工程材料在虛擬仿真實驗教學中的應用探索

尤一泓

摘 要：將工程材料應用到虛擬仿真實驗教學中，可以幫助學生理解、鞏固和提高理論知識，積累實際工作經驗。本文分析了工程材料在虛擬仿真實驗教學中應用的現狀及優點，并探討了實驗教學的優化思路。在課堂上，通過引入虛擬仿真實驗來驗證，可以使學生更好地了解和掌握實驗方法，從而促進學生的自主思維和創造能力。

關鍵詞：工程材料;虛擬仿真;實驗教學

在工程材料課程的教學過程中，利用虛擬仿真模擬軟件，學生能夠通過實驗過程驗證理論知識，同時能夠直觀地了解材料屬性的科學規律。實驗教學能夠使學生在實踐中獲得較好的理論知識和技能，同時也能夠提高學生對問題的發現、分析和解決問題的能力。實驗教學在提高學生的科學素質、培養創造性人才方面起著舉足輕重的作用。通過虛擬仿真實驗，幫助學生理解工程材料相關知識點，在提升學生動手能力、激發學生學習熱情以及改善學生學習效果方面有積極的作用。本文針對目前工程材料實驗教學中存在的問題，探討了如何將工程材料應用于模擬技術的實驗教學，并提出了采用模擬技術進行課堂實驗示范的方法。

一、現行虛擬仿真實驗教學現狀及問題

（一）現行實驗教學概況

實驗教學分為兩個部分：基礎實驗和綜合實驗。工程材料基礎實驗是相關專業的重要組成部分，它在工程類學科教育中具有積極意義。在培養學生的基本專業知識和創造能力的過程中，具有承上啟下、承前啟后的作用?；A型實驗是以基礎知識為載體，注重基礎知識與技能的培養，加強基礎實驗技能的培養，為培養學生的創造能力打下堅實的基礎。工程材料綜合實驗是一種增強性的實驗，它需要應用所學到的有關材料的基本理論和基本實驗操作技能。綜合實驗的重點是鞏固理論知識，設計實驗方案，提高學生的動手能力和團隊合作意識?？茖W的實驗教學系統有利于學生掌握知識、技能和方法，有利于培養學生的創造性和綜合素質[1]。

（二）試論工程材料在虛擬仿真實驗中應用應注意的幾個問題

（一）工程材料或場所的限制

在實驗教學中，由于工程材料，儀器和場所的限制，無法向學生清晰地展示實驗儀器和操作過程，造成一些學生對儀器的理解和使用不規范;甚至在某些情況下，由于操作失誤，導致儀器的使用和工作效率下降，從而對試驗的順利進行造成很大的影響。

（二）實驗教學方法有待豐富

在應用工程材料進行虛擬仿真實驗的教學過程中，實驗教學與理論教學同樣應重視教學方法，好的教學方法能引起學生的思考和解決問題，同時也能加深學生對工程材料基本理論的認知，同時掌握實驗內容和方法的認識，有利于今后的工作和學習。在進行虛擬仿真實驗前，通過教學視頻對實驗所涉及的工程材料進行初步介紹，或通過微課的形式，可以在一定程度上解決實驗過程中學生無從下手的問題。因此，我們必須不斷地探索更好、更多樣化的教學方法。

（三）理論和實驗教學的不協調

實驗教學應當與理論教學相結合，在對工程材料的相關理論講授后再進行實驗，這樣既能保證工程材料理論知識與實驗知識的結合，又能促進學生的綜合運用，同時也有利于理論和實驗教學。實踐中，工程材料理論課和實驗課常常不能同步，進度也不能很好地統一。對初學專業基礎知識的一年級學生而言，由于缺乏對工程材料理論知識的了解而難以完成實驗，對實驗的認識和理解存在著諸多問題，缺乏充分的準備和熟練的實驗技巧。

二、虛擬模擬技術在工程材料實驗教學中的應用及優越性

傳統的工程材料實驗教學在資源有限的情況下，很難調動學生的學習積極性，也很難達到良好的教學效果[2]。隨著計算機和信息技術的飛速發展，虛擬模擬技術在理論課和實驗課上的應用日益廣泛，它的優勢和作用體現在以下幾個方面：

