梁李敏 陳學(xué)廣 劉 哲 何 珺 范佳薇

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300401）

0 引言

虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化發(fā)展和實驗教學(xué)改革相結(jié)合的創(chuàng)新目標(biāo)和產(chǎn)物。國家《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高[2012] 4 號）中提出了強調(diào)實踐育人的措施，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》也指出，建設(shè)仿真實訓(xùn)基地等信息化教學(xué)實施，建設(shè)實習(xí)實訓(xùn)等關(guān)鍵領(lǐng)域的管理信息系統(tǒng)，建設(shè)支撐學(xué)生、教師和員工自主學(xué)習(xí)的科學(xué)管理的數(shù)字化環(huán)境，是虛擬實驗教學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。

1 虛擬仿真教學(xué)實驗建設(shè)的必要性

材料科學(xué)與工程專業(yè)是一門實踐性較強的學(xué)科，虛擬仿真實驗教學(xué)可以綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實和多媒體技術(shù)構(gòu)建仿真的實驗環(huán)境，使學(xué)生自主地在開放的虛擬仿真平臺上開展實驗，彌補了傳統(tǒng)實驗不能實現(xiàn)的教學(xué)功能，可以有效地提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。[1-5]材料科學(xué)與工程專業(yè)在實踐教學(xué)過程中存在一些普遍性的問題，一些專業(yè)實驗要求在高溫、高壓、高危險等極端條件下操作，一些物理化學(xué)類的實驗在操作過程中使用到有毒或易爆的原料或化學(xué)藥品，[6,7]一些微觀尺度的實驗，難以通過實驗教學(xué)的手段來觀察。一些涉及大型設(shè)備的實驗，受到實驗臺套數(shù)的限制，無法滿足學(xué)生的動手要求。[8,9]虛擬仿真實驗的開展可以有效地解決傳統(tǒng)實驗平臺建設(shè)周期長、投入大、設(shè)備功能缺乏等問題，可以節(jié)省實驗室建設(shè)過程中人力、物力和財力的投入，降低實驗教學(xué)成本，保障實驗有效地正常開展。另外，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗比傳統(tǒng)的實驗更具有開放性，可以打破時間和空間的限制，可以根據(jù)專業(yè)、興趣和愛好自主地進(jìn)行實驗方案的設(shè)計，實驗內(nèi)容的選擇，實驗結(jié)果的分析評價等。學(xué)生由傳統(tǒng)的被動地接受實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)變到主動地參與和掌控實驗過程，豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)容，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 虛擬仿真教學(xué)實驗建設(shè)的內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)專業(yè)情況和人才培養(yǎng)方案來制定，材料科學(xué)與工程專業(yè)有金屬材料、材料成型、材料物理、功能材料和無機非金屬材料五大專業(yè)，學(xué)生的專業(yè)課程設(shè)置主要分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程和實習(xí)類課程三大類。虛擬仿真實驗教學(xué)必須本著“虛實結(jié)合，互為補充，能實不虛”的原則，根據(jù)實驗教學(xué)規(guī)劃，開展虛擬實驗課程。根據(jù)對材料專業(yè)特點、培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)目標(biāo)的綜合考慮，我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)主要分為微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真、材料檢測虛擬仿真、極端條件專業(yè)實驗虛擬仿真和實習(xí)實踐虛擬仿真模塊四大部分。

2.1 微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真模塊

在開設(shè)專業(yè)課程之前，材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能和材料物理性能等專業(yè)基礎(chǔ)課程是材料學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。在這些課程中，晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)和分析，晶體結(jié)構(gòu)對材料物理化學(xué)性能的影響都是課程教學(xué)中的難點和重點。將虛擬仿真技術(shù)與微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將抽象和微觀的晶體幾何形態(tài)和點陣用三維模型在虛擬平臺上可視化，從而建立晶體結(jié)構(gòu)與材料物性的直觀連接。微結(jié)構(gòu)虛擬仿真模塊主要可以分為兩個方面：一是微結(jié)構(gòu)材料理論模型的建立，材料結(jié)構(gòu)的理論模型可以根據(jù)材料的性質(zhì)來設(shè)計，也可以根據(jù)材料體系的空間尺寸來設(shè)計。材料結(jié)構(gòu)的建?？梢圆捎每梢暬缑娴慕＼浖aterial studio 和MAPS 等，學(xué)生能根據(jù)需要搭建不同維度不同尺寸的結(jié)構(gòu)模型，同時加深對材料微觀結(jié)構(gòu)的了解。二是材料物理性質(zhì)分析的虛擬模塊，在建立結(jié)構(gòu)材料模型的基礎(chǔ)上，利用material studio, MAPS, MedeA 等計算軟件包中的分子動力學(xué)方法模塊、蒙特卡洛方法模塊和第一型原理計算模塊對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)搜索，執(zhí)行物理性能的模擬計算。學(xué)生在執(zhí)行物理性能模擬計算的過程中，可以設(shè)置通過的參數(shù)，得到不同的結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對材料物性的理解，為學(xué)生提供基本的科研訓(xùn)練和研究手段。

