材料科學與工程專業虛擬仿真實驗教學改革與探索

梁李敏 陳學廣 劉 哲 何 珺 范佳薇

（河北工業大學材料科學與工程學院 天津 300401）

0 引言

虛擬仿真實驗教學是教育信息化發展和實驗教學改革相結合的創新目標和產物。國家《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012] 4 號）中提出了強調實踐育人的措施，《教育信息化十年發展規劃（2011-2020 年）》也指出，建設仿真實訓基地等信息化教學實施，建設實習實訓等關鍵領域的管理信息系統，建設支撐學生、教師和員工自主學習的科學管理的數字化環境，是虛擬實驗教學發展的目標。

1 虛擬仿真教學實驗建設的必要性

材料科學與工程專業是一門實踐性較強的學科，虛擬仿真實驗教學可以綜合應用虛擬現實和多媒體技術構建仿真的實驗環境，使學生自主地在開放的虛擬仿真平臺上開展實驗，彌補了傳統實驗不能實現的教學功能，可以有效地提高實驗教學的質量。[1-5]材料科學與工程專業在實踐教學過程中存在一些普遍性的問題，一些專業實驗要求在高溫、高壓、高危險等極端條件下操作，一些物理化學類的實驗在操作過程中使用到有毒或易爆的原料或化學藥品，[6,7]一些微觀尺度的實驗，難以通過實驗教學的手段來觀察。一些涉及大型設備的實驗，受到實驗臺套數的限制，無法滿足學生的動手要求。[8,9]虛擬仿真實驗的開展可以有效地解決傳統實驗平臺建設周期長、投入大、設備功能缺乏等問題，可以節省實驗室建設過程中人力、物力和財力的投入，降低實驗教學成本，保障實驗有效地正常開展。另外，網絡化的虛擬實驗比傳統的實驗更具有開放性，可以打破時間和空間的限制，可以根據專業、興趣和愛好自主地進行實驗方案的設計，實驗內容的選擇，實驗結果的分析評價等。學生由傳統的被動地接受實驗內容轉變到主動地參與和掌控實驗過程，豐富了實驗教學的內容，提高了學生創新能力的培養。

2 虛擬仿真教學實驗建設的內容

虛擬仿真實驗教學內容要根據專業情況和人才培養方案來制定，材料科學與工程專業有金屬材料、材料成型、材料物理、功能材料和無機非金屬材料五大專業，學生的專業課程設置主要分為專業基礎課程、專業課程和實習類課程三大類。虛擬仿真實驗教學必須本著“虛實結合，互為補充，能實不虛”的原則，根據實驗教學規劃，開展虛擬實驗課程。根據對材料專業特點、培養計劃和培養目標的綜合考慮，我校材料科學與工程專業的虛擬仿真實驗教學主要分為微結構材料虛擬仿真、材料檢測虛擬仿真、極端條件專業實驗虛擬仿真和實習實踐虛擬仿真模塊四大部分。

2.1 微結構材料虛擬仿真模塊

在開設專業課程之前，材料科學基礎、材料力學性能和材料物理性能等專業基礎課程是材料學專業學生必須掌握的內容。在這些課程中，晶體結構的表達和分析，晶體結構對材料物理化學性能的影響都是課程教學中的難點和重點。將虛擬仿真技術與微觀結構相結合，將抽象和微觀的晶體幾何形態和點陣用三維模型在虛擬平臺上可視化，從而建立晶體結構與材料物性的直觀連接。微結構虛擬仿真模塊主要可以分為兩個方面：一是微結構材料理論模型的建立，材料結構的理論模型可以根據材料的性質來設計，也可以根據材料體系的空間尺寸來設計。材料結構的建模可以采用可視化界面的建模軟件material studio 和MAPS 等，學生能根據需要搭建不同維度不同尺寸的結構模型，同時加深對材料微觀結構的了解。二是材料物理性質分析的虛擬模塊，在建立結構材料模型的基礎上，利用material studio, MAPS, MedeA 等計算軟件包中的分子動力學方法模塊、蒙特卡洛方法模塊和第一型原理計算模塊對結構模型進行最穩定結構搜索，執行物理性能的模擬計算。學生在執行物理性能模擬計算的過程中，可以設置通過的參數，得到不同的結構，加深學生對材料物性的理解，為學生提供基本的科研訓練和研究手段。

