基于“數(shù)字仿真—?jiǎng)?chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)研究

摘要：隨著數(shù)字科技的快速發(fā)展，基于數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法備受關(guān)注。根據(jù)材料類專業(yè)創(chuàng)新人才需求，可以依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建一套數(shù)字化虛擬仿真軟硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。探索該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化功能，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和模式，建立“數(shù)字仿真—?jiǎng)?chuàng)新—應(yīng)用”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必由之路。旨在充分發(fā)揮數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)在培養(yǎng)材料類專業(yè)人才的實(shí)踐能力、信息化素養(yǎng)、創(chuàng)新精神等方面的重要作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 材料類專業(yè) 實(shí)踐能力

Research on Digital Experimental Teaching Platform Construction for Materials Majors Based on \"Digital Simulation-Innovation-Application\"

WEI Xueling AI Taotao LI Wenhu ZOU Xiangyu DENG Zhifeng BAO Weiwei HAN Jie

School of Materials Science and Engineering， Shanxi University of Technology， Hanzhong， Shaanxi Province， 723000 China

Abstract： With the rapid development of digital technology， experimental teaching methods based on digital virtual simulation technology have attracted much attention. According to the demand for innovative talents in materials related majors， a digital virtual simulation software and hardware experimental teaching platform can be built based on digital technologies such as virtual reality， multimedia， human-computer interaction and database. It explores the integrated function of experimental teaching of the platform and improves experimental teaching methods and models， a virtual simulation experimental teaching curriculum system of \"digital simulation-innovation- application\" had been set up. They are the necessary paths for the construction of a digital experimental teaching platform. It aims to fully leverage the important role of digital virtual simulation technology in cultivating practical ability， information literacy， innovative spirit and other aspects of material related professionals.

Key Words： Digital virtual simulation; Experimental teaching; Materials majors; Practical ability

隨著新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的快速深入發(fā)展，數(shù)字技術(shù)已成為新質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)核和引領(lǐng)未來(lái)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力^[1]。黨的二十大報(bào)告中明確提出“推進(jìn)教育數(shù)字化，建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會(huì)、學(xué)習(xí)型大國(guó)”，這一理論為教育數(shù)字化指明了發(fā)展方向^[2-3]。當(dāng)前，國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)扎實(shí)推進(jìn)，高校信息化建設(shè)正邁向應(yīng)用融合創(chuàng)新的新階段^[4-5]。在這一大背景下，各類高校積極探索數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，發(fā)展高等教育新形態(tài)，提升學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力，讓數(shù)字化技術(shù)為適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展的創(chuàng)新型人才服務(wù)^[6-7]。

傳統(tǒng)材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是驗(yàn)證材料相關(guān)真理的最基本和最有效的方法。但材料類實(shí)驗(yàn)很多涉及高溫高壓危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)，并且具有結(jié)果不穩(wěn)定、?實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，加之實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備可能會(huì)隨著新技術(shù)的快速發(fā)展而過(guò)時(shí)，這些不利條件，嚴(yán)重限制了材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，以及對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力、工作能力的培養(yǎng)。為了彌補(bǔ)上述不足，需要采用數(shù)字化技術(shù)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)，推動(dòng)材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全領(lǐng)域轉(zhuǎn)變^[8]。目前，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷加快，國(guó)內(nèi)各類高校積極推進(jìn)構(gòu)建數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并取得了一定的成果^[9-10]。本研究以材料類專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐操作技能為切入點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)與材料類專業(yè)全方位和深層次融合，將數(shù)字技術(shù)整合到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等各方面，將抽象的專業(yè)問(wèn)題或原理數(shù)字化、形象化和具體化，同時(shí)強(qiáng)化材料類專業(yè)的實(shí)踐性，力求讓學(xué)生掌握的理論知識(shí)與專業(yè)實(shí)踐能力得到大幅提升。

