李春艷，鄒龍江，林莉

（大連理工大學材料學院，遼寧大連116024）

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無損檢測可視化實驗教學平臺的設(shè)計——基于虛擬仿真技術(shù)

李春艷，鄒龍江，林莉

（大連理工大學材料學院，遼寧大連116024）

摘 要：突破傳統(tǒng)的無損檢測實驗教學模式，提出以“可視化、綜合化”作為無損檢測設(shè)備及實驗課程實驗教學改革的主旨，初步建立多層次、全方位的無損檢測設(shè)備及實驗課程實驗教學平臺。該平臺融合虛擬實驗、微視頻、電子書和綜合設(shè)計實驗等功能為一體。實踐表明：可視化教學平臺的引入，有利于提高該課程的實際教學效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；可視化；綜合設(shè)計實驗；實驗教學平臺

傳感、信息和儀器等現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展使得新型無損檢測技術(shù)層出不窮。在超聲、磁粉、渦流、射線、滲透五大常規(guī)方法外，超聲相控陣檢測、超聲導波檢測、脈沖渦流技術(shù)、陣列渦流探測、紅外熱成像、激光散斑干涉檢測等新技術(shù)正逐步應(yīng)用到我國各行各業(yè)中。如何將前沿的無損檢測技術(shù)和常規(guī)無損檢測試驗糅合在一起，應(yīng)用于本科實驗教學，使得學生奠定扎實理論基礎(chǔ)，掌握無損測試技術(shù)精髓，成為亟需解決的問題。

無損檢測設(shè)備及實驗是大學本科金屬材料專業(yè)無損檢測專業(yè)方向的必修課，也是該專業(yè)方向的核心課程。課程建設(shè)旨在培養(yǎng)學生對無損檢測的方法、意義及其應(yīng)用深入了解。目前，課程實驗設(shè)備少而陳舊，實驗教學模式單一，多為驗證性實驗，學生缺乏對無損檢測工作原理的直觀認知。針對這一現(xiàn)狀，我們提出“可視化、綜合化”作為無損檢測設(shè)備及實驗課程實驗教學體系的主旨，初步探索基于虛擬實驗技術(shù)的多層次、全方位的無損檢測設(shè)備及實驗課程實驗教學體系。

1　“可視化”即虛擬實驗教學平臺的建立

計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展促使實驗教學發(fā)生深刻的變革。虛擬仿真技術(shù)日益成熟，也使可視化教學成為實驗教學的熱點，借助全數(shù)字化動態(tài)模型及3D虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)能將傳統(tǒng)無損檢測設(shè)備功能軟件化，這使課堂教學靈活形式、直觀可見。近年來，國內(nèi)外許多高校根據(jù)自身科研和教學的需求建立了虛擬實驗室［1－3］。圖1是國內(nèi)一些比較優(yōu)秀的虛擬實驗室開發(fā)主要依托軟件。

無損檢測虛擬實驗教學平臺的建立是課程改革的核心。針對傳統(tǒng)無損檢測實驗教學過程中，很多問題只能依靠儀器進行瞬態(tài)分析，而無法對整個探傷過程進行分析，并且知識點較多，理論性和實踐性較強，多數(shù)學生缺乏實踐經(jīng)驗和感性認識的教學現(xiàn)狀，虛擬實驗室借助交互式的虛擬實驗仿真和虛擬設(shè)備展示無損探傷的基本原理和實際工程中的應(yīng)用實例，使學生在逼真的工程操作環(huán)境中進行訓練，能親自動手進行參數(shù)設(shè)置，全面、具體和深入地了解不同的無損探傷技術(shù)的操作過程和注意事項［4－5］。

實驗教學平臺初步設(shè)想由課程教學視頻、虛擬實驗仿真操作、綜合性設(shè)計實驗、前沿探傷實驗和E－book數(shù)據(jù)包五部分構(gòu)建而成。在技術(shù)層面上，實驗教學視頻和虛擬仿真操作是整個平臺建立的關(guān)鍵。我們提出利用Flash，PPT等強大的圖形處理技術(shù)和3DSMAX，VR－Platform（VRP）虛擬現(xiàn)實平臺技術(shù)［6－7］，開發(fā)無損檢測虛擬實驗室。利用計算機技術(shù)進行探傷過程分析，并將結(jié)果以曲線、動畫等直觀的形式表現(xiàn)出來。再輔以攝影技術(shù)將實驗中儀器操作過程以“視頻”的形式，給學生具體的視覺沖擊，提高學生對檢測理論的感性認識。

