基于感性認(rèn)識(shí)獲得分析與試驗(yàn)證實(shí)虛擬仿真教學(xué)方法有效性研究
——以土木工程施工理論教學(xué)為例

張福生

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

1 獲得感性認(rèn)識(shí)的重要性及方法分析

1.1 感性認(rèn)識(shí)是理論教學(xué)中的前提

根據(jù)認(rèn)識(shí)論原理，土木工程施工理論教學(xué)應(yīng)該遵循實(shí)踐-認(rèn)識(shí)-實(shí)踐的原則進(jìn)行教學(xué)。實(shí)踐的首要目的是為了獲得感性認(rèn)識(shí)，感性認(rèn)識(shí)是理性認(rèn)識(shí)的前提與基礎(chǔ)[1]。因此，對(duì)于土木工程施工理論教學(xué)，學(xué)生首先應(yīng)該獲得對(duì)施工的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，根據(jù)土木工程施工理論教學(xué)的反饋，確保學(xué)生獲得充足的感性認(rèn)識(shí)對(duì)提高土木工程施工理論教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

1.2 理論教學(xué)基礎(chǔ)是施工場景

土木工程施工理論課程教學(xué)內(nèi)容按照性質(zhì)分類為施工技術(shù)類章節(jié)、施工工藝類章節(jié)、施工設(shè)計(jì)類章節(jié)，其中施工設(shè)計(jì)類章節(jié)包括施工組織設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、腳手架設(shè)計(jì)等。由于土木工程施工理論教學(xué)內(nèi)容龐大，除非有必要，否則，施工設(shè)計(jì)類章節(jié)內(nèi)容（包括施工組織設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、腳手架設(shè)計(jì)等）一般單獨(dú)設(shè)課，所以，土木工程施工課程授課主要內(nèi)容是施工技術(shù)和施工工藝類章節(jié)。施工技術(shù)、施工工藝章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)與施工場景聯(lián)系密切，是對(duì)施工場景描述、概括和總結(jié)，是基于施工場景的理性認(rèn)識(shí)，是土木工程施工課程理論教學(xué)基礎(chǔ)。如果理論教學(xué)中拋開施工場景開展施工技術(shù)、施工工藝知識(shí)點(diǎn)講解是非常困難的。

1.3 應(yīng)從施工場景中獲得感性認(rèn)識(shí)

土木工程施工教學(xué)包括理論性教學(xué)和實(shí)踐性教學(xué)，由于施工場景是理論教學(xué)基礎(chǔ)，所以，在實(shí)踐性教學(xué)中應(yīng)組織學(xué)生通過參觀施工場景獲得感性認(rèn)識(shí)。安排學(xué)生參加實(shí)際施工作業(yè)會(huì)存在很大困難，而且，對(duì)理論教學(xué)幫助不大。所以實(shí)踐性教學(xué)應(yīng)盡可能使學(xué)生從施工場景中獲得施工感性認(rèn)識(shí)，包括施工場地、施工材料、施工機(jī)械等個(gè)體和整體形態(tài)。理論教學(xué)中應(yīng)該使用虛擬仿真[2]、施工動(dòng)畫、施工照片、施工短視頻，展現(xiàn)施工場景，從而使學(xué)生獲得施工場景感性認(rèn)識(shí)。

1.4 感性認(rèn)識(shí)獲得的有效性分析

獲得感性認(rèn)識(shí)主要目的是為了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)。為了保證獲得的感性認(rèn)識(shí)能夠有效地幫助理論學(xué)習(xí)，所獲得的感性認(rèn)識(shí)必須遵循關(guān)聯(lián)性和及時(shí)性兩個(gè)原則，這是因?yàn)楦行哉J(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)兩者具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和及時(shí)性。感性認(rèn)識(shí)關(guān)聯(lián)性原則是指施工場景獲得的感性認(rèn)識(shí)應(yīng)該與即將進(jìn)行的理論教學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)或相匹配，如果前一分鐘獲得了鋼筋加工施工感性認(rèn)識(shí)，后一分鐘進(jìn)行模板工程施工理論教學(xué)，則前一分鐘獲得的感性認(rèn)識(shí)是無效的，不能幫助后一分鐘的理論學(xué)習(xí)。同時(shí)，關(guān)聯(lián)性原則還要求，理論學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的數(shù)量與感性認(rèn)識(shí)獲得的數(shù)量應(yīng)該相匹配，即理論知識(shí)點(diǎn)集合應(yīng)該與感性認(rèn)識(shí)集合形成雙射關(guān)系。感性認(rèn)識(shí)及時(shí)性原則是指獲得的感性認(rèn)識(shí)應(yīng)在人的意識(shí)存在且未消失前盡快轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識(shí)，否則獲得的感性認(rèn)識(shí)由于時(shí)間太久在接受理論教學(xué)前就從人的意識(shí)中淡出了，起不到幫助理性認(rèn)識(shí)的作用，這樣獲得的感性認(rèn)識(shí)也是無效的。

