一流課程建設背景下激光焊接虛擬仿真實驗教學探索

0 引言

高校實驗教學是大學生獲取理論知識的重要環節，是提升學生培養質量的重要途徑，是提高學生實踐動手能力和創新能力的重要方式，也是培養高素質、高層次人才的關鍵[1。近年來，隨著一流課程建設與新工科、新醫科、新農科、新文科建設的全面推進，信息技術與現代教育逐步實現深度融合。湖北汽車工業學院圍繞新工科人才培養的總體目標，深入貫徹落實學生中心、成果導向、持續改進的教育理念，通過全力打造虛擬仿真實驗教學的一流課程，以其前沿技術和沉浸式學習體驗，為高校實驗教學模式的深刻變革注入強勁動力，推動高校實驗教學模式變革與創新進程[2]。

虛擬仿真實驗教學作為一種新型教學形式，是教育與計算機技術深度融合的產物。與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗教學有四個顯著特點。1）強化學生主體地位。通過精心整合實驗內容、實驗方法和教學指導資源，學生得以借助虛擬仿真實驗平臺自主選擇基礎驗證、綜合設計乃至研究探索等多層次的學習路徑。2）智能化水平顯著。實驗過程中，學生的各項數據，諸如實驗頻次、操作時長與進度等，均可被系統自動收集并分析，為實施全面、智能、高效且合理的實驗考核與評價提供了可能。3）開放共享特性鮮明。虛擬仿真實驗平臺打破了專業、學校、行業和地域界限，促進了優質資源的廣泛共享。4）技術保障條件依賴強。實驗教學應用成效很大程度上取決于計算機、網絡等軟硬件設施的性能及其持續的投資建設[2]。

1虛擬仿真實驗教學的必要性

1.1避免傳統實驗教學風險

焊接實驗操作環境相對較差，存在高溫飛濺物、弧光污染、煙塵污染等多種危險因素，有些焊接方法即使在安全防護工具下操作，仍然不可避免地出現觸電、燙傷、弧光打眼、電磁輻射等危害，在大規模開展某些特殊項目的實驗時就具有一定的局限性。而如果僅僅采用演示或者觀看視頻的方式來取代實驗規避風險，學生則無法切身體會，不能獲得感性認識，會導致教學效果較差，達不到預期目標。通過采用虛擬仿真實驗技術，操作過程中在關鍵環節嵌入危險預警與后果模擬動畫，可以有效增強學生的學習記憶，促進他們形成良好的實驗習慣，從而避免在真正實驗過程中或者步入社會走上工作崗位后進行相關操作時造成安全隱患，同時降低有毒有害等物質的產生，更好地保護教學人員和學生的身心健康[3]。

1.2降低實驗運行成本

材控和焊接專業學生在實驗教學環節原材料消耗大，而且激光焊接設備昂貴，若未經過前期長時間的操作訓練，很容易導致設備出現故障，而一旦設備出現故障，維修成本較高。通過采用純虛擬仿真實驗或者虛實相結合的模式開展實驗，可以大幅度降低學生對實驗材料的消耗和對激光焊接實驗設備的依賴，從而降低整體的實驗運行成本。

1.3緩解機少人多的教學壓力

高校教學實驗室中配置的焊接成形設備通常較少，尤其是一些精密、價格昂貴的設備臺（套）數更少。如湖北汽車工業學院只配置一臺激光焊接設備，既要保障教師的科研工作和研究生的課題開展，又要滿足本科教學任務，若用于有限學時的實驗教學，根本無法一次性滿足大量學生的訓練實操要求。虛擬仿真實驗則可以有效接納大容量訓練任務，且節省了實操環節的時間，虛擬訓練與實操訓練相互補充、相輔相成，可以有效緩解機少人多的教學壓力[4]。

1.4突破實驗教學的時間和空間限制

虛擬仿真實驗依托網絡平臺，展現出高度的開放性，方便學生隨時隨地進入實驗，擺脫時間、空間和實驗次數的束縛，為他們營造一個全新的學習體驗氛圍。在激光焊接虛擬實驗項目中，學生可以自主選擇焊接材料、獨立設計和改變試驗條件，全面深入地探索工藝參數、組織與性能三者之間的內在關系。這一過程不僅可以極大地激發學生的好奇心與探索欲，還能有效地鍛煉學生的創新思維，進而提高焊接實驗教學的整體質量[3]。

