新工科背景下工科專業虛擬仿真實驗室建設與實踐

張晶 王騰飛 王伊培

摘?要：隨著新工科建設的推進，對工科專業的實驗實訓條件提出了新的要求，當前工科專業實驗實訓場地不足和教師缺乏跨學科知識機構。虛擬仿真實驗室可以很好地解決工科專業實驗實訓中的困境。同時，工科專業課程教學大綱的改進和教師跨學科研究能力的提升是虛擬仿真實驗室建設的保障。

關鍵詞：虛擬仿真實驗室?新工科?工科專業

中圖分類號：G642?文獻標識碼：A?文章編號：1003-9082（2020）10-0-01

2017年2月以來教育部相繼發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》等指導性綱領，推進新工科建設。高校結合企業需求也提出了“智能+制造”“大數據+數控”“新材料+建工”等新工科人才培養模式，這對工科專業的實驗實訓提出了新的要求。虛擬仿真實驗室是一種“互聯網+”實驗室模式，以大數據和仿真技術為依托，建立虛擬實驗場景，學生在虛擬的環境中通過人機交互的方式開展各項預定實驗項目。狄海廷等學者認為研究認為虛擬仿真實驗優質資源的有效開放與共享，提高教育投入的使用率和使用效益，是急需解決的重要問題。

一、新工科背景下工科專業實驗室建設的短板

1.給校內實驗室建設提出新的挑戰

傳統的實驗實訓課程都是相對獨立的，實驗室針對某一門或幾門進行建設，每門實驗實訓課程按照既定的教學大綱和固定的實驗室完成。如材料成型及控制工程專業的《材料成形工藝及模具設計》課程的實訓，學院專門設立了模具設計的實驗室來完成相關的實驗實訓。新工科建設以后，實驗實訓課程體系中將“智能控制”“材料成型及控制工程”融合到一起，《材料成形工藝及模具設計》課程的實訓擴展到《材料成形模具數字化設計》《材料成形設備與控制》《材料成形過程數字化》等三門課程，學校需要購買價值近千萬的金屬材料高性能3D打印機，并且對實驗實訓場地提出了更高的要求，導致很多高校缺少足夠資金對實驗室進行改造。

2.對實驗實訓指導老師提出新的挑戰

傳統的實驗實訓教學中，實驗指導老師只要掌握本專業知識和操作技能，根據教學大綱安排學生進行操作就可以。新工科建設以后，實驗實訓教學內容涉及多個學科領域，運用跨學科的知識來完成某一項實驗，立足于學生解決實踐問題的能力。如車輛工程專業《汽車構造》實驗實訓課程，傳統的實驗實訓課程中，老師根據汽車的結構原理指導學生完成模型車輛的組裝，汽車能夠自由駕駛就算達到了實訓效果。但新工科需要課程教學大綱含有智能裝配內容，學生需完成組裝以后還要完成智能，才能達到實訓的需要。因此，需要《汽車構造》指導老師掌握人工智能、自動化控制、物聯網等相關知識，才能勝任實驗實訓課程的指導。

二、虛擬仿真實驗室能有效解決新工科建設中實驗實訓難題

1.虛擬仿真實驗室實現實驗實訓課程的系統性

新工科對實驗實訓課程提出更高的要求，從系統論的角度看實驗實訓課程的設計。如“智能+制造”的車輛工程專業為例，實驗課程及涉及智能控制中的《移動嵌入式系統開發》和《智能制造信息系統開發》等實驗實訓課程，也涉及車輛制造中《液壓技術》與《汽車結構》等課程。而現在絕大多數高校智能控制和車輛工程的實驗室是分開的，也沒有成熟的“智能車輛制造”的實習實訓教學大綱。通過“智能車輛制造”虛擬仿真實驗平臺，可以通過一個綜合實驗來完成《移動嵌入式系統開發》《智能制造信息系統開發》《液壓技術》《汽車結構》等四門課程的綜合實訓，實現智能控制和車輛制造實習實訓課程有效地整合。

2.虛擬仿真實驗室有效地解決實驗設備和場地不足的問題

新工科對實驗實訓設備和場地提出新的要求，如“新材料+土木”的土木工程專業為例，由于是使用新的材料，材料的承受面積、韌性需要重新進行驗證?！恫牧狭W》《鋼筋工混凝土肋梁樓蓋設計》等實驗實訓課程，根據新工科的要求，需要重新建設大型風洞、標準化的力學檢測設備和防腐蝕等測量儀器，而這些新的實驗實訓設備十分的昂貴，并且需要重新建設實驗室，非工科院校很難有足夠的資金在短時間內完成實驗室建設。而土木工程材料虛擬仿真實驗室平臺，實驗室只要配備高新性能的電腦和1兆的寬帶，學生就可以在虛擬的環境中所有的實驗。有效地解決實驗設備和場地不足的瓶頸。

三、 虛擬仿真實驗教學中需要注意的問題

虛擬仿真實驗平臺的實驗，他是依托相關理論課程建設的，其實驗的目是為了更好地掌握好理論知識，應用好理論知識。

1.更新實驗實訓的課程設計、推動虛擬仿真實驗教學

實驗實訓的教學的目標是幫助學生消化理論知識，將知識轉化成為能力。根據新工科的要求。虛擬仿真的實驗是多學科的交叉，因此要開設相關的交叉學科的理論課程，如《材料成形過程數字化》實驗實訓課程前，學生需要系統地學習數字化的相關軟件和材料物理學等相關課程。學生在學習過程中才有理論基礎。通過實驗實訓將不同學科的理論有效地結合起來。實驗實訓課程如果離開相關理論的指導，導致學生對相關問題只是知其然，而不知其所以然。如材料成形過程的數字化過程中，如果不知道相關原理，材料的性質發生相應的變化，學生就可能無從下手。

2.教師需要不斷充電、上課過程中才能做到放矢

隨著互聯網和智能技術的發展，學生通過虛擬實驗室進行學習，并且可以獲得很多書本上沒有涉及的交叉學科的知識。教師作為教學的主導，如果不進行不斷地充電，學習交叉學科的知識，就有可能面對學生的問題束手無策，這樣會嚴重影響教師在學生心目中的形象。如材料類專業的老師在掌握好傳統的《材料科學與工程導論》《納米材料與納米技術》《功能材料》《材料物理》等本專課程同時，也要關注《流體力學》《建筑材料》《結構力學》等相關學科知識的發展，在與學生交流過程中才能做到有的放矢。如果老師對相關知識不是很掌握，不愿意進行交叉學科的研究，老師的科學視野必然受到局限，也將影響虛擬仿真實驗的教學效果。

參考文獻

[1]李璐.虛擬仿真實驗室應用于初中物理實驗教學的理論與實踐研究[D].陜西師范大學，2009.