平臺擬建設(shè)視頻6講，3講課程視頻包括磁粉探傷、滲透探傷和渦流探傷；3講前沿探傷視頻如超聲相控陣檢測技術(shù)等。仿真操作一套，重在整合以下實驗內(nèi)容，凸顯工作原理：包括超聲波探傷儀水平線性、垂直線性測試；斜探頭入射點、K值測試；盲區(qū)、分辨力測試；超聲縱波探傷；超聲橫波探傷。E－book電子數(shù)據(jù)包一套，內(nèi)含實驗指導書、儀器說明書和課件PPT。

平臺的建設(shè)讓學生了解設(shè)備的工作原理、操作規(guī)程和使用方法，并且能夠初步掌握一些試樣或工件如何利用無損檢測技術(shù)測試其內(nèi)部是否含有缺陷，以及對缺陷的判斷等。利于驗證性實驗項目的課時整合，節(jié)約有限課時，提高綜合性、設(shè)計性實驗所占比。

圖1　開發(fā)虛擬實驗室主要依托軟件

2　“綜合化”：綜合性實驗的設(shè)計

虛擬實驗的直觀性和生動性，能夠給學生帶來“身臨其境”的感覺，使枯燥的檢測過程變得有趣，易于理解和掌握。但是，這種事先預設(shè)了所有情境，將過程直接演示給學生看的仿真實驗教學方法，依然是教師灌輸學生接受的模式，只是教師在教學組織上使用了另一種教學工具而已。所以在虛擬實驗平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合大連理工大學無損檢測方向課程體系和專業(yè)方向特色，圍繞無損檢測設(shè)備及實驗，在保留必要的基礎(chǔ)性驗證實驗內(nèi)容的同時，重點建設(shè)2～3個綜合性、設(shè)計性實驗，重視和發(fā)揮學生的主體能動性，倡導啟發(fā)式、互動式、研討式、案例式等教學方式，充分讓學生參與教學過程，提高學生的學習主動性［8－9］。

無損檢測設(shè)備及實驗共有24學時，實驗內(nèi)容包括超聲波探傷儀水平線性、垂直線性測試，斜探頭入射點、K值測試，盲區(qū)、分辨力測試，超聲縱波探傷，超聲橫波探傷，數(shù)字型超聲探傷設(shè)備使用，磁粉檢測，滲透檢測，渦流檢測9個常規(guī)驗證性實驗。實驗內(nèi)容偏重于驗證性和測量性實驗，實驗?zāi)康摹y試儀器及參數(shù)、實驗內(nèi)容、實驗步驟等都寫得非常具體，留給學生認真思考的余地很少；學生基本上將實驗程序化，即測量、記錄所需的波形、信號就算大功告成。這種傳統(tǒng)實驗只是對前人知識的驗證、重復和再現(xiàn)，對于培養(yǎng)學生的綜合分析能力和解決問題的能力是遠遠不夠的。因此，創(chuàng)建綜合實驗項目十分必要。將9個常規(guī)實驗重新整合，創(chuàng)建2～3綜合性實驗項目。綜合實驗的思路：提供缺陷試樣，要求學生綜合運用多種無損檢測方法，將其內(nèi)部或表面缺陷檢測出來。在整個實驗過程中，學生首先通過虛擬實驗平臺熟悉掌握儀器使用方法，然后獨立完成探傷工藝設(shè)計，包括無損檢測方法的選用、檢測步驟、檢測結(jié)果

的分析以及檢測結(jié)論（試樣中有無缺陷，必要時還要給缺陷定位、定性和定量）。讓學生自主設(shè)計實驗方案，比較不同無損檢測技術(shù)針對同一檢測對象的檢測效果；考慮將材料測試分析中的有損測試和無損檢測技術(shù)相結(jié)合，讓學生設(shè)計多種實驗方案及儀器搭配，提高學生分析問題、解決問題的能力，以及對設(shè)備的選用和操作等方面的實踐技能［10］。

實驗過程中，學生以小組為單位，對設(shè)計性、綜合型實驗項目，在給定設(shè)計任務(wù)和要求的情況下，以分組合作形式從資料收集、方案擬定、設(shè)計與調(diào)試到撰寫實驗報告，自主完成。這種面向任務(wù)的教學方法給予學生最大的發(fā)揮空間，培養(yǎng)了學生分析問題與解決問題的能力和團隊合作精神。

