材料科學與工程專業虛擬仿真實驗教學項目建設現狀

劉婉穎 林元華 高婷艷 邱宇洪 張曉燕 陳龍 徐習化

摘 ?要：為應對當今社會對高素質、高技能專業性人才不斷增長的需求，滿足高校對材料科學與工程專業人才培養的要求，需將理論教學與實驗教學密切結合，依托虛擬仿真技術背景，分析材料科學與工程專業中虛擬仿真技術的應用現狀及虛擬仿真實驗適用范圍，進一步探討虛擬仿真實驗室的建設內容，提出了虛擬仿真實驗教學項目的實施建議。使虛擬仿真技術在推動材料科學與工程專業實驗教學，在培養學生實踐能力、信息化素養和創新精神中發揮重要作用。

關鍵詞：虛擬仿真;材料科學;人才培養;材料分析;材料成型

中圖分類號：G640 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2019）22-0078-03

Abstract： In order to comply with the growing demand of high-quality， high-skilled professional talents nowadays， the talent development requirements of colleges and universities for the materials science and engineering， it is necessary to closely combine the theoretical teaching with the experimental teaching. Relying on the background of virtual simulation technology， the application status of virtual simulation technology in materials science and engineering and the application scope of the virtual simulation experiment are analyzed. The construction content of virtual simulation laboratory is further discussed， and the implementation suggestions of the virtual simulation experiment teaching project are proposed. The virtual simulation technology plays an important role in the promoting experimental teaching of materials science and engineering and in cultivating students' practical ability， information literacy and innovative spirit.

Keywords： virtual simulation; material science; talent development; material analysis; material molding

20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。材料作為人類生存發展的物質基礎，與人民的日常生活、國民經濟建設都密切相關。材料科學與工程是一門專業理論知識極其復雜、難懂的學科，不僅內容涉及面廣，而且學科交叉性非常強。只有通過理論與實驗密切結合，才能拓寬專業學習的廣度和專業技能的理論深度，培養出適應社會發展的創新型和應用型人才。為加快我國建設創新型國家，培養一大批具有國際水平的戰略科技人才、科技領軍人才、青年科技人才和高水平創新團隊，需要高校學生具有很高的創新實驗能力，因此對高校創新型人才的培養模式提出了高標準和新要求。傳統的材料科學與工程專業教學模式更重視理論教學，而忽略實驗教學，在材料工藝及加工技術方面有很大不足[1]。目前有很多與材料相關的學者都在試圖探究一套真正適合材料科學與工程專業的特色教學方法，董振偉[2]等人提出的一種教學體系將材料科學與工程專業教學劃分為科學和技術兩大模塊，技術類教學著重強調開設創新型實驗課程;胡航[3]等人提出加強實驗教學環節改革，建立具有院校特色的綜合創新實驗內容體系，培養材料科學與工程專業應用型人才。

近年來，雖然很多高校都更加重視實驗教學和實驗室建設，但是傳統實驗室搭建條件復雜，需要較長一段時間才能完善實驗室建設，幾乎所有實驗設備還需要定期投入人力和財力進行維護，致使實驗成本非常高[4]。一些大型精密儀器結構復雜，學生對實驗設備基礎原理認知有限、實驗方案自主訓練不足、老師對學生實驗成績評價體系也不完善[5]。部分儀器的操作復雜，學生容易損壞實驗設備，實驗設備價格昂貴、生均占有率低等等原因。這就導致實驗教學基本形式變成了教師在實驗室的示范性講解，同學們分組完成實驗或者直接記錄數據，撰寫實驗報告，實驗課堂紀律松散，同學們通過實驗課堂收獲的成效甚微[6]。而且傳統設備的老化速率遠大于實驗內容的更新速率，學生很多時候無法通過學校里的實驗設備完成擬定的實驗方案[7]。

一、虛擬仿真實驗室建設現狀

（一）虛擬仿真實驗教學背景

虛擬仿真實驗室應運而生，這個概念最初是由美國學者William Wolf（1989）提出的，主要是通過實驗設計人員利用對真實實驗場景的模擬，完成多種僅局限于構思層面的實驗項目，給用戶一個直觀真實的實驗體驗[8]。隨著多媒體、數據庫、網絡以及虛擬仿真實驗技術的成熟，虛擬仿真實驗室在教育領域的應用價值也日益凸顯，除了能輔助高校的科研工作，還可以在實驗教學方面具有易維護，利用率高等優點。國內的部分高校根據自身科研和教學需求相繼開展了一些虛擬仿真實驗以及教學應用的研究。

