虛擬仿真實驗教學研究現狀和發展趨勢
——以液態成形為例

郁 鑫，王立揚，趙貝貝，白 揚，葉 兵

（上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心及金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240）

0 引言

金屬材料廣泛應用于各個領域，小到圓珠筆的筆尖，大到飛機、火箭的零部件等，因而金屬材料的研究一直在持續。液態成形作為一種最常用的金屬成形方式，是材料專業中必須掌握的基礎知識。但是近年來，選擇液態成形課程的學生越來越少，其中一個主要的原因是液態成形實驗教學開展困難，如溫度高，存在不安全因素；沒有足夠的設備滿足教學需求；整個技術環節多、工藝耗時長等。因此，亟需對教學方法進行改革以便更好地開展液態成形課程教學。

虛擬仿真是利用計算機系統模仿真實系統，進而創建一個可用于體驗的虛擬世界的技術。20 世紀80年代以來，虛擬仿真技術誕生并得到了迅速發展，國內外也將虛擬仿真技術應用于各個領域。在國外，虛擬仿真技術廣泛應用于醫學研究中，涉及牙科［1］、整形外科［2］、新生兒復蘇［3］、護理教育［4］等領域。由于虛擬仿真技術可以滿足年輕醫生重復實踐操作的需求，因而大大提高了使用者的實踐能力。研究表明，虛擬仿真技術在學習動機和學習能力方面是最適合醫學的應用，它作為一種課程學習的新方法是非常合適且有效的［5］。此外，虛擬仿真技術還應用于安全教育領域，包括地震安全防護［6］、火災安全防護［7］等，用戶能夠在虛擬演習中學會如何應對災難、如何在險境中生存。另外在陶藝設計［8］、音樂表演［9］等領域，虛擬仿真同樣有著廣泛的應用。國內則在各學科中開展虛擬仿真實驗教學，涵蓋機械加工［10］、制造系統設計［11］、土木工程設計［12］等多個領域。虛擬仿真技術可幫助教師進行教學，使學生更輕松地理解教學內容，同時促使學生掌握知識和技能，鍛煉學生的創新思維。

本文較為系統地介紹了目前在線教學的現狀和發展趨勢，包括在線理論教學和在線實驗教學。在線理論教學介紹了MOOC 教學和Zoom 類實時在線教學，并討論了它們的發展趨勢。在線實驗教學主要對虛擬仿真實驗教學的概念與內涵、現狀作了較為詳細的介紹。此外，針對材料科學領域的液態成形虛擬仿真實驗教學的建設進行了進一步的探討，液態成形虛擬仿真實驗教學的開展將為材料學科實驗教學的改進提供一條新的途徑。

1 在線理論教學

1.1 MOOC教學

MOOC是大規模、開放式在線教學課程的簡稱，是信息時代背景下互聯網技術不斷普及和發展的產物。從2008 年至今的12 年間，MOOC誕生并迅速發展，目前已成為被廣泛應用的線上學習平臺之一。2008～2011 年之間，MOOC雛形出現；2012 年，MOOC 教學在全球飛速發展，美國、英國等紛紛建立了自己的MOOC平臺；2013 年起［13］，我國高校也開始陸續進行MOOC建設，并設立“中國大學MOOC”頻道，向全國高校提供MOOC課程平臺。此外，在國家政府和教育部的極力推動下，國內部分商業網站也開始嘗試MOOC 平臺建設，如網易公開課、網易云課堂、新浪公開課等。據2019 年4 月的中國MOOC 大會提供的數據，我國的MOOC學習者超過2 億人次，線上MOOC 達到12 500門，MOOC數量和應用規模穩居世界第一。

MOOC 具有開放性、交互性及自主性等特點［14］。相比于傳統教學，MOOC 教學突破了時間和地域的限制，學習者可以隨時隨地獲取海量的學習資源。由于優質的教育資源全球共享，MOOC 教學更大限度地實現了教育的公平。此外，它還滿足了學生自主學習的需求，學習者可以根據自己的愛好或自身發展的需要進行學習。基于這些優勢，MOOC 課程受到了大家的歡迎并在國內外廣泛傳播。