（一）將工程材料與虛擬仿真技術結合，使實驗操作更加清楚、生動

多媒體教學在現代教學中的應用日益廣泛，利用工程材料相關圖片、教學錄像等教學手段，結合實際的實驗儀器進行教學，可以達到很好的教學效果。通過虛擬仿真技術，可以對實驗裝置進行形象且較為直觀地模擬工程材料實驗過程，清楚地顯示操作過程，增強儀器操作的規范化，極大地提高了實驗的效率，在激發了學生的興趣的同時，提高了學習效果，并且增強了基礎實驗的教學效果。

（二）對技能培訓有積極意義

1.突破現有的實驗儀器和設備，擴大試驗的范圍

在傳統的工程材料課程實驗教學中，由于實驗條件、安全等諸多因素的制約，因此，虛擬實驗可以很好地解決這些問題。利用三維模型，可以直觀地顯示工程材料封閉裝置的內部或較復雜的結構，模擬工程材料內部的工作原理，拓展教學內容，加深對儀器的認識，拓寬視野，促進工程技術的進步。

2.擴大試驗的時間和空間

由于傳統的實驗場地和實驗器材有限，所以很難在有限的時間和空間上進行，而虛擬模擬實驗則可以用電腦和相應的模擬軟件來完成，這就大大擴展了學生的實驗時間和地點。此外，虛擬模擬技術還可用于工程材料實驗學習系統的開發 [3]。

三、在工程材料虛擬仿真試驗中應用的優化思路

（一）工程材料虛擬仿真多元化教學試驗示范

在實驗教學中，使用工程材料虛擬模擬技術進行模型和動畫演示相結合是最常見的一種;也可以將仿真試驗的數據過程量制作成教學視頻，使得學生能夠更加直觀地了解試驗參數的變化過程與變化規律。例如，洛氏硬度儀的模擬模型利用常用的模擬軟件，可以把硬度計的全過程模擬得栩栩如生，將所有硬度數據中間結果進行統計，制作動態曲線的視頻供學生參考學習，以提升教學效果，有助于幫助學生更加仔細地觀察工程材料的各種屬性。在工程材料相關課程實驗教學中采用虛擬仿真演示與多媒體教學的形式，可以有效地激發學生對虛擬仿真技術的興趣和對實驗操作的興趣，促進他們的自主思維，從而提高工程材料實驗的效果。此外，虛擬仿真技術還可以進行一些實驗室沒有的儀器和實驗內容的擴充，以拓寬學生的視野。

（二）研究開發基于實驗虛擬仿真實驗平臺

通過根據實際教學需要，研制出能滿足學生實驗預習、操作和答疑的工程材料虛擬實驗室。借助虛擬實驗室;構建工程材料實驗模擬平臺;以互聯網為基礎，服務于課程實驗，使其充分運用于工程材料虛擬仿真實驗室之中，從而不斷補充和完善實驗系統的整體建設。

四、結論

本文對工程材料實驗教學的現狀和問題進行了分析，闡述了虛擬仿真實驗教學的功能和優越性，并將其引入到工程材料實驗中，進行了深入探討。通過教學實踐，在工程材料課堂上引入虛擬仿真實驗，可以加深對實驗方法的認識，改善實驗教學效果，有利于培養學生的自主性思維和創造精神。

參考文獻：

[1]馮銳，張愛娟，杜慶洋，畢建波.新工科背景下《材料工程基礎》虛擬仿真實驗教學模式探索與實踐[J].山東化工，2020，49（18）：184-185.

[2]梁李敏，陳學廣，劉哲，何珺，范佳薇.材料科學與工程專業虛擬仿真實驗教學改革與探索[J].科教導刊（上旬刊），2020（10）：65-66.

[3]王士凡，堵錫華，董黎明，宮貴貞.高分子材料與工程專業虛擬仿真實驗教學的探索[J].教育現代化，2019，6（42）：132-133.