2017年，教育部辦公廳發布了《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》。實驗教學項目作為高校開展實驗教學的基本單元，其建設水平直接決定實驗教學的整體質量。在虛擬仿真實驗教學中心里面，虛擬仿真實驗教學資源是核心內容，同時也強調了虛擬仿真實驗教學項目的建設，著重構建區域開放共享機制[9]。

（二）虛擬仿真實驗室適用范圍及優勢

虛擬仿真實驗室的建設主要是為了更好的服務師生，例如針對一些實驗儀器設備少、設備操作復雜的、實驗消耗大成本高的實驗、難以直觀觀察微觀現象的實驗、需要在極端環境下進行的實驗，以及在非極端不可見，但危險系數較高、污染較大的實驗。這就更加需要建立和建設材料科學與工程專業虛擬仿真實驗室，以推動實驗教學[10，11]。

虛擬仿真實驗室具有以下這些優勢[12-14]：

1. 虛擬仿真實驗室界面友好、內容豐富、有助于學生全面了解實驗過程，結合理論達到虛實結合。

2. 有利于培養學生自我訓練及創新意識，推動高校教學環境的創新。

3. 實現虛擬實踐和真實世界的交互，實現實驗教學中虛實互補，不但有利于提高課程教學效果，還可以激發學生興趣，并規范學習行為以提升教學質量。

4. 能有效降低實驗成本和污染，使學生學習不受場地和設備限制，實現真正的綠色實驗課堂。

5. 可以根據學科發展前沿增加最新的儀器設備。

6. 實現資源共享和高度開放的實驗環境，促進高校學生相互交流、開拓思維、勇于創新。

（三）虛擬仿真實驗室應用成果

虛擬實驗室憑借其高效率、高拓展性、高安全性、高開放性、高資源共享性以及低成本等優點逐漸成為材料科學與工程實驗建設中心的航標，尤其是虛擬仿真實驗室結合理論與實驗的教學模式，在材料科學與工程專業多門專業核心課程中取得顯著成效。在材料現代分析技術方面，龔成斌[15]等借助虛擬實驗教學平臺的建立更新了教學內容，例如引進最新的材料研究史實、根據虛擬的仿真實驗過程制作最具有代表性的電鏡分析圖，讓學生自己觀察當今研究最熱門的材料，感受課程前沿性。吳杰[16]等提出讓學生通過虛擬平臺完成相關虛擬軟件的操作，提高學生的動手操作能力，加深和鞏固對理論知識的理解。林珊[17]等利用虛擬仿真技術解決了學生在《材料分析技術》實驗中對實驗設備基礎原理的認知有限性、學生對實驗方案的自主設計訓練不足和實驗成績的評價體系不完善等問題。在材料成型工藝方面，夏斯偉[18]等提出在統一的計算機平臺下，借助專業軟件（Ansys，Adams，ProCAST，Deform， Dynaform等）模擬實際工藝過程。郭瑞華[19]等建立仿真教學平臺將虛擬仿真與課堂教學、現場實習及畢業設計相結合，讓學生更直觀的認識了解生產工藝流程、生產設備、操作系統等專業知識，羅曉東[20]等以特種軋制工藝模擬仿真研究為例，分析在仿真過程中模型的建立及其工藝仿真，闡述了借助于虛擬仿真教學平臺，可解決設備臺套數不足、成本高等問題， 同時還能有效激發學生學習興趣，提高學生實際操作能力。在金屬熱處理及冶金工程材料制備技術等方面，黃鵬[21]等通過多組不同實驗參數的設定以此擴大實驗量，極大提高了實驗效率。在熱處理虛擬實驗中，一個學生能夠在相當短的時間之內完成以前整個班的實驗量。例如在對45鋼、40CrNi40CrN和T8鋼3組材質22種不同組織樣品的工藝設計、性能數據和組織形態進行實驗，學生可快速通過虛擬實驗高效率地完成實驗內容并更好地理解掌握理論知識。姚正軍[22]等利用FLASH、3DMAX對微觀組織和機理進行直觀展示，例如在做拉伸試驗時進行三維演示、在碳鋼的熱處理實驗時虛擬三維場景，使教學實驗更加生動具體化。