基于感性認(rèn)識(shí)關(guān)聯(lián)性與及時(shí)性分析，通過實(shí)踐性教學(xué)（比如參觀施工現(xiàn)場）無法解決理論教學(xué)中所需要的感性認(rèn)識(shí)關(guān)聯(lián)性和及時(shí)性，來自實(shí)踐性教學(xué)的感性認(rèn)識(shí)的數(shù)量、匹配性無法保證，及時(shí)性也無法保證。只能從理論教學(xué)中解決這些問題。而當(dāng)前的教學(xué)技術(shù)與手段為解決這些問題提供了可能性。

2 針對(duì)獲得感性認(rèn)識(shí)的虛擬仿真教學(xué)法

2.1 虛擬仿真教學(xué)法目的

虛擬仿真教學(xué)方法是以認(rèn)識(shí)論為指引建立的一種教學(xué)方法[3]，是一種對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方式的改革。虛擬仿真教學(xué)法可以實(shí)現(xiàn)從理論教學(xué)中使學(xué)生及時(shí)地、充分地、匹配性的獲得感性認(rèn)識(shí)。虛擬仿真教學(xué)法包括采用基于 powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型，基于powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型立面圖，以及課后實(shí)訓(xùn)等教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)方法為學(xué)生提供了虛擬施工場景，代替學(xué)生進(jìn)入施工現(xiàn)場的認(rèn)識(shí)實(shí)踐活動(dòng)，并保證提供充足的虛擬場景，使得學(xué)生對(duì)于每個(gè)土木工程施工知識(shí)點(diǎn)都能夠遵循先感性認(rèn)識(shí)后理性認(rèn)識(shí)的學(xué)習(xí)順序進(jìn)行學(xué)習(xí)。虛擬仿真教學(xué)方法包括課堂教學(xué)和課后虛擬實(shí)訓(xùn)，符合實(shí)踐-認(rèn)識(shí)-實(shí)踐的認(rèn)識(shí)論原理。

2.2 虛擬仿真立體模型教學(xué)特點(diǎn)

采用powerpoint構(gòu)建虛擬仿真立體模型，構(gòu)建的虛擬仿真立體模型作為課堂教學(xué)內(nèi)容之一，其主要目的是為學(xué)生提供感性認(rèn)識(shí)。比如對(duì)施工材料投入的視覺、施工機(jī)械投入的視覺、整體施工場景，施工順序的印象等。幫助學(xué)生獲得與施工實(shí)踐類似的感性認(rèn)識(shí)。該模型具有以下特點(diǎn)，（1）可以制作任何虛擬的施工場景立體模型，可以根據(jù)土木工程施工理論教學(xué)需要對(duì)應(yīng)每個(gè)章節(jié)制作一個(gè)或若干個(gè)虛擬仿真立體模型。（2）構(gòu)建的每一個(gè)虛擬仿真立體模型可以設(shè)置一組或多組動(dòng)畫，可以根據(jù)理論教學(xué)需要，每組動(dòng)畫對(duì)應(yīng)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，或N組動(dòng)畫集合對(duì)應(yīng)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。（3）每組動(dòng)畫可以設(shè)置一個(gè)或若干個(gè)動(dòng)畫動(dòng)作，可以根據(jù)課堂教學(xué)需要播放靜態(tài)的立體模型，或動(dòng)態(tài)的立體模型，以便配合課堂講解需要。（4）不需要增加專用軟件，如果教學(xué)課件采用powerpoint制作，則課堂教學(xué)不需要在不同軟件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但是，采用powerpoint構(gòu)建虛擬仿真立體模型教學(xué)也有一些缺點(diǎn)，其一，學(xué)生面對(duì)立體模型在課堂上記筆記困難，教師通過立體模型考核學(xué)生也存在困難，課后學(xué)生通過如果動(dòng)手繪制立體模型進(jìn)行復(fù)習(xí)也有困難。這些困難概括為學(xué)生記錄難，老師考核難、學(xué)生復(fù)習(xí)難。其二，立體模型難以兼容數(shù)據(jù)導(dǎo)致無法引導(dǎo)學(xué)生理性認(rèn)識(shí)[4]。

