虛擬仿真在礦冶工程材料實驗教學中的應用
——評《材料力學實驗與創新設計》①

張旭茗

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR），又稱虛擬現實或靈境技術。 該技術是計算機技術、仿真技術、多媒體技術、人機接口技術、人工智能技術及傳感與測量技術等多種高新技術的結晶，具有逼真性、實時性和交互性等特征。 計算機與信息技術對于化學化工而言有重要的應用價值，不僅能通過虛擬仿真技術揭示化學過程的本質規律，還能提高人才培養質量，滿足社會對高校化學化工專業人才培養提出的新要求。 礦冶材料類專業要求學生掌握寬厚牢固的化學理論基礎和專業熟練的實驗技能。 實際上，無論是采礦、選礦、冶金專業，還是能源、醫學、化學專業都需要對學生處理化學及工程問題能力進行培養，尤其注重培養學生研究化學反應過程的機理、資源加工時化學成分的提取與分析以及環境污染治理等方面的實驗與創新能力。 然而，由于缺乏實驗設備或出于安全問題的考慮，很多實驗教學活動無法開展。 虛擬仿真可以彌補現實條件的不足，實現真實實驗難以完成或不具備的教學功能，滿足高層次人才培養目標的需要。 因此，探究虛擬仿真如何應用于礦冶材料實驗教學具有深遠的現實意義。

《材料力學實驗與創新設計》一書由趙增輝和邢明錄主編，煤炭工業出版社2018 年出版。 該書融合了近年來山東科技大學材料力學省級精品課程建設項目、山東省骨干學科力學實驗教學中心建設項目、全國大學生力學競賽培訓、基礎力學創新設計大賽及基礎力學創新實踐教學的相關成果。 全書內容共5章，第一章介紹材料力學實驗的地位、任務、內容、測試方法以及發展歷程；第二章是基礎型實驗，包括6 個材料力學性能實驗和3 個電測實驗；第三章是綜合設計型實驗，包含材料彈性模量和泊松比測定實驗、偏心拉升、等強度梁、復合梁、壓桿穩定5 個實驗；第四章是創新設計型實驗，詳細講解鋼架和桁架兩個實驗的實驗目的、儀器設備與操作規程、實驗原理與方法、實驗步驟以及數據處理；第五章為基礎力學創新設計實踐，介紹了山東科技大學開展基礎力學創新實踐的典型題目和第十屆全國周培源大學生力學競賽團體賽項目。 書中各章節的內容相對獨立，可供非獨立設課的學校選用，也可作為基礎力學創新實踐設計參考書。 該書闡述詳細，內容豐富，對于材料實驗教學的相關研究具有較強的參考作用。 結合書籍內容，虛擬仿真在礦冶工程材料實驗教學中的應用有以下幾點：

其一，構建基礎化學仿真實驗平臺。 基礎化學是礦冶工程材料專業的基礎課程，構建基礎化學仿真實驗平臺可在3個方面提升化學實驗教學效果，夯實學生的理論基礎和技能。一是針對化學分子反應的微觀過程。 化學分子看不見、摸不著，學生理解其層次結構存在一定困難。 基礎化學仿真實驗平臺可向學生展示化學反應的微觀過程，讓學生能更為直觀地感受和理解化學分子、原子的結構，清楚化學反應的微觀過程，并能獨立完成分子設計合成。 二是針對實驗操作條件的不足。 現實實驗教學過程中，存在試驗數量大、儀器設備不足，或學生無法直觀感受儀器工作原理的問題。 利用仿真實驗平臺，學生能清楚了解儀器的內部結構和工作原理，更好地掌握化學實驗儀器與實驗方法。 三是針對化工設備結構復雜和難以測定作用機理的問題。 開展仿真實驗教學，能節約教學成本，降低實驗污染，還有利于學生理解化工單元操作。

其二，創造現實不具備的實驗環境。 礦冶工程材料專業有部分實驗需在高危或極端的環境下完成，消耗成本大且涉及不可逆的操作，現實世界難以滿足實驗條件，而虛擬仿真技術的應用能解決這一難題，為礦冶工程材料實驗教學提供合適的實驗條件與環境。 真空冶金、高溫冶金、特殊材料的制備都屬于能耗高、危險性高的實驗教學內容，且不少教學內容對國防技術、節能技術的發展大有裨益，具有重要的學習研究價值。 通過虛擬仿真技術設計模擬實驗過程，可以鍛煉學生的實驗操作技能，學習了解高溫實驗過程，進而掌握高溫環境下有色金屬冶煉和材料制備的操作步驟及其相關原理和技術。 將虛擬實驗與實際教學過程相結合，能進一步實現人才培養目標。

其三，改善實驗教學的方法與內容。 礦物分離和濕法冶金是礦冶材料實驗常用的方法，但這兩種方法涉及復雜的擴散動力學和反應熱力學內容，且分離物質和制備材料過程中需要大量水資源和有機溶劑，不但資源消耗量大，污染也較為嚴重。在礦冶工程材料實驗教學中應用虛擬仿真，采用虛實結合的實驗教學方法，可提高化學化工領域人才培養質量。 先小批量在現實中進行化學實驗，讓學生對實驗操作步驟及其反應現象與過程有直觀的認識，再進入虛擬仿真模擬的實驗環境中進行大規模實驗，強化學生儀器設備操作能力和實驗技能。

虛擬仿真可應用于礦冶工程材料實驗教學的基礎知識學習、技能培訓及實驗操作等方面，具有完善教學內容、創造實驗條件和改善教學方法的作用。 《材料力學實驗與創新設計》一書內容專業，論述清晰，對礦冶領域相關研究具有重要參考價值。