虛擬仿真技術在材控類課程中的應用研究

楊健 江河 陳樹海 葉政

[摘 要] 針對當前材料成型及控制工程專業人才培養過程中學生較多的知識掌握需求、實踐能力培養與教學課時、教學資源限制之間的矛盾，以及理論課程知識點復雜且抽象、技能訓練課程與理論課程脫節、實踐課程課時不足的現狀，提出在材控類課程中采用虛擬仿真技術構建實際工作場景，使學生通過虛擬仿真掌握更多的基礎知識和操作技能，獲得更多的實踐經驗，提高學生分析問題、解決問題和增強創新思維的能力，力爭適應當代大學生發展與培養的要求。

[關鍵詞] 材料成型及控制工程;虛擬仿真技術;人才培養

[基金項目] 2019年度北京科技大學本科教育教學改革項目“虛擬仿真技術在材控類課程教學中的應用研究”（JG2019M09）

[作者簡介] 楊 健（1987—），男（滿族），河北承德人，博士，北京科技大學材料科學與工程學院副教授，碩士生導師（通信作者），主要從事真空釬焊、擴散焊研究;江 河（1988—），女，河北秦皇島人，博士，北京科技大學材料科學與工程學院講師，主要從事高溫合金研發、制備研究;陳樹海（1979—），男，山東日照人，博士，北京科技大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，主要從事異種金屬材料連接研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0136-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-23

一、引言

作為材料科學與工程學科中的核心專業之一，材料成型及控制工程（以下簡稱材控）專業人才培養目標是培養出面向設計、生產一線需要的高端技能型人才，面向的工作崗位主要有材控類技術、裝備和產品的設計、制造等[1，2]。相比其他材料類專業，材控專業就業范圍較廣，技術、產品種類很多，而且工種也很多，因此在教學過程中需要學生掌握大量基礎知識和相關技能[3]。

二、材控類課程教學當前存在的問題

（一）理論課程知識點復雜、抽象

材控類專業學生涉及的知識領域極廣，理論課程涵蓋鑄造、鍛壓、軋制、焊接、模具等各領域（以本校為例，材控類專業學生需要學習近20門理論專業課程），課程知識點復雜且相互聯系緊密[4]。此外，雖然材控類專業課程的理論知識點提煉于生產問題，但是由于具體的工業生產過程（及問題）難以在課堂中用語言描述清晰，且工業生產的樣例、樣件難以帶入課堂，因此理論知識點較為抽象，較難理解。因此，在傳統教學過程中，學生很難做到集中注意力對如此枯燥乏味且復雜的理論知識進行學習，極大地限制了理論課程的授課成果[5]。

（二）技能訓練課程與理論課程脫節

在傳統的教學模式下，材控類課程中理論課與實驗課（技能訓練課）是分離的，技能訓練由于得不到及時的理論指導，導致學生的技能掌握浮于形式。隨著教學改革的發展，出現項目教學、教學做一體化等新型的教學模式。這些新的教學模式采用的技能訓練通常有兩種：第一種是僅限于實驗課程提供的幾個固定實驗，學生只需按教師指導的相對固定的方案即可完成實驗，學生動手機會少，不能真正地參與到學習活動中[6];第二種是基于一些實際的實驗內容（以教師的研究課題為主導），然后自發進行工藝方面的設計、優化，能提高學生的思考和動手能力，但是實際操作時要受教師研究課題等方面的限制，而且耗時大，占用課時太多，耗材的消耗量也很大，成本較高[7]。

（三）實踐課程課時不足

如前所述，材控類專業學生在畢業后會面臨一些實際生產問題，而豐富的生產相關經驗是解決問題的基礎與根基，因此充足的實踐課程是提高學生畢業后從業能力的重要保障。然而，由于當前培養模式和培養條件的限制，學生的實踐課程嚴重不足。以本校為例，材控類專業學生僅有一次認識實習（1周）和一次生產實習（2周）的實踐課程，且實習過程中由于時間因素，往往只是“走馬觀花”，難以對生產流程、生產過程中容易出現的問題有真正的了解，更談不上獲得豐富的生產相關經驗。

三、虛擬仿真技術在材控類課程教學中的優勢

仿真技術是繼數學推理與科學試驗之后認識世界自然規律的第三類基礎方法。虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。

（一）虛擬仿真技術有助于提高學生理論課的學習效果

材控類理論課程知識點的復雜化、抽象化往往會使學生理解起來有較大困難，而學生對知識點的理解一旦跟不上教師的講課速度，必然會導致上課出現注意力不集中等現象，從而使學生理論課（理論知識點）的學習效果大幅下降。采用虛擬仿真技術可以根據具體知識點建立對應的宏觀模型，將理論課程知識點融入更加直觀、具體的樣品、樣件、模型之中，使原本枯燥乏味的理論知識形象化、生動化。采用虛擬仿真技術進行理論課程的講述，一方面可以引起學生的興趣，提高學生學習的主觀能動性;另一方面可以使學生通過對具體樣品、樣件、模型的分析，更加容易掌握理論知識點[8-10 ]。

（二）虛擬仿真技術有助于提高學生技能訓練課程的學習效果

在當前條件下，材控類學生的技能訓練課程不僅存在技能訓練課程與理論課程脫節的問題，而且存在儀器設備數量較少、型號舊、時間周期長和受眾學生人數多、新技能訓練需求強之間的矛盾。以本校為例，在進行焊接技能訓練課程中，一個小組平均10名學生分配到一臺儀器，且單次試驗最長所需時間可達12小時。技能訓練課程儀器的缺乏和較長的時間周期導致學生受到的訓練遠不足以完全掌握相應的技術。虛擬仿真技術完全依賴計算機終端進行仿真操作，在大學生平均人手一臺計算機的今天，材控類技能訓練課程的虛擬仿真打破了試驗資源和試驗周期的限制，利用計算機軟件的優勢可創造出靈活多樣的工作條件，為學生建立更加方便、安全、快捷、可控的技能訓練環境。尤為重要的是，在技能訓練課程的過程中，學生可以隨時調用理論課程中構建的樣件、模型，得到及時的理論指導，真正實現教、學、做一體化，進而極大程度提高學生技能訓練課程的學習效果[ 11 ]。