2.3 虛擬仿真立體模型立面圖教學(xué)特點(diǎn)

powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型立面圖是根據(jù)powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型繪制的立面圖。將立面圖作為教學(xué)內(nèi)容與立體模型形成互補(bǔ)的課堂教學(xué)手段。其目的是幫助學(xué)生將施工場景的立體模型使用可記錄可復(fù)習(xí)可考核可量化的立面圖進(jìn)行表達(dá)?？捎涗浭侵笇W(xué)生可以在課堂上記錄立面圖形，課后可以通過重復(fù)繪制立面圖進(jìn)行復(fù)習(xí)，考試中可以使用立面圖形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，立面圖上可以附加數(shù)據(jù)信息，幫助學(xué)生完成感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的升華。徹底解決記錄難、考核難、復(fù)習(xí)難的問題。立面圖的教學(xué)特點(diǎn)是，一個(gè)虛擬仿真立體模型對(duì)應(yīng)一個(gè)或若干個(gè)立面圖，每個(gè)立面圖設(shè)置有一組或數(shù)組動(dòng)畫，每組動(dòng)畫包括一個(gè)或N個(gè)動(dòng)畫動(dòng)作集合。每個(gè)立面圖根據(jù)講課需要可以靜態(tài)畫面播放或動(dòng)態(tài)畫面播放。

2.4 課后虛擬實(shí)訓(xùn)特點(diǎn)

課后應(yīng)使學(xué)生對(duì)課堂上學(xué)過的虛擬仿真立體模型立面圖進(jìn)行復(fù)習(xí)。主要教學(xué)特點(diǎn)是，（1）要求學(xué)生使用手工繪制立面圖，根據(jù)課堂筆記結(jié)合回憶進(jìn)行繪制。（2）要求學(xué)生繪制N張立面圖表達(dá)一個(gè)施工過程或施工場景。其目的是鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，并通過繪制立面圖加強(qiáng)對(duì)施工場景的感性認(rèn)識(shí)，以及對(duì)理論知識(shí)的理性認(rèn)識(shí)。

3 虛擬仿真教學(xué)法獲得感性認(rèn)識(shí)效果試驗(yàn)及分析

3.1 感性認(rèn)識(shí)效果試驗(yàn)組織

對(duì)學(xué)生組織三次感性認(rèn)識(shí)效果試驗(yàn)，每次兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)課時(shí)共90分鐘，每次一個(gè)相同教學(xué)班不變，學(xué)生數(shù)38人，地點(diǎn)設(shè)在多媒體普通教室。第一次土木工程施工理論教學(xué)采用虛擬仿真教學(xué)法，但PPT課件僅包括采用powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型教學(xué)內(nèi)容，沒有立體模型對(duì)應(yīng)的立面圖，課后布置作業(yè)但沒有立面圖繪制內(nèi)容，課后作業(yè)預(yù)計(jì)一個(gè)小時(shí)的作業(yè)量。第二次上課前發(fā)放對(duì)第一次上課教學(xué)內(nèi)容感性認(rèn)識(shí)效果調(diào)查問卷并百分之百回收調(diào)查問卷，第二次土木工程施工理論教學(xué)采用虛擬仿真教學(xué)法，PPT課件包括采用powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型教學(xué)內(nèi)容以及對(duì)應(yīng)的立面圖教學(xué)內(nèi)容，課后布置作業(yè)但沒有立面圖繪制內(nèi)容，課后作業(yè)預(yù)計(jì)一個(gè)小時(shí)的作業(yè)量。第三次上課前發(fā)放對(duì)第二次上課教學(xué)內(nèi)容感性認(rèn)識(shí)效果調(diào)查問卷并百分之百回收調(diào)查問卷，第三次土木工程施工理論教學(xué)采用虛擬仿真教學(xué)法，PPT課件包括采用powerpoint構(gòu)建的虛擬仿真立體模型教學(xué)內(nèi)容以及對(duì)應(yīng)的立面圖教學(xué)內(nèi)容，課后作業(yè)包含完成立面圖繪制等內(nèi)容，課后作業(yè)預(yù)計(jì)一個(gè)小時(shí)的作業(yè)量。第四次上課前發(fā)放對(duì)第三次上課教學(xué)內(nèi)容感性認(rèn)識(shí)效果調(diào)查問卷并百分之百回收調(diào)查問卷，

