虛擬仿真實驗項目在材料學科課程教學中的設計與探索＊

祖 梅，程海峰，尹昌平，王 松，王楠楠，饒立鳳

（國防科技大學空天科學學院陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室，湖南 長沙410000）

1 引言

材料科學與工程是集基礎性和交叉性為一體的綜合性學科，是國防科技創新和武器裝備發展的物質基礎。材料學科是國防科技大學空天學科群的核心基礎學科，同時是信息技術、機械工程、計算機科學與技術等一批工程技術學科的支撐學科，支撐和引領著其他高技術領域的發展，是最具推動力的共性基礎學科。學生是科學研究的生力軍，也是創新的主體力量之一。對于學生創新能力與素質的培養是人才培養的重要環節，也是高素質新型人才培養的必然要求。

長期以來，材料科學與工程專業要求學生在系統掌握材料科學基本理論的基礎上，還必須通過實踐訓練掌握材料新技術設計、加工的能力，它的實驗教學也是材料課程教學中的一個重要實踐環節。通過理論教學與實驗教學相結合，使學生不僅能掌握基本理論，善于分析和解決問題，同時也培養學生的動手能力、驗證理論、探索新知識的能力。利用理論和材料工程的基本技能對實驗結果進行分析并設計新的實驗，從而起到實踐創新的培養目的。

然而，隨著科學技術的飛速發展，材料學科新材料技術的快速發展，材料學科教學面臨嚴峻形勢挑戰，往往存在著教學內容滯后和脫離實際的現象。在有限的實際操作鍛煉中忽視了對學生探索和創新精神的培養，只是單純地讓學生按照擬定好的操作步驟進行操作，學生既無法真正掌握相關實驗的核心內涵，又不能與所學理論進行呼應。以上種種問題導致學生在本科階段專業實踐技能的鍛煉不夠，進入研究生學習后難以很快適應研究生階段的生活。

電子技術的不斷發展以及實驗設備的“自動化”發展趨勢，使得實驗設備越來越趨向于“黑匣子”。在這個大背景下[1-3]，有必要建立材料學科虛擬仿真實驗系統，有針對性地對材料專業學生進行系統性地實踐技能培養。這不僅能夠幫助學生更好地理論結合實踐，強化專業知識，深入理解教育、教學的目標和策略，而且還能極大程度地發揮學生的主觀能動性，培養良好的學習習慣、探索精神和創新能力。

2 開設仿真實驗的意義

2.1 提高學生自主學習和探索的能力

學生從被動地聽、看的角色轉變為學習過程中的主動參與者。采用虛擬仿真實驗這種完全交互式的模擬，學生可以在其中執行實驗、收集數據和回答問題，以評估自己對知識點的理解和掌握。虛擬仿真實驗是動畫、視頻、感知設備、高仿真環境的組合，學生參與過程并獲得關鍵信息，可以自主DIY 實驗，進行大膽探索，享受探索和創造的樂趣。虛擬仿真實驗項目會更加突出研究探索，有助于培養學生的創新意識和能力[4]。學生在傳統的實驗過程中，往往習慣于只按操作指南去完成實驗，很少去分析和思考實驗系統、實驗步驟為何如此設計，實驗數據結果是否合理。學生長期如此學習和做實驗的結果是自主探索意識進一步減弱。

虛擬仿真實驗會更加突出學生的主體地位，手腦并用，更加有助于學生建構科學的知識體系；更加突出觀察思考、綜合設計和多元分析結合，更加有助于提高學生綜合科學素質；更加突出知、情、意、能的高級復合作用，更加有助于學生德智體美勞全面綜合發展。

通過使用多媒體技術，可以非常高效地向學生展示實驗中的精彩和實驗方法的奇妙之處，使用網絡技術又便于學生根據自己的喜好選擇自己感興趣的實驗內容，進而提高他們對實驗課程學習的興趣和積極投入的動力，從而提高實驗訓練的效果。

2.2 虛擬仿真實驗消除了時間和空間限制

虛擬仿真實驗為學生提供了一個平等的、傳統實驗室無法提供的學習體驗，因為他們消除了傳統實驗室的所有物理限制。虛擬實驗項目可以讓學生在不受時間、資源和空間限制的情況下獲得深層概念領域知識，并發揮推理、批判性思維、創新和創造性技能。虛擬實驗可以重復多次，且讓學生更改相關參數，便可立即觀察視覺呈現結果中的效果，接收實驗的反饋。

