虛擬仿真實踐在無機非金屬材料工程專業教學中的應用

摘 要 該研究通過分析虛擬仿真實踐給無機非金屬材料工程專業教學帶來的機遇與挑戰，提出了創新教學模式和實踐路徑，并進一步提出通過虛擬仿真平臺與現有教學體系的緊密結合，校企合作共建特色平臺以及校外企業強化實踐的三維度全過程深化產教融合協同育人，旨在提高學生的實踐能力和綜合素質，為無機非金屬材料工程專業服務于地方特色產業培養高素質應用型人才。

關鍵詞 產教融合；教學改革；虛擬仿真實踐；企業實踐

中圖分類號：G642"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.017

Application of Virtual Simulation Practice in the Teaching of Inorganic

Non-metallic Materials Engineering

YANG Huan， ZHANG Chenyang， LIN Shaomin

（School of Materials Science and Engineering， Hanshan Normal University， Chaozhou， Guangdong 521041）

Abstract This study analyzes the opportunities and challenges brought by virtual simulation practice to the teaching of inorganic non-metallic materials engineering major， proposes innovative teaching models and practical paths， and further proposes to deepen the integration of industry and education through the close integration of virtual simulation platform with existing teaching system， school enterprise cooperation to build a special platform， and the three-dimensional full process of strengthening practice by external enterprises. The aim is to improve students' practical ability and comprehensive quality， and cultivate high-quality applied talents for the inorganic non-metallic materials engineering major to serve local characteristic industries.

Keywords industry-education integration; teaching reform; virtual simulation practice; enterprise practice

無機非金屬材料工程專業是一門涵蓋無機非金屬材料的制備、加工、測試和應用等領域的交叉學科，它不僅關系到新材料的開發，還與信息、能源、環境等多個領域的發展緊密相連。在傳統的教學模式下，該專業的教學主要圍繞理論教學和實驗教學的結合進行。然而，隨著科技的快速發展，新材料、新工藝和新技術的不斷涌現，傳統的教學模式已經難以滿足新時代人才培養的需求。隨著新工科背景下教育改革的不斷深入，無機非金屬材料工程專業面臨著新挑戰，虛擬仿真實踐作為一種新興的教學手段[1]，正逐漸被應用于該專業的教學中，以提高學生的實踐能力和綜合素質。本文基于目前高校無機非金屬材料專業教學仍以傳統教學模式為主的現狀，探討虛擬仿真實踐在無機非金屬材料專業教學中的應用，旨在為其教學改革提供借鑒。

1" 虛擬仿真實踐給無機非金屬材料工程專業教學帶來的機遇與挑戰

1.1" 機遇分析

首先，虛擬仿真實踐可以幫助學生更好地理解和掌握無機非金屬材料的制備、加工和檢測等實驗技能。學生通過虛擬仿真實驗，在模擬環境下沉浸式地進行材料的加工檢測等實踐操作，既可以有效避免操作過程中可能出現的安全問題，同時又可以直觀地了解材料的結構、性質及實驗原理，從而使實驗背后的原理更為通俗易懂。

其次，在虛擬仿真實驗中，學生可以在模擬環境中自主探索，發現問題并嘗試解決這些問題，從而提高學生的實踐操作技能和解決問題的能力，促進學生的綜合素質提升。此外，學生在工廠實踐中，需要面對各種復雜的工藝流程和設備操作，通過虛擬仿真實驗，學生可以在模擬環境中熟悉這些工藝流程和設備操作，更好地適應工廠實踐環境。

1.2" 挑戰分析

一是，虛擬仿真的智能技術水平是影響實驗平臺建設水平的關鍵因素。當前信息技術飛速發展，虛擬仿真技術涉及Web" GL、3D仿真、VR和AR等技術，外加云計算、5G、人機交互等人工智能技術的不斷深入融合，虛擬仿真發展迅猛[2]。與此同時，也對專業教師的知識更新、實驗設計、智能技術教學能力等提出了更高的要求，教師能否成功應用和駕馭信息技術面臨機遇與挑戰。

二是，專業人才培養體系將發生重構。虛擬仿真需要打造數字化、信息化、智能化的新型材料工程，對傳統的無機非金屬材料工程專業而言，需要突破單一的專業培養模式，引領材料與計算機等其他學科之間的交叉融合建造，擴展實踐課程體系內容，因此也給實驗室的軟硬件配備、師資隊伍等重構帶來挑戰[3]。而虛擬仿真背景下的新工科也必須改變人才培養的目標，改寫人才培養的方案，將能力鍛煉、素質養成等有機融入實驗教學的設計與組織，并進一步實踐OBE教學理念。

