基于感性认识获得分析与试验证实虚拟仿真教学方法有效性研究——以土木工程施工理论教学为例

张福生

（南京工程学院，江苏 南京 210000）

1 获得感性认识的重要性及方法分析

1.1 感性认识是理论教学中的前提

根据认识论原理，土木工程施工理论教学应该遵循实践-认识-实践的原则进行教学。实践的首要目的是为了获得感性认识，感性认识是理性认识的前提与基础[1]。因此，对于土木工程施工理论教学，学生首先应该获得对施工的感性认识。同时，根据土木工程施工理论教学的反馈，确保学生获得充足的感性认识对提高土木工程施工理论教学效果与教学质量具有重要意义。

1.2 理论教学基础是施工场景

土木工程施工理论课程教学内容按照性质分类为施工技术类章节、施工工艺类章节、施工设计类章节，其中施工设计类章节包括施工组织设计、模板设计、脚手架设计等。由于土木工程施工理论教学内容庞大，除非有必要，否则，施工设计类章节内容（包括施工组织设计、模板设计、脚手架设计等）一般单独设课，所以，土木工程施工课程授课主要内容是施工技术和施工工艺类章节。施工技术、施工工艺章节的知识点与施工场景联系密切，是对施工场景描述、概括和总结，是基于施工场景的理性认识，是土木工程施工课程理论教学基础。如果理论教学中抛开施工场景开展施工技术、施工工艺知识点讲解是非常困难的。

1.3 应从施工场景中获得感性认识

土木工程施工教学包括理论性教学和实践性教学，由于施工场景是理论教学基础，所以，在实践性教学中应组织学生通过参观施工场景获得感性认识。安排学生参加实际施工作业会存在很大困难，而且，对理论教学帮助不大。所以实践性教学应尽可能使学生从施工场景中获得施工感性认识，包括施工场地、施工材料、施工机械等个体和整体形态。理论教学中应该使用虚拟仿真[2]、施工动画、施工照片、施工短视频，展现施工场景，从而使学生获得施工场景感性认识。

1.4 感性认识获得的有效性分析

获得感性认识主要目的是为了帮助学生学习理论知识。为了保证获得的感性认识能够有效地帮助理论学习，所获得的感性认识必须遵循关联性和及时性两个原则，这是因为感性认识与理性认识两者具有很强的关联性和及时性。感性认识关联性原则是指施工场景获得的感性认识应该与即将进行的理论教学学习内容相对应或相匹配，如果前一分钟获得了钢筋加工施工感性认识，后一分钟进行模板工程施工理论教学，则前一分钟获得的感性认识是无效的，不能帮助后一分钟的理论学习。同时，关联性原则还要求，理论学习知识点的数量与感性认识获得的数量应该相匹配，即理论知识点集合应该与感性认识集合形成双射关系。感性认识及时性原则是指获得的感性认识应在人的意识存在且未消失前尽快转化为理性认识，否则获得的感性认识由于时间太久在接受理论教学前就从人的意识中淡出了，起不到帮助理性认识的作用，这样获得的感性认识也是无效的。

基于感性认识关联性与及时性分析，通过实践性教学（比如参观施工现场）无法解决理论教学中所需要的感性认识关联性和及时性，来自实践性教学的感性认识的数量、匹配性无法保证，及时性也无法保证。只能从理论教学中解决这些问题。而当前的教学技术与手段为解决这些问题提供了可能性。

2 针对获得感性认识的虚拟仿真教学法

2.1 虚拟仿真教学法目的

虚拟仿真教学方法是以认识论为指引建立的一种教学方法[3]，是一种对现有教学方式的改革。虚拟仿真教学法可以实现从理论教学中使学生及时地、充分地、匹配性的获得感性认识。虚拟仿真教学法包括采用基于 powerpoint构建的虚拟仿真立体模型，基于powerpoint构建的虚拟仿真立体模型立面图，以及课后实训等教学手段进行教学。虚拟仿真教学方法为学生提供了虚拟施工场景，代替学生进入施工现场的认识实践活动，并保证提供充足的虚拟场景，使得学生对于每个土木工程施工知识点都能够遵循先感性认识后理性认识的学习顺序进行学习。虚拟仿真教学方法包括课堂教学和课后虚拟实训，符合实践-认识-实践的认识论原理。

2.2 虚拟仿真立体模型教学特点

采用powerpoint构建虚拟仿真立体模型，构建的虚拟仿真立体模型作为课堂教学内容之一，其主要目的是为学生提供感性认识。比如对施工材料投入的视觉、施工机械投入的视觉、整体施工场景，施工顺序的印象等。帮助学生获得与施工实践类似的感性认识。该模型具有以下特点，（1）可以制作任何虚拟的施工场景立体模型，可以根据土木工程施工理论教学需要对应每个章节制作一个或若干个虚拟仿真立体模型。（2）构建的每一个虚拟仿真立体模型可以设置一组或多组动画，可以根据理论教学需要，每组动画对应一个知识点，或N组动画集合对应一个知识点。（3）每组动画可以设置一个或若干个动画动作，可以根据课堂教学需要播放静态的立体模型，或动态的立体模型，以便配合课堂讲解需要。（4）不需要增加专用软件，如果教学课件采用powerpoint制作，则课堂教学不需要在不同软件之间进行转换。但是，采用powerpoint构建虚拟仿真立体模型教学也有一些缺点，其一，学生面对立体模型在课堂上记笔记困难，教师通过立体模型考核学生也存在困难，课后学生通过如果动手绘制立体模型进行复习也有困难。这些困难概括为学生记录难，老师考核难、学生复习难。其二，立体模型难以兼容数据导致无法引导学生理性认识[4]。

