装配式混凝土预制构件生产虚拟仿真软件在教学中的应用
时间：2023-02-18 11:25:09 来源：千叶帆 本文已影响人
韩长菊，刘雪娥，杨晓杰
(昆明冶金高等专科学校学校建筑工程学院，云南 昆明 650033)
2017年3月23日，中华人民共和国住房和城乡建设部制定了《“十三五”装配式建筑行动方案》(以下简称《方案》)。《方案》明确指出，培育装配式建筑产业队伍，依托相关的院校、骨干企业、职业培训机构和公共实训基地，设置装配式建筑相关课程[1]。2017年6月9日，《云南省人民政府办公厅关于大力发展装配式建筑的实施意见》提出要加强装配式人才培养，大力培养装配式建筑设计、部品部件生产、施工、项目管理等专业人才，鼓励高校、职业学校设置装配式建筑相关课程[2]。装配式建筑，作为新型建筑工业化的重要形式，建筑转型的重要突破口，是建筑业的技术革新和产业升级，将为我国建筑业带来以绿色高效为特点的从手工“建造”到工业“制造”的跨越[3]。发展装配式建筑是一个系统性工程，人才、管理、技术等各个方面都面临着新的挑战。目前，装配式建筑专业人才不足是装配式建筑发展的重要制约因素之一，在市场需求和我国装配式建筑行业蓬勃发展的双重刺激下，各高职院校纷纷研究装配式建筑人才的培养方式。“混凝土预制构件生产”是装配式建筑的一个重要环节，课程的实践性强，内容比较抽象，仅靠文字内容难以直观体现整个生产过程，虚拟仿真软件的引入，有利于高职院校按模块教学，学生边学边练，以任务完成度分项考核，帮助学生掌握所有知识点。
根据混凝土预制构件生产过程，虚拟仿真系统分为5个大的模块，每个模块代表生产的一二个过程，可以作为一个教学单元。每个模块分别由任务控制端和虚拟端组成。任务控制端可以完成每个模块的任务(图1)，包括原料预算、磨具准备、钢筋操作、混凝土制作与构件浇筑、构件蒸养与起板入库等过程(表1)，虚拟端可以加载构件的三维模型图，可以从不同视角、不同状态观察构件，辅助完成每一个模块的操作任务(图2)。
表1 装配式混凝土预制构件虚拟仿真系统模块构成Tab.1 Module composition of virtual simulation system for pretebricated concrete precast components
图1 原料预算模块控制端Fig.1 Raw material budget module control teminal
图2 原料预算模块虚拟仿真端Fig.2 Virtural simulator of raw material budget module
2.1 虚拟仿真系统在教学中的应用
装配式建筑是近几年才兴起的行业，还没有成熟的人才培养方案和课程教学大纲，课程资源不足；
装配式建筑的教学还处于初级阶段，没有成熟的理论体系和完善的实训过程，师生缺乏装配式建筑相关知识[4]。装配式建筑工程领域，实际工程项目匮乏且分布不均，装配式建筑实训实习基地较少,实习实训困难,学生缺少实践经验[5]。装配式混凝土预制构件生产需要学生具备装配式建筑构件的识图能力，能够进行钢筋用量计算、摆放和绑扎，熟悉混凝土原材料性能和配合比设计，混凝土基本性能、浇筑、振平和构件蒸养，预埋件的摆放等，对学生专业综合能力要求较高。在授课资源缺乏，实训条件有限的形势下，虚拟仿真系统既可以提供一个实践的平台，达到提高学生动手能力的目的，也可以帮助师生理解装配式建筑的理论知识和工艺过程。虚拟仿真系统分模块设置，结合虚拟端的直观性，画面可放大缩小，360°全方位旋转，帮助学生识图、读图、计算、熟悉流程和操作。
目前，我院教师以建筑材料方向为主，对装配式混凝土方面了解不多，师资力量薄弱，且没有相应的企业工作经验，专业教师对于装配式建筑的知识掌握较少，大部分装配式建筑的知识来自于讲座及各类会议，没有经过系统的学习，理论和实践经验均不足，备课压力较大。依托装配式混凝土预制构件生产虚拟仿真软件，教师可以便捷地进行装配式建筑知识和技能梳理，为推进装配式混凝土预制构件生产的系统化教学打下基础，学生可以对整个装配式建筑领域知识与技能进行系统训练和学习，切实提升教学效果，更有效地培养装配式建筑人才。在运用虚拟仿真系统教学过程中，教师在帮助学生掌握基本知识的基础上，重点在于锻炼学生对知识的运用能力，并充分利用软件的辅助作用，培养学生的操作能力、团队协作能力、发现问题和解决问题的能力。
2.2 虚拟仿真系统应用过程中凸显的问题及应对措施