2" 虛擬仿真實踐的無機非金屬材料工程專業教學模式分析

2.1" 多課程綜合設計，整合創新實驗模式

多課程知識的綜合應用能力，是人才培養的重要維度。在無機非金屬材料工程專業教學中，為利用虛擬仿真實踐整合多課程知識，實現跨學科知識的應用能力，我們實施了三個層次的教學改革[4]。首先，將單門課程內的實驗整合，從驗證性實驗轉變為設計型實驗，如陶瓷的成形、燒結和表征；其次，跨課程整合實驗，如將材料工程、無機非金屬材料科學等課程知識融合，通過實際運用中的工程案例，培養學生的多課程知識綜合應用能力；最后，開設創新實驗課程，如“材料應用與實踐”課程，通過小組合作，讓學生參與從配方設計到性能檢測的全過程，以此提升學生的創新設計和團隊協作能力。

2.2" 打造特色虛擬仿真實踐平臺

材料相關專業是研究控制材料的外部形狀和內部組織結構，以及將材料加工成人類所需的各種零部件的應用技術學科，覆蓋面廣。所以該類專業經常涉及較難進行實驗難的場景，如果結合虛擬仿真實驗室進行教學演示，可以達到獲得場景主觀感受和真實場景演練的雙重目的。

一是建立符合專業培養要求及與當地特色產業相關的虛擬仿真實踐平臺，形成以專業拓展為目標，以虛擬技術為依托的良好發展態勢，并以地方特色產業為導向，最終完成虛擬仿真實踐教學體系的梳理和特色定位。如楊凌職業技術學院以“育、訓、創、賽、研”為核心理念，采用AR/VR/MR等新技術，開展沉浸式、分組式、交互式課程實訓教學，開發了12個擁有自主知識產權的虛擬仿真資源，服務于生物技術、園林工程技術、畜牧獸醫等涉農專業，打造智慧農業虛擬仿真實訓基地。宜賓職業技術學院的釀酒技術專業群虛擬仿真實踐體系建設案例，通過服務四川白酒產業，聚焦白酒產業鏈核心技術，構建“三層四類、虛實交互”的資源體系，實施“虛實交互，三階遞進”教學模式改革，解決教學中的難題，賦能產業鏈上專業集群的高質量發展。

二是依托學校專業特色，充分利用校內相關教學資源，并積極響應國家新工科建設的相關政策。如中國傳媒大學的影游融合交互敘事創作虛擬仿真教學實驗室依托中國傳媒大學動畫與數字藝術學院，推動數字藝術學科教學研究創新，并結合虛擬仿真實驗的新方法、新技術，修改和補充實驗內容及項目，加強特色實踐體系項目建設，同時使用VR眼鏡進行相應的場景模擬，做到“身臨其境”動手操作實驗，加強感官認識，形成虛擬實驗與真實實驗的互相補充，解決參觀式學習中鍛煉少和體驗感差的問題。

2.3" 校外企業強化實踐

新工科人才培養要求將課程中的知識應用于實際問題的解決，“實踐才是檢驗真理的唯一標準”，校內綜合實驗和虛擬仿真實踐不能完全代替企業真實實踐，教學實驗實踐來源于企業，最終也必須要回到企業實踐中去應用，參加企業實踐的目的主要是提升創新能力、檢驗專業知識和培養團隊合作精神。在開展綜合實驗和虛擬仿真實踐平臺學習的基礎上，學生帶著問題去相關企業進行生產實習，在工廠實習期間，學生將專注于企業的多個關鍵領域，包括生產與管理、制備工藝及其原理、性能的檢測與分析。特別是在生產工藝這一環節，學生將設計并面對一系列綜合性問題，以此來深化對專業知識的理解和應用[5]。學生根據實際生產環節進行輪崗實習，全面了解產品生產工藝，有助于在實踐中培養學生的創新能力和實際動手能力，以及分析問題和解決問題的能力。

3" 虛擬仿真實踐在無機非金屬材料工程專業教學中的實施路徑

3.1" 虛擬仿真平臺與現有教學體系的結合

一是整合學院資源，優化一級學科專業的實驗教學條件，針對實驗教師短缺的現狀，選定一批教師，讓他們在教學中專注于實驗教學。這些教師將作為實驗教學的核心力量，通過優化實驗教學條件，確保學生能夠接受高質量的實驗操作訓練。二是充分利用學校的硬件設施，通過整合一級學院擁有的國家級、省級先進陶瓷等研究中心，省級重點學科，省級材料實驗教學示范中心等先進實驗實踐教學平臺的支撐，充實無機非金屬材料專業實驗虛擬仿真教學。三是強化教學方法的融合。提供必要的技術支持和培訓，幫助教師和學生熟悉虛擬仿真平臺的操作，確保虛擬仿真平臺能夠無縫對接現有的教學管理系統。運用虛擬仿真平臺進行翻轉課堂，采用虛擬仿真實驗重現真實案例，并鼓勵跨學科的資源共享，促進不同專業之間的交流和合作交叉教學，讓更多的學生接觸到先進的儀器設備，從而加強學生對不同專業的認識以及新興前沿技術的使用，提高學生的實踐能力和問題解決能力。