2.3 虚拟仿真立体模型立面图教学特点

powerpoint构建的虚拟仿真立体模型立面图是根据powerpoint构建的虚拟仿真立体模型绘制的立面图。将立面图作为教学内容与立体模型形成互补的课堂教学手段。其目的是帮助学生将施工场景的立体模型使用可记录可复习可考核可量化的立面图进行表达。可记录是指学生可以在课堂上记录立面图形，课后可以通过重复绘制立面图进行复习，考试中可以使用立面图形式对学生进行考核，立面图上可以附加数据信息，帮助学生完成感性认识到理性认识的升华。彻底解决记录难、考核难、复习难的问题。立面图的教学特点是，一个虚拟仿真立体模型对应一个或若干个立面图，每个立面图设置有一组或数组动画，每组动画包括一个或N个动画动作集合。每个立面图根据讲课需要可以静态画面播放或动态画面播放。

2.4 课后虚拟实训特点

课后应使学生对课堂上学过的虚拟仿真立体模型立面图进行复习。主要教学特点是，（1）要求学生使用手工绘制立面图，根据课堂笔记结合回忆进行绘制。（2）要求学生绘制N张立面图表达一个施工过程或施工场景。其目的是巩固课堂所学知识，并通过绘制立面图加强对施工场景的感性认识，以及对理论知识的理性认识。

3 虚拟仿真教学法获得感性认识效果试验及分析

3.1 感性认识效果试验组织

对学生组织三次感性认识效果试验，每次两节标准课时共90分钟，每次一个相同教学班不变，学生数38人，地点设在多媒体普通教室。第一次土木工程施工理论教学采用虚拟仿真教学法，但PPT课件仅包括采用powerpoint构建的虚拟仿真立体模型教学内容，没有立体模型对应的立面图，课后布置作业但没有立面图绘制内容，课后作业预计一个小时的作业量。第二次上课前发放对第一次上课教学内容感性认识效果调查问卷并百分之百回收调查问卷，第二次土木工程施工理论教学采用虚拟仿真教学法，PPT课件包括采用powerpoint构建的虚拟仿真立体模型教学内容以及对应的立面图教学内容，课后布置作业但没有立面图绘制内容，课后作业预计一个小时的作业量。第三次上课前发放对第二次上课教学内容感性认识效果调查问卷并百分之百回收调查问卷，第三次土木工程施工理论教学采用虚拟仿真教学法，PPT课件包括采用powerpoint构建的虚拟仿真立体模型教学内容以及对应的立面图教学内容，课后作业包含完成立面图绘制等内容，课后作业预计一个小时的作业量。第四次上课前发放对第三次上课教学内容感性认识效果调查问卷并百分之百回收调查问卷，

3.2 感性认识效果试验评价内容

调查问卷中感性认识效果试验评价内容包括感觉、感知、表象三个指标[1]。感觉指标要求学生对每次课程教学包括课后作业所获得的视觉感觉，比如，施工场地、施工材料，施工机械的视觉感觉效果按照百分制打分；感知指标要求学生对每次课程教学包括课后作业所获得的感知，比如，整体施工场景，整体施工顺序的感知效果按照百分制打分；表象指标要求学生对每次课程教学包括课后作业所获得的表象，比如施工场景的形状在意识中的保存，再现，重组的印象。三个指标权重在三次试验中均设置为三分之一。

3.3 试验评价结果及分析

对三次回收的感性认识试验调查问卷进行统计计算，第一次教学调查问卷三个评价指（感觉、感知、表象）的评价结果分别为80分、50分、50分，加权平均为60分；第二次教学调查问卷三个评价指标（感觉、感知、表象）的评价结果分别为80分、80分、70分，加权平均为77分；第三次教学调查问卷三个评价指标（感觉、感知、表象）的评价结果分别为90分、90分、90分，加权平均为90分。

根据问卷调查结果，可以看出在第一次理论教学中仅引入虚拟仿真立体模型教学内容对学生获得感性认识的效果一般，特别是学生仅通过视觉进行观看，无法记录、无法复习、无法重复练习，因此对施工场景的整体印象以及在意识中保存施工场景形状起到的作用较差。这也是第一次课对感知、表象评价较差的原因。在第三次理论教学中不仅引入虚拟仿真立体模型，还引入了立体模型的立面图，以及课后虚拟实训等教学内容，建立了从虚拟仿真立体图形到立面图的对应关系，帮助学生实现从印象到理性的升华，使得学生获得了可记录，可重复，可量化，可训练的立面图形，从而强化了学生的感性认识。

4 结语

虚拟仿真教学法能够使学生在理论学习前获得感性认识，获得的感性认识与理论教学知识点具有匹配性和及时性。引入立体模型的立面图解决了虚拟教学中可记录、可考核、可复习难题。该方法是一整套教学方法，包括课堂教学和课后教学方法，符合实践-认识-实践的认识论原理。符合土木工程施工理论教学内容对实践性要求高的特点。由于该方法不需要专用软件即可实现虚拟仿真教学，因此，该教学方法简便易行，是一种可行且具有较高价值的教学方法。