雖然MOOC 平臺被廣泛應用，但它還存在一些不足［15-16］。MOOC類課程種類及數量尚不完善，難以滿足全日制學生專業學習及系統學習的需要；老師與學生之間互動不及時，課程中較少有學生參與活動［17］；線上學習沒有合適的激勵制度，導致學習者參與程度低，課程完成率低，學生流失率高，整體學習效果不理想［13］；對于完成線上課程的學生，只提供認可度并不高的認證證書而沒有完善的學分轉換制度。此外，由于只有少數擁有豐富資源的高校能夠全面支持在線課程的建設，因而大多數高校和教師參與的積極性不高，這些因素都制約著MOOC教學的進一步普及。

綜上所述，MOOC 教學擁有不同于傳統教學的優勢，可作為傳統教學的補充而促進學生自主、全面的學習，同時也存在著很大的發展空間。MOOC 平臺建設與運營水平的不斷提高，課程內容與線上教學功能的不斷完善將是MOOC教學的發展趨勢。

1.2 Zoom類實時在線教學

Zoom是一種網絡視頻會議系統，它無縫融合了移動協作系統、多方云視頻交互系統、在線會議系統，具有豐富的功能、較高的穩定性和極佳的平臺兼容性［18］，廣泛應用在教育、醫療、制造、金融等各行業。隨著2006 年以來云計算技術的蓬勃發展及其在視頻領域的深入應用，云視頻會議也不斷成熟并得到普及。在2020 年新型冠狀病毒疫情期間倡導“停課不停學”的情況下，Zoom在線教學更是得到了快速的發展。

Zoom在線會議系統可以實現接近于日常班級授課的教學效果［18］。首先在參與人員方面，Zoom 打破了地域的限制，不同地點的學生可以同時參加同一門課程。它可以同時支持上百人的交流，而一般授課班級的人數只有40 人左右，它能夠充分滿足人數的要求。它可以實時顯示上課人員，便于以實名制的方式統計出席人員。其次，Zoom會議系統有豐富的共享功能，如攝像頭、電腦屏幕、電子白板等，使其可以滿足除實物展示之外的絕大部分授課要求。基于這些功能，會議創建者可以賦予聽眾各種權限，如是否允許說話、打開視頻等，從而實現師生之間良好的交互性。此外，Zoom會議系統兼容性強，學生可以通過智能手機、電腦等多種方式在不同場合實現互聯功能。這些特征都有助于遠程教育教學的順利開展。

Zoom在線教學接近于傳統教學的這一特點也決定了它有著與傳統教學一樣的不足［19］。Zoom 是實時在線的課程，因而不能打破時間的限制，教師和學生必須在同一時間進行教與學；基于這個特點，學生學習時難以結合自身基礎進行更慢節奏或快進式學習，學習的自主選擇性降低。Zoom 在線教學課程必須有教師參與每一堂授課，導致一個教師的課程不能像MOOC一樣被大規模推廣。雖然Zoom 存在錄播功能，但錄播課程的使用將以犧牲良好的互動性為代價，因此如何保持教師與學生互動性，同時又能提高教師資源利用率將是其重要發展方向。

基于上述特點，Zoom因在教學中扮演著與傳統教學類似的角色而被廣泛應用，尤其在提倡“停課不停學”這一特殊背景下，Zoom成功地克服地域的限制，更是得到了進一步的發展。Zoom 類視頻會議系統與Canvas類在線學習管理系統結合使用，更好地發揮了網絡教學系統的互補優勢，在替代線下傳統教學方面具有很大的潛力。但Zoom在課程規模及普及性方面的不足還尚待完善，這些改進將為Zoom 在教學領域的發展提供更大的可能。

1.3 在線教學發展趨勢

在線教學作為知識傳播的新模式，引發了現代教育領域的重大變革。目前在線理論教學形式主要分為錄播和直播，前者的代表是MOOC，后者的代表是Zoom在線教學，它們經過短短10 幾年的發展而在教學領域取得了很大的成功，而且還具有更大的發展潛力。對于MOOC教學，最重要的是促進國內外優質教學資源不斷整合，使課程更專業化、系統化、多元化，這將促進MOOC更加廣泛的傳播；其次，教師考核和學生學分認定工作的落實將極大調動教師與學生的積極性，促使越來越多的高校投入其中，使MOOC 資源更加豐富。對于Zoom 類在線教學，智能化將是一個可能的發展趨勢，如通過機器人授課將會大大提高教師資源利用率，學生也可隨時隨地進行學習，這些將在很大程度上促進教學資源的普及。