3.2" 校企合作共建虛擬仿真教學平臺

一是堅持以產教融合理念建設虛擬仿真項目，基于以學生為中心的人才培養理念，明確提升學生的實踐能力、解決企業實際問題等合作目標。二是整合資源及技術，共同開發虛擬仿真項目。首先是依托校企實踐基地、校企共建產學研基地等平臺，搭建校內虛擬仿真實踐平臺，包含但不限于陶瓷材料（日用陶瓷）生產加工虛擬仿真工廠、陶瓷檢測實驗室、陶瓷薄片流延成型法生產虛擬仿真工廠、陶瓷熱壓成型虛擬仿真實驗室、碳化硅材料生產加工虛擬仿真工廠等虛擬仿真實踐系統。接著是學生線上實訓，進入模擬的陶瓷企業生產環境，在這個過程中深入理解并掌握陶瓷材料的制造技術。三是建立雙向的評價和反饋機制。實驗結束后，評價體系將基于學生操作的規范性、行為的正確性以及安全性等多個維度，對學生的實驗表現進行全面考核，學生的實踐過程得到精確細致的量化評價分析，系統不僅生成是否達標的報告，還提供個性化的改進建議，幫助學生提高操作技能并積累寶貴經驗。而教學結束后，學生被鼓勵通過系統對教學體驗進行評價，指出遇到的問題并反饋至系統，為教學的持續改進提供直接反饋。教師則利用這些反饋和實驗指標的深入分析，全面了解學生對實驗技能的掌握情況，評估實驗項目的難易度，并綜合評價整個教學過程與技能目標的匹配程度，進一步制定下一輪校企合作實踐教學的修訂方案，包括教學內容、方法和考核體系的優化，以確保教學內容與實際需求相符，提高教學效果，實現教學質量的持續提升。

3.3" 虛擬仿真教學平臺與校外實訓產教融合

鑒于該專業與地方行業的特殊關聯，特別是與傳統和先進陶瓷企業的緊密聯系，實踐性教學顯得尤為重要。學生需要親身步入生產現場，接觸真實的工作流程。為此，建立長期穩定的校外企業實習基地，深化產教融合，覆蓋從陶瓷原料的選擇、制備、改性到成型加工的全產業鏈，是實現校企深度合作的關鍵。這樣的合作模式不僅促進了教學與企業實際需求的緊密結合，而且通過一線工程師與校內教師的聯合授課，確保了教學內容的實用性和前瞻性，有助于運用高級思維技能，以具有挑戰性和創新性的方式解決復雜的工程問題。此外，將實訓中的經驗和反饋帶回校內，有助于進一步優化綜合設計實驗和虛擬仿真實踐平臺。通過這種方式，學校能夠不斷調整和完善課程內容，確保教學與企業實際需求同步，真正實現教育與產業的無縫對接，為學生提供一個全面、實踐性強的學習環境。

4" 結論

本研究聚焦于新工科背景下無機非金屬材料工程專業的教學改革，旨在通過虛擬仿真實踐產教融合模式探索，提出三維度的教學改革方案，強調多課程綜合設計實驗的整合，地方特色虛擬仿真實踐平臺的建設以及校外企業實踐的強化，為無機非金屬材料工程專業的教學改革提供一種創新的路徑，以適應快速發展的科技和產業需求。

基金項目：韓山師范學院教學改革項目（E22064）；韓山師范學院教學質量工程項目（E23047）；韓山師范學院一流課程《材料工程基礎》建設項目（E23168）；廣東省教學質量與教學改革工程項目（HSGDJD-KCJ22822、HSGDJG22783）。

參考文獻

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[2] 劉華，黃秋玉，孫喜妹.近十年國內虛擬仿真技術在課程教學中應用的可視化分析[J].中國教育技術裝備，2023（3）：4-7，14.

[3] 朱歸勝，陳彩明，趙昀云，等.材料類專業虛擬仿真實驗項目建設與應用[J].高教學刊，2023，9（27）：22-25.

[4] 羅民華，董偉霞，李月明，等.基于OBE無機非金屬材料工程專業的實踐教學改革[J].大學教育，2021（10）：43-46.

[5] 楊旭，胡曉龍，宋麗麗.虛擬仿真實驗平臺助力白酒釀造工藝實踐教學[J].食品與發酵工業，2021，47（5）：309-314.