2虛擬仿真實驗教學項目構建

2.1 虛擬仿真實驗系統設計

該虛擬仿真實驗項目以新工科建設要求為內涵，以新時代智能制造對焊接技術與工程專業人才培養的新需求為指引，基于工程教育OBE（Out-comeBasedEducation，OBE）理念，關注學習產出模式、學習成果的取得和評價，旨在提高學生的焊接工藝設計、組織分析、性能測試等能力，真實還原同種/異種薄板激光焊接及接頭性能檢測場景，利用專業建模工具進行圖像渲染，使焊接過程全景化、可視化，不易觀察的熔池瞬態行為形象化。基于專業開發引擎，采用交互式框架設計，按由淺入深、層層遞進的思路，設計極具專業特色的“兩模式、四階段”激光焊接虛擬仿真實驗系統，設計框架如圖1所示。

圖1激光焊接虛擬仿真實驗設計框架圖

實驗前，學生登錄門戶網站查看實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗方法與步驟、實驗考核要求等基本描述信息。實驗開始時，學生首先進入學習模式，各個環節可以根據學習需要進行任意切換。原理知識復習環節，學習相關專業課知識，掌握激光焊接基本原理。預習題目考核環節，系統從題庫中隨機抽取三道題組成一套試題，對學生的學習情況進行初步考核，得分通過要求之后才能進入下一步操作。實驗場景預覽環節，通過觀看視頻，學習激光焊接系統操作規程，認識實驗設備，預覽實驗場景，熟悉實驗環境。由畫面可以看出，該實驗系統主要由焊接機器人、表面處理工作臺、超聲波清洗機、工作裝夾平臺、控制柜中控系統、保護氣體、外循環水冷系統、空壓機、激光發生器等10多個子系統組成，通過WSAD按鍵控制前后移動和按住鼠標右鍵進行視角旋轉，鼠標左鍵加滾輪可以360^° 觀察每個子系統的結構和組成。之后進入新手引導環節，在相應的操作步驟采用高亮顯示，開啟知識點撥，為學生創造體驗“知其然更知其所以然”的學習情景，引導學生流暢完成整個實驗操作過程。該過程可反復練習，等學生完全熟悉整個實驗過程之后方可進入考核模式進行實驗操作。

考核模式下，首先進行激光焊接過程，從最初焊接材料的選擇、焊前材料表面的清理、焊接參數的設置、焊接設備的操作等方面讓學生完成整個焊接過程，并且實時顯示焊接過程中不易觀察的熔池瞬態行為、溫度場和應力場的變化狀態。另外，此過程中在關鍵點會以彈窗形式跳出相關題目，檢驗學生在學習模式下的學習效果。焊接完成后將試樣取出，對激光焊接接頭進行金相組織觀察和顯微硬度測試分析；之后對激光焊接接頭進行拉伸力學性能測試分析，分析焊接接頭性能是否達到相關設計要求；繼而要求學生根據所學的實驗優化設計理論知識，通過合理設計焊接工藝參數，進行至少三組不同參數的焊接實驗，并將所有的實驗結果輸出；最后對實驗結果進行分析，理解不同工藝參數形成接頭差異，撰寫實驗報告。從最初的認知階段到實踐階段，再到探究階段，以及最后的總結階段，整個實驗過程層層遞進，實驗內容環環相扣。

2.2科學設置教學考核體系

該虛擬仿真實驗項目的課程考核遵循工程教育專業認證的核心要求，主要針對材料成型及控制工程、焊接技術與工程專業本科三年級學生，兼顧其他從事焊接生產的社會學習者，先修課程為材料科學基礎、焊接冶金學、金屬焊接性、高能束焊接等。課程考核機制的特色在于重視過程與結果的雙重評價，既能有效衡量學生的知識掌握情況，又著重考查學生的科學探究能力與價值觀等綜合素質的發展情況[5]。為了全面評估學生的學習成效，系統從預習階段、操作過程、實驗結果、實驗報告撰寫這四個關鍵方面進行綜合考量，將實驗背景知識掌握情況、預習任務完成情況、實驗過程操作情況、問題解答能力、實驗結論的提煉與總結等多方面內容整合，匯總生成學生的詳細且全面的實驗評價成績報告。具體實驗課程評價體系如圖2所示，考核項目與內容如表1所示。