隨著教育的深化和改革，越來越多的院校和教育機構將會加入在線教學的潮流中，將在線教學與傳統面對面教學結合起來，推動混合學習模式的發展將是教育的一個主流發展趨勢，從而促使在線教學朝著多元化的方向發展。國內外更多院校的優質課程以及面向社會大眾興趣和剛需的課程會協同發展，逐漸成為在線課程的主流和核心。隨著在線教學的深入發展，知識的傳播將會更加便利，各國文化也會融合于教學而得到廣泛傳播。

2 在線實驗教學

實驗教學是培養綜合型人才的重要實踐性環節。隨著計算機技術、通信技術、互聯網平臺等的發展，“互聯網＋”得到充分深化。數據、人工智能技術飛速發展，使得教育迎來了智能云時代。手機、平板、便攜式筆記本電腦的普及，更為在線實驗教學提供了廣闊的發展空間。

2.1 教學軟件

仿真模擬是一種進行線上實驗的有效方法。通過結合仿真工具以及最優化建模方法，可以構建一系列實驗模型，增加學生對新生事物的感性認知，提高學生的學習積極性，并幫助他們理解較抽象的理論知識點，緩解實驗教學的壓力［20］。目前主要應用的模擬軟件包括三維建模軟件SolidWorks、CAD、UG等，有限元分析軟件Ansys，還有大量專業性的模擬軟件，如材料成形類的模擬軟件Procast 和Anycasting、電路模擬軟件Multisim、火災動態仿真模擬軟件Pyrosim［21］等。華劍等［22］提出將虛擬仿真軟件SolidWorks、Ansys、Adams和Matlab用于機械專業教學的方法，結合機械原理、機械設計、機械控制工程基礎等理論教學，實現理論與實踐并重，進而提高學生的創新能力和解決復雜工程問題的能力。

仿真模擬軟件在實驗教學中的應用既有其可取之處，也存在一定的不足［23］。仿真模擬軟件內含有大量的專業素材，可以提高教師的效率，激發學生的學習積極性。學生利用已有知識進行模型的構建和分析，而模型的準確性可以有效地反映學生的知識儲備。整個模型的建立過程可以有效激發學生求知欲和參與感，從而不斷進行模型的完善以得到更精確的效果。基于這些優勢，模擬軟件可以作為教師考查學生思維能力的有效手段。但模擬軟件在實驗教學中的應用也存在一定的局限性。由于仿真模擬軟件不能直觀展示整個實驗流程，學生還是不能真實地融入實驗環境中，軟件的使用必須和教師的指導相結合，因而在實驗教學中不能取代老師的主導地位。此外，模擬仿真軟件需要準確的參數設置，模型迭代運算數據較大，運算效率慢，并且不能保證模型最后求解的正確性，其使用范圍大大被限制。

目前線上實驗教學除了仿真模擬軟件外，還包括線上線下混合教學的模式。在混合教學中，教師講解部分是基于MOOC平臺［24-27］以及各類云平臺［28-29］，實驗的操作部分還是通過線下進行，因而并不能實質性解決實驗教學中的困難。綜上所述，目前的模擬軟件教學和線上線下混合模式教學還存在一定的不足，因而需要對實驗教學的改革進行進一步探索。

2.2 虛擬仿真實驗教學概念與內涵

基于目前線上實驗教學的現狀及需求，虛擬仿真教學應運而生。它既是深化實驗教學供給側結構性改革的成果，也是信息技術與實驗教學深度融合的必然產物［30］。

虛擬仿真教學是指將虛擬實驗技術與體驗式教學相結合，學習者借助人機交互界面調節虛擬實驗中的參數變量，通過觀察、總結和歸納計算機仿真模擬結果而獲取相應的知識技能［31］。它具有拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、節約實驗成本、廣泛的共享性等優點［32］。虛擬仿真實驗教學資源開發流程簡單清晰，一般包括原始素材獲取、模型素材構建、動畫程序開發及測試發布等環節［33］（見圖1）。