1 數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

材料學(xué)院開(kāi)展材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)工作，目的在于保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能緊密相連、彼此互補(bǔ)。平臺(tái)整合材料成型和控制工程專業(yè)、材料科學(xué)與工程專業(yè)和高分子材料與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系資源，主要圍繞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全流程建設(shè)與追蹤、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、平臺(tái)運(yùn)行管理體系建設(shè)等方面進(jìn)行建設(shè)^[11]。學(xué)院及其下屬實(shí)驗(yàn)中心對(duì)平臺(tái)統(tǒng)一管理，可以實(shí)時(shí)獲取平臺(tái)上各虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容與數(shù)量、各項(xiàng)目的訪問(wèn)頻率和用時(shí)時(shí)長(zhǎng)、虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)、學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握程度與分析、平臺(tái)的用戶數(shù)量等教學(xué)信息，圖1為材料類專業(yè)虛擬仿真數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)總體架構(gòu)。

（1）全流程管理。實(shí)現(xiàn)“學(xué)、練、思、創(chuàng)、考”全流程管理，完成在教學(xué)范式、組織架構(gòu)、教學(xué)過(guò)程、評(píng)價(jià)方式等領(lǐng)域全方位的創(chuàng)新與變革之舉。

（2）全數(shù)字化。平臺(tái)支持所有數(shù)字化教學(xué)資源運(yùn)行，與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一起構(gòu)成完整的教學(xué)體系，綜合運(yùn)用虛擬教學(xué)資源和各種配套資源，助力數(shù)字化虛實(shí)一體教學(xué)得以順利開(kāi)展。

（3）全智能分析。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的考核評(píng)價(jià)體系，全智能分析學(xué)生學(xué)習(xí)考核數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告。

2 數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

本研究以虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)目標(biāo)為導(dǎo)向，整合陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有硬件和軟件，借助學(xué)院教師科研資源，構(gòu)建起能夠滿足材料學(xué)科“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”全流程實(shí)驗(yàn)需求的材料科學(xué)與工程數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。其中，主要包括材料成型與控制工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、材料設(shè)計(jì)計(jì)算仿真平臺(tái)、材料力學(xué)與工程仿真平臺(tái)3個(gè)二級(jí)虛仿平臺(tái)，每個(gè)二級(jí)平臺(tái)又可以分為3個(gè)子模塊，平臺(tái)具體構(gòu)成如圖2所示

2.1 液態(tài)成形虛擬仿真模塊

液態(tài)成形虛擬仿真模塊利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、材料科學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，通過(guò)軟件模擬進(jìn)行液態(tài)成形工藝設(shè)計(jì)和金屬液態(tài)成形的全過(guò)程。借助仿真技術(shù)，能夠?qū)饘偃刍⒊湫汀⒗鋮s、凝固等完整工藝流程進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并且可以直觀地看到液態(tài)成形過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等工藝參數(shù)的變化所產(chǎn)生的影響。

2.2 塑性加工虛擬仿真模塊

塑性成形是材料成形的重要加工方式，塑性加工虛擬仿真模塊通過(guò)典型商用有限元分析軟件建模與基本操作，動(dòng)態(tài)仿真零部件冷成形、溫成形、熱成形過(guò)程中成形工藝、建模、有限元模型評(píng)估與應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)塑性加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高學(xué)生對(duì)材料塑性加工成形方面的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

2.3 焊接虛擬成形仿真模塊

通過(guò)焊接仿真分析，可以實(shí)時(shí)的獲取焊接過(guò)程中金屬材料金相組織、力學(xué)性能的變化規(guī)律，以及可視化焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的變化情況，為學(xué)生提供一個(gè)身臨其境的焊接訓(xùn)練虛擬環(huán)境，使學(xué)生更容易掌握焊接順序、焊接裝夾位置等焊接工藝參數(shù)。

3 “數(shù)字仿真—?jiǎng)?chuàng)新—應(yīng)用”課程體系建設(shè)