同時，通過拓展遠程教育的領域，讓實驗可以通過網絡不受時空限制地利用實驗設備進行實驗，和其他實驗者共享資源，實現合作實驗、指導實驗、遠程實驗等。虛擬實驗將學生的學習場域從有限場突破到無限場、虛擬場。虛擬實驗豐富和完善了現有教學手段，消除了實驗實踐教學盲點，增強了學習體驗，提高了學習興趣，從而提升了教學質量。在此過程中，學生可以“無成本”地改變各種實驗條件，檢驗自己構建的模型的合理性及有效性，并預期實際實驗研究過程中可能出現的問題，進而優化實際進行實驗的設計及效率[5]。

許多實驗開設條件苛刻，成本很高，但若不涉及這部分內容，又會遠離前沿研究，無法體現實驗內容與時俱進的趨勢。而且，若不開展這類教學實驗，則課程體系將存在不完整的遺憾。為了彌補以上缺陷，虛擬仿真實驗教學是必由之路。同時，錄制實驗教學視頻能夠更好地有助于學生掌握實驗內容和實驗技術。

3 虛擬仿真實驗在材料學科中的一點探索與實踐

現代戰爭中，偽裝技術是作戰保障的重要內容。偽裝隱身材料是指能消除、減小、改變或模擬目標與背景之間光電信號差別的材料。正確地實施偽裝，不僅能隱蔽作戰意圖，達成作戰行動的突然性，而且能降低敵方殺傷兵器的命中率，減少己方人員、工事和兵器的毀傷，提高部隊的生存能力，爭取戰場的主動權[6]。

數字化迷彩偽裝設計虛擬仿真實驗共分三個模塊，分別為動物偽裝效果判讀（模塊一）、迷彩偽裝設計（模塊二）、迷彩偽裝效果判讀（模塊三）。其中模塊一是以自然界中動物的偽裝現象引入主題，讓學生找出圖片中隱藏的目標，通過發現目標的時間來反映偽裝效果，以游戲的形式直觀地體驗人眼判讀法的偽裝效果評估方式，通過虛擬實驗平臺，學生主動操作，可更直觀地感受偽裝的形式。

模塊二包括作戰場景認知和迷彩偽裝設計2 個場景。場景1 為作戰場景認知。偽裝隱身材料應用的作戰場景主要有林地、荒漠、雪地三種背景。圖1～圖3 分別為林地背景、荒漠背景、雪地背景。利用虛擬仿真技術實現實驗場景的建模仿真，還原真實作戰場景，將學生的學習場域從有限場突破到無限場、虛擬場，并通過偵察無人機的巡游探測，感受偵察、目標的對抗關系，深刻體會偽裝的重要性。學生通過操作鼠標可移動視角及切換角度，圖4 為不同觀察距離下的視覺切換，可顯著增強學生的真實體驗感與參與感。模塊二中的場景2 為迷彩偽裝設計模塊，讓學生直觀地學習偽裝設計的流程及要素，從背景采集、背景處理到迷彩偽裝設計，掌握設計的關鍵點，直觀感受目標的不同作戰狀態對應著不同的偽裝形式以及在不同作戰背景下偽裝圖案對偽裝效果的影響。

圖1 林地背景

圖2 荒漠背景

圖3 雪地背景

圖4 不同偵察距離下拍攝的目標處于背景中的圖片

模塊三為迷彩偽裝效果判讀。該模塊與模塊一形成前后呼應，即將自然中動物的偽裝原理運用到重要目標的軍事作戰中，使學生體會偽裝技術對作戰的重要性。圖5 為目標偽裝前后的視覺效果對比。通過比較可以看出實施偽裝后的圖片中，目標與背景融合效果甚好，可降低目標的發現概率。由此可見，在實驗教學過程中加入虛擬仿真模擬場景，能極大地調動學生學習偽裝技術的積極性和參與實驗操作的主動性，并促使學生養成獨立思考的習慣，從而提高實驗效率。

圖5 目標偽裝前與偽裝后的效果對比

4 結語

本文分析了空天科學學院材料學科實驗教學的現狀與存在的主要問題，闡述了虛擬仿真技術在實驗教學中的作用與優勢，并將虛擬仿真技術引入材料學科實驗教學，探索了虛擬仿真技術在材料學科“數字化迷彩偽裝設計”實驗教學中的應用模式，通過引入虛擬仿真輔助教學技術，開展了相關課程在教學內容、方法和考核評價方式上的改革探索，為進一步推動國防科技大學材料學科教學課程的深化改革奠定了堅實基礎。