在我国，装配式建筑主要以装配式混凝土建筑为主，装配式混凝土预制构件的制作与运输对于装配式混凝土建筑极其重要[6]。建筑材料工程技术专业学生前期已经学过水泥生产技术、混凝土相关课程，已经具备混凝土配合比设计、浇筑、振平、养护等知识，但没有学习过建筑构件识图、钢筋计算、摆放和绑扎等知识，上课时需要教师对这部分知识进行相应补充。所以，授课教师既要具备建筑材料知识，也要有一定的建筑工程识图及钢筋、预埋件等知识，这是对教师的考验。除此之外，学生在学习过程中也凸显了一些问题。
2.2.1 学生能动性的培养
学生在完成虚拟仿真系统模块操作时，表现出不求甚解的状态，停留于完成任务的表面，死记参数和操作步骤，不愿意多花时间钻研模块任务的来龙去脉，不知道自己的操作是否合理，不能对自己的操作步骤进行合理的分析，只会像做数学题一样，填入数据，导出结果。装配式混凝土预制构件生产课程涉及知识面广、综合性强，学生应具备知识的迁移能力和综合运用能力，将理论知识与软件仿真有机结合，边学边练。这需要教师引导学生厘清思路，明确任务要考查的知识点，将知识融入到操作任务过程中，达到融会贯通。
实践教学的本质是理论教学的延伸[7]，虚拟仿真系统可以模拟真实的生产过程，让学生进入角色，亲自动手调节生产参数、操作仪器设备，使学习变得更加充实和生动。但学生的学习程度不同，对知识理解和运用的能力不同，在操作过程中会出现各种各样的操作问题，这就要求教师要有足够的知识和解决实际问题的能力，对学生在操作过程中出现的问题具有灵活自如的应对能力，能够对学生进行正确的引导与分析。
2.2.2 软件测评功能的合理运用
装配式混凝土预制构件生产虚拟仿真系统的功能不仅限于模拟生产，作为教与学辅助系统，还需要有测评的功能，以检验学生的学习效果。在教学过程中，教师利用软件的管理系统下达考核任务，学生在客户端对装配式混凝土预制构件生产过程进行仿真操作，服务器系统记录客户端的操作训练过程中，系统自动记录学生的操作内容，并根据学生操作情况评判成绩(图3)。通过软件的测评功能，可以对学生的学习结果和知识掌握程度进行检验，以激发学生的学习热情，帮助他们尽可能掌握操作过程，提高对知识的综合运用能力和由理论知识向实践能力转化的本领。生产过程的控制参数因生产任务的不同而有差异，操作答案不是唯一的，测评软件没有提供多个操作方案，软件评分只能作为衡量学生成绩的参考。仿真教学教给学生分析问题和解决问题的思路，是能力的训练，这一过程仅靠软件的测评结果无法全面评价学生的学习状况，需要教师充分分析学生的操作过程，对学生作出客观的评价。
图3 学生操作记录和成绩Fig.3 Students’ operating records and scores
虚拟仿真是现代化教学的主要手段之一。目前，我院利用该实训软件已经完成3个教学行政班的教学任务，着眼于装配式人才培养，装配式混凝土预制构件生产课程的建设尚任重道远，为更好地服务于教学，虚拟仿真系统的功能也需要进一步完善与提高。
1) 虚拟仿真系统只是提供了一个平台，是教学的辅助手段，教师要深入研究课程和企业生产技术，充分开发虚拟仿真系统的功能，将理论知识、虚拟仿真和企业生产实际3者紧密结合，实际生产操作在仿真平台上演练，让仿真系统在教学中发挥最大的作用。
2) 校企合作，共建仿真实训平台，拓展实训任务，使操作参数更加贴近企业实际，建立与企业长效合作机制，采集企业生产操作方式、方法和数据，丰富仿真实训操作题库。开展企业职工培训和技能竞赛，学生可以和职工同台竞技，缩短学校与企业之间的距离。
3)积极探索课证融通机制，与“装配式建筑预制构件制作与安装职业技能等级”证书对接，将考证内容融于课程。教师在完成授课任务的同时，组织学生利用课余时间登陆取证考试练习平台，在线练习考证习题，并对学生进行指导。
将虚拟仿真系统引入“装配式混凝土预制构件生产”教学，顺应了装配式人才培养的需求，解决了学校在实训设备不足、实训场地有限方面的困境。学生在仿真平台以任务形式反复练习，熟练操作过程，夯实理论基础和技能，在教师的引领下，提高发现问题和独立思考的能力。通过虚拟仿真系统的应用，丰富了实践教学的内容和手段，为课程的顺利开发奠定了基础。随着教师对课程研究的不断深入，对虚拟仿真系统的不断领悟和熟悉，装配式混凝土预制构件生产虚拟仿真系统操作模块将更加丰富和完善。我们应探索课程融通的模式，使教学任务与考证内容衔接。探索企业职工培训需要，推进校企合作，使装配式混凝土预制构件生产虚拟仿真系统能更好地服务于教学和企业。
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