基于虛擬仿真技術(shù)的材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)改革

李 元 吳會杰

（[1]西南大學(xué)材料與能源學(xué)院 重慶 400715；[2]重慶文理學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 402160）

0 引言

伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)的蓬勃發(fā)展和應(yīng)用型人才的緊缺，實(shí)驗教學(xué)在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的過程中起到關(guān)鍵的作用，同時也是提升高校教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要途徑。材料專業(yè)是一門實(shí)驗性很強(qiáng)的學(xué)科，是培養(yǎng)具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、寬闊的知識面，又有較強(qiáng)的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才。但是，傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程實(shí)驗教學(xué)由于受實(shí)驗成本、安全、時間、空間、反應(yīng)極端條件等因素限制，不能大規(guī)模地開展實(shí)驗，不能滿足每個同學(xué)獨(dú)立操作實(shí)驗的需求，因此不利于教學(xué)水平的提高，也不利于學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神等綜合能力的培養(yǎng)。基于上述原因，進(jìn)行材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)改革已成為高校研究的熱點(diǎn)。

虛擬仿真技術(shù)是指充分利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬的實(shí)驗環(huán)境，在開放的仿真平臺上，讓學(xué)生自主開展實(shí)驗。在虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中，計算機(jī)模擬、理論教學(xué)和實(shí)驗環(huán)節(jié)是不可分割的統(tǒng)一體，相輔相成、相互作用，而不僅僅是單純的理論和實(shí)驗授課方式。虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)因其靈活性、安全性、低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外高等院校的實(shí)驗教學(xué)中得到了不斷的應(yīng)用，為材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)改革及本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)開拓了一條新途徑。本研究基于西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院“虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺”對材料科學(xué)與能源學(xué)院材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)實(shí)施了改革，成為目前本院實(shí)驗室建設(shè)的一個重要內(nèi)容。

1 傳統(tǒng)材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)中存在的一些不足

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)逐漸凸顯出一些不足之處：一些反應(yīng)條件極端、危險系數(shù)高、儀器精密、成本較高的實(shí)驗不能夠保證每位學(xué)生實(shí)際動手操作，鍛煉不了學(xué)生的動手實(shí)踐能力；另一方面，由于受實(shí)驗場地、儀器數(shù)量和師資水平等因素的限制，目前高校實(shí)驗教學(xué)往往采取分組實(shí)驗?zāi)Ｊ剑@樣就很難達(dá)到讓每個學(xué)生都能獨(dú)立操作并完成實(shí)驗內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生對整個實(shí)驗缺乏興趣和深刻的理解。實(shí)驗教學(xué)中用到的一些精密實(shí)驗儀器往往價格較為昂貴，在經(jīng)費(fèi)不充足的情況下，高校常常購買少量臺數(shù)的實(shí)驗儀器，因此學(xué)生只能分組、分時段使用實(shí)驗儀器，實(shí)驗操作受到很大的限制，實(shí)驗內(nèi)容不能很好地掌握，學(xué)生動手操作能力得不到提高，不利于實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量的提升。

高校缺少經(jīng)驗豐富、技術(shù)扎實(shí)的設(shè)備管理員，對實(shí)驗儀器的保養(yǎng)、維修不夠，一旦儀器發(fā)生故障，需要請專業(yè)工程師上門維修，耗時又費(fèi)力，導(dǎo)致實(shí)驗課無法按時進(jìn)行，大大影響了實(shí)驗教學(xué)進(jìn)度。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗儀器的更新?lián)Q代越來越快，但是由于受到經(jīng)費(fèi)限制，高校不能提供最新的設(shè)儀器給學(xué)生使用，學(xué)生仍然使用老舊的儀器進(jìn)行實(shí)驗操作，無法接觸到最新的前沿科學(xué)技術(shù)，不能進(jìn)行實(shí)驗創(chuàng)新，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力得不到提高。在傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)中，老師和學(xué)生之間的教學(xué)互動并不積極，學(xué)生只是按照老師的實(shí)驗要求按部就班地做完整個實(shí)驗步驟，并沒有深入探討該實(shí)驗的實(shí)驗?zāi)康暮鸵饬x，不利于當(dāng)前大學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)和發(fā)展。

針對上述問題，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景，提出材料科學(xué)與工程實(shí)驗教學(xué)改革方案，以提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的動手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。為了適應(yīng)社會發(fā)展需求，需要改革優(yōu)化高等學(xué)校實(shí)驗教學(xué)現(xiàn)狀。綠色節(jié)約、安全可靠、可視化的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺可以給材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)帶來深刻的變革，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有實(shí)驗教學(xué)模式的有效補(bǔ)充。

2 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的優(yōu)越性及開設(shè)要求

虛擬仿真實(shí)驗通過采用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境，完成各種預(yù)定的實(shí)驗項目，實(shí)現(xiàn)真實(shí)直觀的實(shí)驗效果，展現(xiàn)不可視的微觀結(jié)構(gòu)或?qū)嶒炘怼Ｍ瑫r，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)具有環(huán)保節(jié)能、綠色無污染、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)受實(shí)驗條件、時間以及空間等因素的制約，成為近年來國內(nèi)外高校實(shí)驗室發(fā)展的重要方向。