2.2 材料檢測虛擬仿真模塊

現代材料分析方法是材料科學與工程專業的必修課程，課程開設的目的是讓學生掌握現代材料的各種測試方法，了解測試設備的基本原理、結構和圖譜數據分析方法等，為大四的畢業設計和科學研究打好基礎。現代材料分析方法實驗課程自開設以來也存在著一些問題。對于材料科學工程學院來說，不同的專業所學材料的種類不同，因此材料的測試方法也存在著差異。另外，現代材料分析方法實驗課程涉及的設備都是大型精密儀器設備，設備價格昂貴，設備的臺套數只有一臺，無法滿足學生實驗課程的實際操作要求。學生幾乎沒有獨立操作設備的機會，學生對儀器的認識停留在書面知識上，缺少實際操作經驗，一定程度上影響了學生實踐能力和創新能力的培養。針對目前實驗教學中存在的問題，結合各學科各專業發展的特點，搭建大型分析儀器虛擬仿真實驗室，虛擬仿真測試樣品數據庫里不僅要包含各專業典型材料的測試參數及圖譜，同時也要將一些當前科技發展前沿的材料納入數據庫中。不僅可以增加學生對微觀分析技術的興趣，同時加深了學生對各種檢測技術的原理和應用的了解，增強了學生對科學研究的興趣，對學生以后從事新材料相關的生產和研究有極大的幫助。

2.3 極端條件下的虛擬仿真實驗模塊

對于材料專業類的學生來說，專業基礎教學實驗設備相對比較齊全，這些專業基礎實驗能實不虛，讓學生親自動手操作，提高了學生的實踐動手能力。但是專業實驗受到實驗條件的限制，學生不能全程參與到實驗中，無法觀察整個實驗過程。例如：鋼鐵冶金課程中的煉鋼實驗，材料成型專業中的液態金屬澆注實驗等。由于受到實驗設備、實驗條件及實驗安全性等條件的限制，目前這些實驗課程都是采用演示觀摩的方式進行授課。對于這些極端條件下的實驗課程，可以搭建虛擬仿真實驗模塊，模擬材料制備加工過程的真實實驗，學生可以根據需求改變實驗條件，如：改變實驗原材料的添加，改變實驗過程中的溫度，改變樣品成型的模具等，通過虛擬實驗過程的調試，達到學生實踐能力的培養。同時，原有的演示觀摩實驗也不能取消，將虛擬仿真實驗和目前的實驗授課方式虛實結合，達到培養學生實踐能力和創新能力的目的。

2.4 虛擬仿真創新實習模式

實習實踐環節對于材料專業人才的培養必不可少，認識實習、生產實習和畢業實習在大學的課程中占了重要比例。但是工廠企業為了學生的安全考慮，原有的知識應用與生產實踐變成了走馬觀花式的觀摩過程，學生無法深入地了解整個生產過程，以及生產過程中涉及的科學問題，從而制約了學生實踐能力和創新能力的培養和提高。虛擬仿真創新實習模式就是要構建實訓數字化資源體系的實踐場所，實現“虛擬仿真實訓系統，真實生產過程觀摩，虛擬現實仿真實習訓練”三位一體的現代實習訓練教學模式。虛擬仿真實訓系統要與專業認識實習相結合，實訓系統軟件應主要包括實訓環境三維虛擬仿真、工藝設備的展示和工藝流程的自動仿真演示等。虛擬現實仿真訓練與生產實習相結合，虛實并進，通過虛擬仿真實訓軟件來實現生產設備的三維虛擬，對設備的結構和功能進行瀏覽，對主要的工藝過程進行三維虛擬，進行工藝操作參數的選擇和主要工藝過程的仿真操作。因此，加強校企合作數字化虛擬資源的建設，將虛擬實訓和專業實習相結合的模式，發揮虛擬實訓參與方式靈活和學生參與度的覆蓋面，更好的促進專業技術人才的培養和創新能力的培養。

3 結語

材料學科是一門實踐性很強的學科，為了培養創新型專業技術人才，傳統的實驗教學也在向“基礎性、綜合性、實踐性、創新型”的新的實驗教學模式過渡。從我校材料科學與工程專業的實際出發，分析實驗教學過程中存在的不足，制定了適合我校材料專業的虛擬仿真實驗內容。希望借助多媒體技術、虛擬仿真技術和計算機網絡技術，提高了實驗的開設率和學生的參與率，提升實驗教學的質量，激發了學生的學習熱情和興趣，促進創新型專業技術人才的培養。