圖2實驗課程評價體系

表1虛擬仿真實驗考核項目與內容

2025年9月下第18期（總第612期）

中國教育技術裝備

3虛擬仿真實驗教學項目運行

3.1 虛擬仿真實驗教學項目運行反饋

目前所建設的虛擬仿真實驗教學項目已經過兩輪試用，通過學生和教師的反饋，提出的修改建議如表2所示。

后期需要將更多的焊接實驗項目轉化為由實到虛的形式進行。

表2虛擬仿真實驗修改意見表

3.2針對虛擬仿真實驗轉變教學模式

采用虛擬仿真實驗項目進行教學時，需要打破傳統實驗教學以教師為主體、以講授為中心的教學模式，引導學生由被動接受者轉向主動求學者，更多的是讓學生進行自主探索操作，實現以教師為主體向以學生為主體的轉變，助力學生學、思、踐、悟一體化發展[。另外，虛擬仿真實驗教學作為一種輔助教學手段，僅僅是傳統實驗教學的補充，教師還應當致力于將傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學進行有機融合，以確保實驗教學質量的實質性提升。

3.3開放共享虛擬仿真實驗教學項目

通過舉辦會議論壇、交流訪問等宣傳形式，加快激光焊接虛擬仿真實驗教學項目面向高校、社會的教學推廣應用[]，既可以有效避免資源重復建設，大幅度提升虛擬仿真實驗項目資源的利用率，也能與其他院校學習探討虛擬仿真實驗項目的建設思路、經驗和成果，更重要的是構建“建設一共享一反饋一升級”的完整閉環，實現虛擬仿真實驗項目的功能完善、服務進階和系統升級，不斷拓展課程內容的深度和廣度，使得課程更具系統性、創新性、應用性，能夠更有效地支撐教學[8]。

4結束語

在新時代一流課程建設背景下，堅持以提高學生焊接實踐能力為中心，教學中引入現代虛擬仿真技術，建設虛實結合的激光焊接虛擬仿真實驗教學項目，全面對實驗教學內容、教學方法和考核機制等進行改革探索，充分發揮虛擬仿真實驗教學的優勢，有效彌補傳統焊接實驗教學的不足，更好地發揮育人作用。同時，在項自運行中發現，目前的激光焊接虛擬仿真實驗項目還需要結合師生的反饋意見，不斷深入迭代開發、動態完善，才能真正做到由實轉虛、虛實結合的有效銜接，切實增強實驗教學效果，培養學生解決實際工程問題的能力和工程創新能力。

5 參考文獻

[1]韓永光，牛樂，樊香，等．虛擬仿真實驗教學中心和項目的建設與發展[J].中國教育技術裝備，2023（4）：8-11.

[2] 張敏，周勇義，劉金庫，等.高校虛擬仿真實驗教學課程應用評價指標體系研究［J].中國現代教育裝備，2022（15）：1-6.

[3] 劉翠霞，劉永勤，馬志軍.材料科學與工程虛擬仿真實驗的建設及應用[J].廣州化工，2021，49（9）：199-200，211.

[4] 戴坤添，劉能鋒，陳如香，等.虛實結合的焊接實踐教學研究[J].焊接技術，2022，51（5）：152-156.

[5] 滕鑫，唐頌超，楊曉玲，等．大學化學虛擬仿真實驗教學建設：以水性聚氨酯聚合及超臨界連續發泡虛擬仿真實驗為例[J].大學化學，2023，38（11）：8-15.

[6] 蘭虎，溫建明，邵金均，等.大型鋼結構多機器人協同焊接控制虛擬仿真實驗設計[J].實驗室研究與探索，2022，41（2）：202-207，218.

[7] 李明亮，王海亮，宋博，等.復合材料干壓成型虛擬仿真實驗的創新與實踐[J].科教導刊，2023（19）：58-60.

[8] 楊慧婕，趙娟娟，汪穎，等．虛擬仿真實驗教學項目開放共享探索與實踐[J].西部素質教育，2022，8（11）：102-105.