二、虛擬仿真實驗教學項目建設內容

（一）虛擬仿真實驗教學內容

虛擬仿真實驗應遵循以學生為主體的教學理念，開設面向材料科學與工程、高分子材料、材料成型與控制專業等本科學生的基礎實驗課、專業課、學科競賽、開放性課外實驗、二課以及創新實驗等。

虛擬仿真實驗的教學體系包括材料基礎課程虛擬仿真教學、材料專業課程虛擬仿真教學和創新研究虛擬仿真3大類別，以及后續過程中的材料設計、制備過程、加工成型等部分[23]。既能夠滿足大一、大二基礎實驗課程，又能滿足大三專業課程的需求，以及大四畢業設計的需要，同時對培養創新型人才還有著深遠影響。

虛擬仿真實驗的教學內容大致分為實驗前預習、虛擬仿真操作、考核評價三個部分。實驗前預習主要是通過實驗課視頻教學，學習理論知識、熟悉實驗原理、目的、實驗步驟、實驗內容，掌握虛擬仿真實驗的操作流程。虛擬仿真操作則包括實驗前期準備、軟件運行、參數設置、方法設計、觀察實驗進程、數據分析。考核評價采用系統智能化評分與實驗老師評分相結合的評價模式，實現評價多元化。林姍在《材料現代分析技術虛擬仿真實驗教學思考》一文中詳細地介紹了以氣相色譜進行虛擬仿真實驗時的完整教學內容，包括實驗預習部分、仿真操作現場部分和實驗考核部分[24]。

（二）虛擬仿真實驗教學師資隊伍

實驗師資隊伍的水平對學生的實踐能力往往有著重要影響。高校應重視專業實驗教師的發展和高水平實驗師資隊伍的培養。鼓勵教師不斷參加科研活動，在實踐中不斷總結思索教學活動，從而改進和完善教學模式，促使科研實驗與教學實驗相互補充、共同發展[25]。因此，虛擬仿真實驗對實驗教師水平提出了更高要求，除了能夠熟練講解關于實驗的理論知識、儀器原理操作外，還必須對虛擬仿真實驗室的內容和使用有深層次的理解，對于實驗軟件所暴露出的問題要敏感察覺并及時更正，使虛擬仿真實驗教學不斷發展成為新時代實驗教學的輔助工具，使高校實驗課錦上添花[26]。

（三）虛擬仿真實驗教學研發技術

目前大多數高校的虛擬仿真實驗是依靠在軟件公司購買的軟件所建立起來的，在對儀器使用、數據的分析處理方面存在著許多偏差。為了解決這一問題，校企合作開發、尋求產學研共同發展道路已經成為新趨勢。近年來，校企合作已成為產學研共同發展、互利互惠的基本途徑，將學校科研與企業生產相結合，形成資源共享、相輔相成的共贏模式。利用高校自身的科研和專業優勢與知名企業加強合作，發揮企業的資源優勢，共同開發出符合需求的虛擬仿真實驗系統[27]。

西南石油大學材料科學與工程學院依托科研資源，將Materials Studio和Themo-calc、ANSYS和 Fluent等軟件引入實驗課題，搭建了基于虛擬仿真實驗平臺的第二課堂平臺，充分利用不同的材料設計軟件用于不同的虛擬仿真實驗教學和科研。例如計算材料的電子和晶體結構、光電性質可用Materials Studio及Themo-calc軟件，研究不同加工過程的金屬材料的組織和性能可用JSCAST、DEFORM和Simufact.welding軟件。

三、結束語

材料學專業虛擬仿真實驗教學項目的構建，在解決當前實驗教學中的問題和不足的同時，還可實現以學生為主體的啟發性、直觀性、可視化教學，以此充分調動學生參與實驗的積極性，對于提高學生的自我探索能力、實踐創新能力有著顯著效果。不斷完善虛擬仿真實驗項目的建設體系，建立虛擬仿真實驗資源開放共享平臺，創造良好的實踐、科研氛圍，為培養高水平的創新型人才奠定基礎，構建平臺。

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