2.2 材料檢測虛擬仿真模塊

現(xiàn)代材料分析方法是材料科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，課程開設(shè)的目的是讓學(xué)生掌握現(xiàn)代材料的各種測試方法，了解測試設(shè)備的基本原理、結(jié)構(gòu)和圖譜數(shù)據(jù)分析方法等，為大四的畢業(yè)設(shè)計和科學(xué)研究打好基礎(chǔ)?，F(xiàn)代材料分析方法實驗課程自開設(shè)以來也存在著一些問題。對于材料科學(xué)工程學(xué)院來說，不同的專業(yè)所學(xué)材料的種類不同，因此材料的測試方法也存在著差異。另外，現(xiàn)代材料分析方法實驗課程涉及的設(shè)備都是大型精密儀器設(shè)備，設(shè)備價格昂貴，設(shè)備的臺套數(shù)只有一臺，無法滿足學(xué)生實驗課程的實際操作要求。學(xué)生幾乎沒有獨立操作設(shè)備的機會，學(xué)生對儀器的認(rèn)識停留在書面知識上，缺少實際操作經(jīng)驗，一定程度上影響了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對目前實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合各學(xué)科各專業(yè)發(fā)展的特點，搭建大型分析儀器虛擬仿真實驗室，虛擬仿真測試樣品數(shù)據(jù)庫里不僅要包含各專業(yè)典型材料的測試參數(shù)及圖譜，同時也要將一些當(dāng)前科技發(fā)展前沿的材料納入數(shù)據(jù)庫中。不僅可以增加學(xué)生對微觀分析技術(shù)的興趣，同時加深了學(xué)生對各種檢測技術(shù)的原理和應(yīng)用的了解，增強了學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，對學(xué)生以后從事新材料相關(guān)的生產(chǎn)和研究有極大的幫助。

2.3 極端條件下的虛擬仿真實驗?zāi)K

對于材料專業(yè)類的學(xué)生來說，專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)實驗設(shè)備相對比較齊全，這些專業(yè)基礎(chǔ)實驗?zāi)軐嵅惶?，讓學(xué)生親自動手操作，提高了學(xué)生的實踐動手能力。但是專業(yè)實驗受到實驗條件的限制，學(xué)生不能全程參與到實驗中，無法觀察整個實驗過程。例如：鋼鐵冶金課程中的煉鋼實驗，材料成型專業(yè)中的液態(tài)金屬澆注實驗等。由于受到實驗設(shè)備、實驗條件及實驗安全性等條件的限制，目前這些實驗課程都是采用演示觀摩的方式進(jìn)行授課。對于這些極端條件下的實驗課程，可以搭建虛擬仿真實驗?zāi)K，模擬材料制備加工過程的真實實驗，學(xué)生可以根據(jù)需求改變實驗條件，如：改變實驗原材料的添加，改變實驗過程中的溫度，改變樣品成型的模具等，通過虛擬實驗過程的調(diào)試，達(dá)到學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。同時，原有的演示觀摩實驗也不能取消，將虛擬仿真實驗和目前的實驗授課方式虛實結(jié)合，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

2.4 虛擬仿真創(chuàng)新實習(xí)模式

實習(xí)實踐環(huán)節(jié)對于材料專業(yè)人才的培養(yǎng)必不可少，認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)在大學(xué)的課程中占了重要比例。但是工廠企業(yè)為了學(xué)生的安全考慮，原有的知識應(yīng)用與生產(chǎn)實踐變成了走馬觀花式的觀摩過程，學(xué)生無法深入地了解整個生產(chǎn)過程，以及生產(chǎn)過程中涉及的科學(xué)問題，從而制約了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。虛擬仿真創(chuàng)新實習(xí)模式就是要構(gòu)建實訓(xùn)數(shù)字化資源體系的實踐場所，實現(xiàn)“虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，真實生產(chǎn)過程觀摩，虛擬現(xiàn)實仿真實習(xí)訓(xùn)練”三位一體的現(xiàn)代實習(xí)訓(xùn)練教學(xué)模式。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)要與專業(yè)認(rèn)識實習(xí)相結(jié)合，實訓(xùn)系統(tǒng)軟件應(yīng)主要包括實訓(xùn)環(huán)境三維虛擬仿真、工藝設(shè)備的展示和工藝流程的自動仿真演示等。虛擬現(xiàn)實仿真訓(xùn)練與生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合，虛實并進(jìn)，通過虛擬仿真實訓(xùn)軟件來實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的三維虛擬，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行瀏覽，對主要的工藝過程進(jìn)行三維虛擬，進(jìn)行工藝操作參數(shù)的選擇和主要工藝過程的仿真操作。因此，加強校企合作數(shù)字化虛擬資源的建設(shè)，將虛擬實訓(xùn)和專業(yè)實習(xí)相結(jié)合的模式，發(fā)揮虛擬實訓(xùn)參與方式靈活和學(xué)生參與度的覆蓋面，更好的促進(jìn)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

材料學(xué)科是一門實踐性很強的學(xué)科，為了培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)也在向“基礎(chǔ)性、綜合性、實踐性、創(chuàng)新型”的新的實驗教學(xué)模式過渡。從我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的實際出發(fā)，分析實驗教學(xué)過程中存在的不足，制定了適合我校材料專業(yè)的虛擬仿真實驗內(nèi)容。希望借助多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高了實驗的開設(shè)率和學(xué)生的參與率，提升實驗教學(xué)的質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，促進(jìn)創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。