綜合性實驗教學重于：1）強化基礎(chǔ)理論，注重培養(yǎng)學生扎實的基礎(chǔ)理論知識。對每個學生來說，綜合實驗都是一次全面的專業(yè)知識掌握情況的測試。通過專業(yè)綜合實驗的訓練，學生不僅可以掌握一定的知識和技能，而且可以掌握一定的學習方法，促進了知識的及時吸收。2）注重理論聯(lián)系實際，提高學生分析和解決實際問題的能力。綜合實驗對每個學生來說都是一個全面的鍛煉。選擇實驗方法，親自動手操作，分析實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論。必要時還要修改實驗方案，從頭再來，直至完成實驗任務(wù)。3）重在培養(yǎng)團隊合作精神。實驗以組為單位，各組獨立完成，沒有固定路線，只求最佳效果。同學們相互交流、溝通、啟發(fā)和幫助，從而培養(yǎng)了良好的團隊合作精神。4）不斷強化實踐教學，強化學生的動手能力，通過課程設(shè)計開發(fā)學生的工程意識。在提高學生分析和解決實際問題能力的同時，也培養(yǎng)了學生的工程意識和主動適應(yīng)社會需求及競爭的能力，綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力都會得到一定程度的提高。

3　結(jié)語

無損檢測設(shè)備及實驗課程“可視化、綜合化”的實驗教學改革的主導思想，對本專業(yè)實驗教學的平臺建設(shè)具有提綱挈領(lǐng)的指導作用。在課程建設(shè)上，利用虛擬實驗技術(shù)從單一教學模式向多維立體化教學方式的轉(zhuǎn)變，可以大大提高教學效果。重在學生參與，充分調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提高學生的綜合素質(zhì)。同時，通過優(yōu)化無損檢測設(shè)備及實驗的實驗內(nèi)容，創(chuàng)建啟發(fā)式、創(chuàng)新性和可設(shè)計性的綜合實驗項目，將應(yīng)用與實踐內(nèi)容緊密結(jié)合，能夠給予學生更多的主動權(quán)，激發(fā)學生的求索精神和參與熱情，從而提高了學生的綜合素質(zhì)和能力，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的人才提供了一種思路和方法。

實踐表明，通過可視化、綜合性、啟發(fā)式的實驗案例教學，既能提高學生分析和解決問題的能力，又能做到理論與實踐的緊密結(jié)合，有利于應(yīng)用型人才和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，效果良好。同時，在教學過程中，教師還應(yīng)重點把科技創(chuàng)新的思想、方法和科學研究的先進手段介紹給學生，啟迪學生思維，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

參考文獻：

［1］徐進．2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報建議［J］．實驗室研究與探索，2014，33 （8）：1－5．

［2］于彤．基于虛擬儀器的環(huán)境量檢測創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計［J］．實驗室研究與探索，2013，32（12）：16－20．

［3］王衛(wèi)國．虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思考與建議［J］．實驗室研究與探索，2013，32（12）：5－8．

［4］任吉林．南昌航空大學無損檢測教育三十年［J］．無損檢測，2008，30（4）：248－249．

［5］張清，李全安，文九巴，等．損檢測綜合實驗的教學改革［J］．NDT無損檢測，2008，30（5）：316－319．

［6］金濤，雷毅．金屬焊接虛擬實驗室的開發(fā)［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2012（17）：30－32．

［7］武達亮．互動式教學法在“電路”課程仿真教學中的應(yīng)用［J］．實驗技術(shù)與管理，2015，32（3）：211－215．

［8］陳穗麗．大學研究院開展本科生創(chuàng)新培養(yǎng)模式實踐與建議［J］．實驗技術(shù)與管理，2015，32（3）：44－46．

［9］肖立中，周小理，王珍．基于公共服務(wù)與信息化的跨學科實驗平臺構(gòu)建［J］．實驗室研究與探索，2014，33（12）：233－237．

［10］盧超鴻，卜冠華，任吉林，等．無損檢測專業(yè)實踐教學體系建設(shè)的探索［J］．無損檢測，2011，33（8）：59－64．

（責任校對 謝宜辰）

作者簡介：李春艷（1976－），女，河北滄州人，工程師，博士，主要從事無損實驗課教學研究。

基金項目：遼寧省金屬材料工程專業(yè)綜合改革及建設(shè)項目（3002－811023）

收稿日期：20150511

doi：10．13582／j．cnki．1674－5884．2015．11．028

中圖分類號：G424．2

文獻標志碼：A

文章編號：1674－5884（2015）11－0087－03