材料專業(yè)大量的宏觀實(shí)驗現(xiàn)象均來源于微觀，呈現(xiàn)出微觀作用下的宏觀表現(xiàn)，而微觀模型難以進(jìn)行實(shí)驗展示，學(xué)生學(xué)習(xí)也很抽象，很難解決理論模型和宏觀實(shí)驗現(xiàn)象的直觀聯(lián)系，限制了教學(xué)效果和質(zhì)量，因此學(xué)院在平臺建設(shè)中特別注重微觀實(shí)驗項目的開發(fā)和建設(shè)。同時針對前沿科學(xué)的極端條件、高危、高成本類實(shí)驗教學(xué)困難，打造薄膜材料制備及性能分析虛擬仿真實(shí)驗項目子課程，開發(fā)真空、高低溫、強(qiáng)場、微觀力學(xué)、腐蝕等條件下的線上實(shí)驗，建設(shè)樣品制備、性能檢測、儀器功能擴(kuò)展、綜合設(shè)計等難以開展大規(guī)模實(shí)體訓(xùn)練的虛擬仿真項目群。在保障驗證性、綜合性和設(shè)計性虛擬仿真實(shí)驗的基礎(chǔ)上，學(xué)院堅持教學(xué)與科研相結(jié)合，打破教學(xué)實(shí)驗與科研實(shí)驗的壁壘，以科研人員為基礎(chǔ)、科研軟硬件平臺為支撐，開發(fā)科研創(chuàng)新性實(shí)驗項目，做到教學(xué)科研的深度融合。學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗室要能夠面向?qū)W生開放，不局限于課堂學(xué)習(xí)，調(diào)動學(xué)生利用課余時間自主學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)模式的優(yōu)勢。

虛擬仿真教學(xué)的引入，一定程度上加大了教師的工作量，比單純的課堂教學(xué)模式更繁瑣，更難控制，所以教師要突破傳統(tǒng)教學(xué)思想，合理的將虛擬仿真實(shí)驗融入到實(shí)驗教學(xué)中，更好的培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3 虛擬仿真在我院材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合西南大學(xué)材料科學(xué)與能源學(xué)院現(xiàn)有條件，作為對已開設(shè)材料專業(yè)實(shí)驗課的有效補(bǔ)充，構(gòu)建了一套完善的材料專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)體系。

與傳統(tǒng)實(shí)驗相比，虛擬仿真實(shí)驗室具有開放性、實(shí)踐性、成本低廉等特點(diǎn)。我院引進(jìn)一系列大型儀器實(shí)驗虛擬仿真軟件，包括真空技術(shù)虛擬仿真、高低溫虛擬仿真、強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場虛擬仿真、薄膜制備虛擬仿真、薄膜性能分析虛擬仿真、特殊環(huán)境薄膜失效分析等，開啟了一種新型的教學(xué)模式—虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)。學(xué)生可以根據(jù)需要自主登陸儀器分析虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，不受時間和空間的限制。用戶可以根據(jù)需要對軟件進(jìn)行靈活自定義，在模擬過程中培養(yǎng)分析解決問題的能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生可單人操作，獲得實(shí)踐經(jīng)驗；可重復(fù)操作，避免超負(fù)荷運(yùn)作儀器帶來的儀器設(shè)備損害和試劑藥品浪費(fèi)，節(jié)約實(shí)驗室建設(shè)成本。此外，虛擬仿真軟件具有強(qiáng)大的三維顯示功能，學(xué)生現(xiàn)場觀摩儀器內(nèi)部構(gòu)造，模擬儀器操作全過程，圖文并茂，生動直觀，大大提高教學(xué)效果。

以薄膜制備為例，分子束外延作為一種高端制膜技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)原子級精確可控的超薄單晶及量子結(jié)構(gòu)的生長，是目前半導(dǎo)體功能材料的主要制備手段之一，推動了以超薄層微結(jié)構(gòu)材料為基礎(chǔ)的新一代半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。該技術(shù)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐對物理、材料、微電子等專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用顯著。然而，分子束外延設(shè)備價格昂貴、實(shí)驗周期長、零失誤的操作要求等，致使分子束外延技術(shù)很難在本科生教學(xué)中普及。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)引入到該實(shí)驗教學(xué)中，可以很好的解決以上面臨的各種問題。

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺打破傳統(tǒng)實(shí)驗室的建設(shè)模式和思路，構(gòu)建大平臺、大數(shù)據(jù)、跨專業(yè)共建、多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的一體化實(shí)驗中心，通過跨專業(yè)共建與多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)互通、教學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)領(lǐng)先、人才培養(yǎng)等目的；實(shí)現(xiàn)校內(nèi)共享、校際交流、多方聯(lián)動的大平臺，如開放的教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，用戶將不僅僅局限于本專業(yè)或本系的學(xué)生，而是可以在多專業(yè)、多學(xué)科、多學(xué)院之間進(jìn)行資源共享，最大化的發(fā)揮實(shí)驗室效用，成為微型社會運(yùn)作的載體；實(shí)現(xiàn)教學(xué)、科研和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，成為產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的新形式。

堅持“虛實(shí)互補(bǔ)相結(jié)合”和“課堂內(nèi)外相結(jié)合”，充分發(fā)揮“虛擬”和“實(shí)體”實(shí)驗的各自優(yōu)勢，將虛擬仿真實(shí)驗與真實(shí)實(shí)驗相互貫穿，交叉地在虛擬和真實(shí)環(huán)境中開展實(shí)驗操作，強(qiáng)化實(shí)驗培養(yǎng)質(zhì)量，旨在讓學(xué)生在大學(xué)各階段的學(xué)習(xí)中都能開展實(shí)驗操作，通過激發(fā)學(xué)生的求知欲來提高學(xué)習(xí)興趣，從而增強(qiáng)學(xué)生理論知識和實(shí)驗知識的融合貫通，全面提升學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

材料專業(yè)仿虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)體系的構(gòu)建，不僅促進(jìn)學(xué)生深刻理解課堂理論知識，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，而且有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)暴露出來的不足，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有材料專業(yè)實(shí)驗教學(xué)模式的有效補(bǔ)充。有助于提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力、分析問題以及解決問題的能力，有利于拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力和發(fā)散思維，為培養(yǎng)新型應(yīng)用型人才奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。