿真實訓教學管理及資源共享平臺，可以實現課前的教學安排，解決虛擬仿真實訓資源開放性不足、管理統計不便等常見問題。

圖5 基于虛擬仿真實訓的混合式教學

應用“學習金字塔”理論中聽講、閱讀、觀看、回答問題、小組討論、動手操作、教別人的教學方法，讓知識保持率達到90%，提高了學習記憶的效果，實現實踐—認識—實踐的全過程教學。

（2）使用虛擬仿真資源，解決課前線上課程的互動實訓問題。開發虛擬仿真實訓資源，在解決“三高三難”問題的同時，可以線上先完成相關的實訓，為混合式教學課前進行實訓的推廣帶來突破。

（3）應用新形態教材，減小了混合式教學課程設計的難度。開展混合式教學，配套教材是教學活動的腳本，可以指導師生輕松嘗試新的教學方式，是推廣混合式教學的關鍵。教材將每個項目的教學步驟構建成統一的模式，減小了課程設計的難度。學生在虛擬仿真技術和視頻學習的支持下，降低了自主學習的難度，鍛煉了探索能力，提高了學習的興趣。

（4）基于教學管理平臺，應用PBL模式，解決課堂評估等問題。應用PBL模式，可以課前發布主要研討問題，將學生進行分組，先設計教師、組內、組間、自評等評分項目及權重。課上學生提交書面研討意見，并選出代表發言。教師組織現場評分，快速形成學習成果評估總分，作為期末考評的組成部分。

4 優化“建筑材料及檢驗檢測”教學實施效果

經過幾年的實踐，“建筑材料及檢驗檢測”教學方法和手段不斷優化，激發了學生學習的興趣，鍛煉了學生探究問題的能力，學生滿意度不斷提高（對課程有興趣的占98%，收獲較大的占96%），課堂教學效果好。

4.1 虛擬仿真實訓資源實施方便，鍛煉了學生的自主探究能力

依托教育部智能建造虛擬仿真實訓基地培育項目，“建筑材料及檢驗檢測”虛擬仿真實訓資源采用線上管理平臺和本地化布置，學生可以在宿舍登錄，在虛擬仿真視頻的引導下，參考教材提供的檢測步驟，自主進行交互性實訓，可以完成55個以上的項目實訓，極大地方便了開展“做中學”教學，學生自主探究的能力得到提高。

4.2 虛擬仿真實訓提高了實施混合式教學的可行性

相比觀看視頻，能進行互動性實訓。相比線下實訓，極大地降低了實施難度，為先實訓后理論教學、實踐“學中做”教學提供了強有力的支撐，為推廣混合式教學提供了可行的實踐案例。

4.3 突出學生的主體地位，提升了自主學習能力和效率

混合式教學調動了學生學習的主動性，“教學做合一”連貫性好，提高了教學質量和效率。經過“三個課堂”（線上課堂、企業課堂、線下課堂）的學習，提升了實踐動手能力，第一次參加“1+X”建設工程質量檢測職業技能等級證書考核的通過率達到100%，實現了與職業崗位零距離，滿足了學生創新創業與就業發展的需要。

5 結語

根據崗位技能和考證要求，按照國家或行業標準，校企合作開發55個建筑材料檢測虛擬仿真實訓資源，開展“做中學、學中做”的研究和實踐，探索“先做虛擬仿真實訓，后進行理論教學和實訓”、虛實結合的教學方法。以工程項目工作過程為導向，通過整合實訓項目和相關知識，設計PBL研討問題和評估項目與權限，結合虛擬仿真實訓資源視頻二維碼，按照混合式教學模式編制配套的新形態教材。利用教學管理平臺或虛擬仿真實訓管理平臺，使用智能建造技術虛擬仿真實訓基地，制作配套虛擬仿真教學短視頻，開發線上共享精品課程，優化課程建設。通過“三教”改革，提煉了教學內容，理順了課程設計，豐富了教學手段，激發了學習興趣，提高了教學效率和質量，提升了學生技能和崗位適應性。

開放共享虛擬仿真項目，還能夠避免教學資源重復建設，節約教育資金，提高虛擬仿真項目的經濟效益。