通過(guò)材料數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷探索，建立了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與模式，構(gòu)建了基于“數(shù)字仿真—?jiǎng)?chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)完整課程體系^[12]。該體系結(jié)合課程理論教學(xué)，融合實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目、大學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與工程能力訓(xùn)練等實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，以此構(gòu)建一套能夠較好地滿足材料學(xué)科人才實(shí)踐能力培養(yǎng)要求的課程體系。

數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)圍繞著材料應(yīng)用的“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”四要素，“設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可借助材料相關(guān)設(shè)計(jì)軟件，利用第一性原理開(kāi)展材料電子行為的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。具體操作步驟為：計(jì)算具有周期性結(jié)構(gòu)的材料對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，確定所選材料是否滿足加工條件要求；利用力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬軟件，模擬研究金屬、無(wú)機(jī)和高分子材料等不同材料在各種時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)行為；利用多種加工成形模擬技術(shù)，可視化觀察材料在不同成形工藝過(guò)程中形狀、組織與性能的變化規(guī)律，并分析工藝方法和工藝參數(shù)等因素對(duì)不同零件成形的影響。

以塑性成形虛擬仿真模塊為例，該模塊下開(kāi)設(shè)塑性成形工藝與模具設(shè)計(jì)、塑料成形工藝與模具設(shè)計(jì)、壓鑄模設(shè)計(jì)等數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)子項(xiàng)目^[13]。項(xiàng)目?jī)?nèi)容集合了虛擬成形工廠路徑規(guī)劃、虛擬模具裝配、塑性成形工藝參數(shù)數(shù)值模擬等虛擬制造技術(shù)，讓塑性成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與步驟操作在真實(shí)性上更進(jìn)一步。在虛仿實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以在虛擬工廠中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃和約束管理（如圖3所示）；在具體操作步驟中，借助虛擬約束與虛擬裝配的相關(guān)技術(shù)，依照實(shí)驗(yàn)要求，達(dá)成對(duì)模具零件的拾取、模具運(yùn)動(dòng)的操控等操作。在實(shí)驗(yàn)的每一步驟均以文字或語(yǔ)言信息提供相應(yīng)的基礎(chǔ)工藝知識(shí)，使學(xué)生掌握塑性成形的原理、設(shè)備、步驟、主要工藝參數(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)系統(tǒng)提供自由漫游和手動(dòng)實(shí)驗(yàn)功能，讓學(xué)生實(shí)際操作虛擬設(shè)備，自由了解制造環(huán)境，并且可以反復(fù)操作直至熟練掌握，深入理解，從而既注重了基礎(chǔ)工藝知識(shí)的掌握，也同時(shí)兼顧了實(shí)際工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖形、表格、動(dòng)態(tài)圖形等形式表現(xiàn)，可視化地呈現(xiàn)各子項(xiàng)目的使用情況，主要包括學(xué)生的操作記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、學(xué)習(xí)進(jìn)度、在線使用人數(shù)等信息。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的客觀分析，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況做出準(zhǔn)確合理的教學(xué)規(guī)劃。同時(shí)，項(xiàng)目的訪問(wèn)頻率、用戶參與數(shù)、各子項(xiàng)目熱度等使用數(shù)據(jù)，也為學(xué)院和實(shí)驗(yàn)中心提供了管理決策依據(jù)，對(duì)提升教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率，提供了強(qiáng)有力的保障。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不斷探索和實(shí)踐，成功建設(shè)了基于材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。“數(shù)字仿真—?jiǎng)?chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系也在逐步探索中得以建立和完善。通過(guò)提供虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生搭建了理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操的橋梁，學(xué)生抽象知識(shí)的理解能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到了大幅提高。下一階段，平臺(tái)將擴(kuò)大虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍，深度挖掘一些潛在的科研方向，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展教學(xué)研究，希冀為科研理論、方法驗(yàn)證提供技術(shù)支持。未來(lái)，將不斷加強(qiáng)平臺(tái)的建設(shè)力度，通過(guò)自主研發(fā)、合作、引進(jìn)相結(jié)合的方式完善各種數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)作出更大的貢獻(xiàn)。

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