3.2 感性認(rèn)識(shí)效果試驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容

調(diào)查問卷中感性認(rèn)識(shí)效果試驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容包括感覺、感知、表象三個(gè)指標(biāo)[1]。感覺指標(biāo)要求學(xué)生對(duì)每次課程教學(xué)包括課后作業(yè)所獲得的視覺感覺，比如，施工場地、施工材料，施工機(jī)械的視覺感覺效果按照百分制打分；感知指標(biāo)要求學(xué)生對(duì)每次課程教學(xué)包括課后作業(yè)所獲得的感知，比如，整體施工場景，整體施工順序的感知效果按照百分制打分；表象指標(biāo)要求學(xué)生對(duì)每次課程教學(xué)包括課后作業(yè)所獲得的表象，比如施工場景的形狀在意識(shí)中的保存，再現(xiàn)，重組的印象。三個(gè)指標(biāo)權(quán)重在三次試驗(yàn)中均設(shè)置為三分之一。

3.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

對(duì)三次回收的感性認(rèn)識(shí)試驗(yàn)調(diào)查問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，第一次教學(xué)調(diào)查問卷三個(gè)評(píng)價(jià)指（感覺、感知、表象）的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為80分、50分、50分，加權(quán)平均為60分；第二次教學(xué)調(diào)查問卷三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（感覺、感知、表象）的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為80分、80分、70分，加權(quán)平均為77分；第三次教學(xué)調(diào)查問卷三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（感覺、感知、表象）的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為90分、90分、90分，加權(quán)平均為90分。

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，可以看出在第一次理論教學(xué)中僅引入虛擬仿真立體模型教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)的效果一般，特別是學(xué)生僅通過視覺進(jìn)行觀看，無法記錄、無法復(fù)習(xí)、無法重復(fù)練習(xí)，因此對(duì)施工場景的整體印象以及在意識(shí)中保存施工場景形狀起到的作用較差。這也是第一次課對(duì)感知、表象評(píng)價(jià)較差的原因。在第三次理論教學(xué)中不僅引入虛擬仿真立體模型，還引入了立體模型的立面圖，以及課后虛擬實(shí)訓(xùn)等教學(xué)內(nèi)容，建立了從虛擬仿真立體圖形到立面圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從印象到理性的升華，使得學(xué)生獲得了可記錄，可重復(fù)，可量化，可訓(xùn)練的立面圖形，從而強(qiáng)化了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)法能夠使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)前獲得感性認(rèn)識(shí)，獲得的感性認(rèn)識(shí)與理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)具有匹配性和及時(shí)性。引入立體模型的立面圖解決了虛擬教學(xué)中可記錄、可考核、可復(fù)習(xí)難題。該方法是一整套教學(xué)方法，包括課堂教學(xué)和課后教學(xué)方法，符合實(shí)踐-認(rèn)識(shí)-實(shí)踐的認(rèn)識(shí)論原理。符合土木工程施工理論教學(xué)內(nèi)容對(duì)實(shí)踐性要求高的特點(diǎn)。由于該方法不需要專用軟件即可實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)，因此，該教學(xué)方法簡便易行，是一種可行且具有較高價(jià)值的教學(xué)方法。