圖1 虛擬仿真教學資源開發流程

虛擬仿真與實驗教學相結合，是實驗教學改革方面的重大突破。在進行虛擬仿真項目建設時，應該符合人才培養目標，與教學大綱相適應，即要考慮專業教學體系、實驗教學體系與實體實驗教學項目有機統一，形成體系，這樣既避免了重復和浪費，又使得課程層次豐富。項目建設的切入點應該是解決實體實驗條件不具備或者運行困難的實驗，這樣才能充分發揮虛擬仿真技術的優勢，不造成資源的浪費。此外，虛擬仿真項目作為資源建設的組成部分，既應該保證客觀對象的完整性，又要使實驗設計具有靈活性；在項目建設方面，要做到效益第一，共享優先。

2.3 虛擬仿真實驗教學現狀

教育部高度重視虛擬仿真實驗教學項目的建設，并于2013 年和2017 年分別頒布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》以及《關于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，自此，國內對虛擬仿真實驗室的建設熱情空前高漲。2014 年教育部批準了100 個國家級虛擬仿真實驗教學中心，隨后廣泛地開展了虛擬仿真實驗教學項目的建設。“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”（http：／ ／www.ilab-x.com）給出了目前各領域虛擬仿真建設的相關數據，如圖2 所示，可見現有虛擬仿真實驗項目涉及廣泛，涵蓋理工科領域、經濟管理領域和醫學領域，說明各領域均在大力進行虛擬仿真實驗教學建設。

圖2 目前虛擬仿真項目建設情況

在理工科領域，虛擬仿真技術使學生能夠在課堂上體驗工程設計、實驗測試等過程，可以很好地克服實驗教學中高危性、難操作等局限。其中在電氣工程實驗教學中，天津大學、東北電力大學、廣西大學等進行了虛擬仿真實驗教學資源的建設［34］，再現了電力工業各環節操作過程和運行狀態，讓學生了解了電力工程運行，同時避免了實際過程中高電壓、大電流、接線復雜帶來的強電威脅及安全隱患。此外，在化學教學中，東北大學化學實驗中心針對高校化學實驗存在的安全問題而開發了化學實驗安全教育情景互動式虛擬仿真教學項目，在高度仿真的場景中，學生可以“看見危險，做到安全”［35］。平臺設計集理論學習、實訓操作和考核評定為一體，前兩者將不能或難以實現的場景虛擬化、枯燥的知識和技能學習趣味化，極大地調動了學生自主學習的積極性，后者則將學生掌握的知識實時反饋給教師，有利于完整教學流程的開展。

3 材料科學虛擬仿真實驗教學

3.1 專業基礎課虛擬仿真實驗教學

我國材料科學領域已經開始了虛擬仿真實驗教學的實踐［36-44］，涉及材料成形及控制工程專業、材料化學專業等多個方向。進行實驗操作的前提是對基礎專業知識的掌握，但由于材料學基礎知識的微觀性，學生在進行理解時會有很大的困難，因此虛擬仿真教學亟須應用于專業基礎課程的建設中。

我國目前從事虛擬仿真項目建設的公司包括北京潤尼爾網絡科技有限公司（簡稱“潤尼爾”）、曼恒數字技術股份有限公司等。根據潤尼爾官方網站（https：／ ／www.rainier.net.cn）介紹，該公司已初步建設了關于材料科學基礎課程的虛擬仿真教學項目，涵蓋硬度測試等材料科學基礎方向、拉伸試驗等材料力學方向、固溶時效等金屬材料方向等。這些材料學專業基礎課程的初步建設，豐富了教學內容，彌補了各個方向在實際教學中的不足，大大提高了實驗教學的效率，也為工程教學中實驗的開展做了良好的鋪墊。

3.2 液態成形虛擬仿真實驗教學

液態成形是材料科學與工程專業的一個重要組成部分，其操作過程溫度高，金屬熔體的溫度一般超過650 ℃，處理不好容易發生燙傷和燒傷，甚至發生爆炸，對于初學者來說很容易發生危險。此外，液態成形工藝過程復雜，生產周期長，影響因素眾多，質量難以控制［45-46］。基于液態成形實驗教學中遇到的困難，開展液態成形虛擬仿真實驗教學成為一個重要方向。

目前已有的與液態成形相關的虛擬仿真實驗教學只能進行相關實驗操作的演示［46］，學生可以學習液態成形過程中的相關操作流程，但在學習過程中缺乏探究性和自主操作性，因而需要建立更完善的液態成形虛擬仿真系統。新的液態成形虛擬仿真系統將給出一定的模型，學生可以自主選擇合金成分，在液態成形完成后還可以通過平臺模擬計算得到相應的組織、結構、力學性能等，從而更好發揮虛擬仿真優勢。

