土木工程专业实验教学之虚实结合—以土木工程材料实验为例

金龙 苏州科技大学土木工程实验中心

一、实验教学现状

《土木工程材料》是土建类专业的一门实操性很强的基础课程，实验教学通过水泥、混凝土、钢筋、沥青等实验使学生掌握常用土木工程材料的实验方法和质量评定方法，同时加深对理论知识的理解，提高分析问题和解决问题的能力。土木工程材料种类繁多，由于养护需要等原因导致实验周期较长，学生不能全过程多角度深入感受和学习专业知识，缺乏实验体验。同时实验内容更新慢，限于实验条件、组织管理等因素，现有实验主要通过指导教师的现场讲述和操作示范说明实验内容、方法及注意事项，然后学生分组进行实验，机械性地重复老师的操作，不利于学生创新能力的培养。

二、虚实结合，相互补充，能实不虚

为拓展实验及实践教学的深度和广度，切实提高实验教学质量，国家教育部在2013年正式开展了国家级虚拟仿真实验教学的教育中心建设，为土木工程专业教育带来了重要影响，使得高校在培养学生专业能力时，能够通过虚拟仿真实验的方式与现场实践进行互补。利用计算机的虚拟情境，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，通过“虚”的模拟达到“实”的目的，将土木工程材料实验进行全过程演示及操作，并融入到学生课前预习、课后实践的环节中，使学生得到实验教学的直观感受，加深对所学知识的理解记忆，有效地帮助学生建立起感性认识，补充线下实验教学的不足，提高教学质量。2020年的新冠疫情更加凸显了线上虚拟仿真实验教学的重要性。

“虚”是指通过计算机技术发展的线上实验教学形式，它可以是交互式的，也可以是演示体验式的，学生可以在逼真直观的场景中开展实验活动，达到学习目的。以混凝土实验为例，可以借助计算机虚拟仿真，全过程实施实验项目，免去了混凝土养护、拆模等周期长工作量大的步骤，提高了实验教学的效率，尽可能减少了实验成本和潜在的实验危害。“实”则是通过线下真实实验，借助设备、场地、材料等实现教学目标，通过实操性更强的线下实验，学生可以亲身感受实验的每一个步骤，享受实验的乐趣，同时会体验线上实验教学中可能不会出现的具体问题，如混凝土表面出现的麻面、蜂窝等缺陷，提高学习的深度和广度，培养发现问题和解决问题的能力。“虚”、“实”二者相互结合，形成了实体实验内容和虚拟实验内容的相互补充，保证了实验内容的完整性，提高了实验教学质量。二者不是相互的重复，如同一个实验项目，可以做一个实体可实现项目，同时做一个虚拟实验项目作为课外预习和复习的内容，相得益彰。

虚拟仿真实验教学模式通过信息化平台在原有实体实验的基础上，避免了土木工程专业实验教学成本高、消耗多、可操作性低等问题，创新了教学思维和方式，弥补了实体实验地点不可及、时间不可及、教学量不可及、成本不可及等难以解决的问题。但二者之间如何恰当地进行比例调配仍是一个不断动态变化的过程，应该视实际需要和使用效果而定，结合地区发展水平、高校人才培养方案、课程性质、行业发展特点等进行调节，目前尚无一致的依据。

对于实验教学项目来说，既要有实体实验项目，又要有虚拟实验项目，能够做到实体体验项目的尽量不做虚拟实验。以土木工程材料实验中的材料密度实验为例，学生可以应用简单的李氏密度瓶就可以快速完成，该实验不涉及危险操作且成本消耗也不大，亦不属于大型或综合性实验项目，属于能“实”的范畴，那么大可不必开展虚拟实验，切勿因虚废实。

三、存在的问题和思考

1.实验教师是开展实验教学的首要保障，目前高校实验师作为教辅人员存在，关注度较低，学校应加强对实验岗教师的人才队伍建设，提高实验岗教师待遇，形成稳定、高质量的实验教学队伍，保证虚拟仿真实验教学的质量。

2.高校应根据教育部文件精神，结合自身学科特点，加强虚拟仿真实验中心建设，建立相应的教学资源，健全实验室管理制度，加强校企合作。

3.高校应促进实验教学改革，创建一批内容新颖、工程意义突出、应用背景明确的特色实验项目，如土木工程材料实验可结合工程实际，开展材料外加剂实验、材料生态环保实验。

4.定期召开实验室技术人员教学经验交流会，不断改进实验教学方法，加强与兄弟院校之间的交流联系，实现资源共享，取长补短。

四、结论

虚拟仿真实验教学促进了土木工程专业传统实验教学理念、方法的变革，在实验教学中具有较强的优势，是对工程实际状况的有益补充。其与线下实验教学相结合，激发了学生探索知识的兴趣，强化了对学生工程素质的培养，有利于培养学生的创新能力。土木工程专业实验教学应坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”原则，拓展实验教学的深度和广度，提高实验教学质量。