3.3 液態成形虛擬仿真教學實踐與評價

液態成形虛擬仿真實驗教學本著“以問題為導向、重視基本原理和實踐、以學生為中心”的教學理念，在實施過程中采用“以虛補實、虛實結合”的建設思路，形成“環節虛擬演示，實驗場景再現，關鍵知識提示，學生自主學習，教師考核評價”的教學方法。環節虛擬演示是通過虛擬仿真形式，將液態成形主要技術環節和過程逼真地演示出來；實驗場景再現是按照“能實不虛，以虛補實”的要求，再現液態成形過程中的生產場景和實物實事，使學生在虛擬的教學環境中體驗真實的現場實境；關鍵知識提示是將液態成形技術環節中的關鍵知識點和重要步驟通過彈窗形式進行提示，以增強學生對關鍵知識的掌握；學生自主學習是指學生可以根據需要對相關環節進行自主反復學習；教師考核評價是教師根據學生學習效果、實習報告完成情況等對學生進行考核評價。

通過液態成形虛擬仿真實驗教學的建設，學生可以完成相應模塊的學習，掌握液態成形相關基礎知識及實際操作步驟，從而保證學生進入實際生產現場后可立即開展液態成形工作。其次，虛擬仿真教學資源還應實現共享，服務普通高校和專科院校液態成形專業的學生，提升液態成形一線從業人員的技術水平與操作技能。此外，虛擬仿真的建設應符合新工科示范課程的要求，形成具有不同教學方法和理念的評估和研究平臺，為構建虛擬實驗中心和虛擬實驗數據中心提供基礎，形成數字化實驗研究、測試和學習平臺。

液態成形虛擬仿真實驗教學擺脫了傳統的以教師講授為主的教學方式，引導和鼓勵學生自主學習，學生通過循序漸進的教學過程，逐步加深對液態成形過程的掌握。在平臺考核模塊中，將目前液態成形生產上遇到的真實問題、生產人員無法解決的技術難題直接移植到考核模塊中，以充分發揮學生的聰明才智，讓學生提供解決辦法，培養其解決問題、開拓創新的能力，使教師的“教”變成了學生的“教”。此外，虛擬仿真實驗平臺將建成Web版本，學生、教師、生產人員可以不限時間、地點使用PC 進行操作。虛擬仿真實驗平臺將對普通高校和專科院校等開放，高校和社會人士均可登錄平臺進行實驗，發揮真正的輻射推廣、指導生產、服務社會的優勢。

3.4 液態成形虛擬仿真教學發展趨勢

基于金屬材料的廣泛應用，材料學仍然是未來需要大力投入研究的基礎學科。液態成形作為材料科學與工程專業的一個重要分支，其實驗教學尤為重要。虛擬仿真技術的應用將推動液態成形實驗教學的改革，同時自身也需要不斷地完善和發展。

液態成形虛擬仿真實驗教學將在已有研究成果的基礎上，不斷擴大數據庫，涵蓋更多金屬材料數據，滿足不同金屬材料方向的學習者的需求。其次，根據實驗及理論計算結果建立合適的模型，預測不同參數的液態成形條件下的金屬組織、性能等也是虛擬仿真實驗教學的一個發展方向。此外，已有的虛擬仿真教學都是二維平面的演示，而將來很可能向三維方向發展，學生不僅可以通過觀看視頻進行學習，還能實際進行模擬操作，更能培養學生實踐能力，為將來科研實驗操作奠定一定的實踐基礎。

4 結語

實驗教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，虛擬仿真作為教學改革的手段之一，結合了信息化時代教學的特點，彌補了各領域一些基礎實驗難于教學的困難，線上與線下教學相結合，使得實驗教學更加個性化、智能化和泛在化。虛擬仿真實驗教學的開展有利于學生對知識的掌握，具有很好的發展潛力。在各專業實驗教學中，均可基于實驗操作上的困難而研發自己的虛擬仿真系統，在此基礎上建立龐大的數據庫并配備配套的教學資源，使平臺充分開放共享，滿足更廣泛的教學需求。