郁 鑫，王立揚(yáng)，趙貝貝，白 揚(yáng)，葉 兵

（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心及金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

金屬材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，小到圓珠筆的筆尖，大到飛機(jī)、火箭的零部件等，因而金屬材料的研究一直在持續(xù)。液態(tài)成形作為一種最常用的金屬成形方式，是材料專業(yè)中必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。但是近年來，選擇液態(tài)成形課程的學(xué)生越來越少，其中一個(gè)主要的原因是液態(tài)成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展困難，如溫度高，存在不安全因素；沒有足夠的設(shè)備滿足教學(xué)需求；整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)多、工藝耗時(shí)長(zhǎng)等。因此，亟需對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革以便更好地開展液態(tài)成形課程教學(xué)。

虛擬仿真是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿真實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)而創(chuàng)建一個(gè)可用于體驗(yàn)的虛擬世界的技術(shù)。20 世紀(jì)80年代以來，虛擬仿真技術(shù)誕生并得到了迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外也將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在國(guó)外，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究中，涉及牙科［1］、整形外科［2］、新生兒復(fù)蘇［3］、護(hù)理教育［4］等領(lǐng)域。由于虛擬仿真技術(shù)可以滿足年輕醫(yī)生重復(fù)實(shí)踐操作的需求，因而大大提高了使用者的實(shí)踐能力。研究表明，虛擬仿真技術(shù)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)能力方面是最適合醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，它作為一種課程學(xué)習(xí)的新方法是非常合適且有效的［5］。此外，虛擬仿真技術(shù)還應(yīng)用于安全教育領(lǐng)域，包括地震安全防護(hù)［6］、火災(zāi)安全防護(hù)［7］等，用戶能夠在虛擬演習(xí)中學(xué)會(huì)如何應(yīng)對(duì)災(zāi)難、如何在險(xiǎn)境中生存。另外在陶藝設(shè)計(jì)［8］、音樂表演［9］等領(lǐng)域，虛擬仿真同樣有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)則在各學(xué)科中開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，涵蓋機(jī)械加工［10］、制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)［11］、土木工程設(shè)計(jì)［12］等多個(gè)領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)可幫助教師進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生更輕松地理解教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)促使學(xué)生掌握知識(shí)和技能，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維。

本文較為系統(tǒng)地介紹了目前在線教學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，包括在線理論教學(xué)和在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在線理論教學(xué)介紹了MOOC 教學(xué)和Zoom 類實(shí)時(shí)在線教學(xué)，并討論了它們的發(fā)展趨勢(shì)。在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念與內(nèi)涵、現(xiàn)狀作了較為詳細(xì)的介紹。此外，針對(duì)材料科學(xué)領(lǐng)域的液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)進(jìn)行了進(jìn)一步的探討，液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展將為材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)提供一條新的途徑。

1 在線理論教學(xué)

1.1 MOOC教學(xué)

MOOC是大規(guī)模、開放式在線教學(xué)課程的簡(jiǎn)稱，是信息時(shí)代背景下互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷普及和發(fā)展的產(chǎn)物。從2008 年至今的12 年間，MOOC誕生并迅速發(fā)展，目前已成為被廣泛應(yīng)用的線上學(xué)習(xí)平臺(tái)之一。2008～2011 年之間，MOOC雛形出現(xiàn)；2012 年，MOOC 教學(xué)在全球飛速發(fā)展，美國(guó)、英國(guó)等紛紛建立了自己的MOOC平臺(tái)；2013 年起［13］，我國(guó)高校也開始陸續(xù)進(jìn)行MOOC建設(shè)，并設(shè)立“中國(guó)大學(xué)MOOC”頻道，向全國(guó)高校提供MOOC課程平臺(tái)。此外，在國(guó)家政府和教育部的極力推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)部分商業(yè)網(wǎng)站也開始嘗試MOOC 平臺(tái)建設(shè)，如網(wǎng)易公開課、網(wǎng)易云課堂、新浪公開課等。據(jù)2019 年4 月的中國(guó)MOOC 大會(huì)提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)的MOOC學(xué)習(xí)者超過2 億人次，線上MOOC 達(dá)到12 500門，MOOC數(shù)量和應(yīng)用規(guī)模穩(wěn)居世界第一。

MOOC 具有開放性、交互性及自主性等特點(diǎn)［14］。相比于傳統(tǒng)教學(xué)，MOOC 教學(xué)突破了時(shí)間和地域的限制，學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)隨地獲取海量的學(xué)習(xí)資源。由于優(yōu)質(zhì)的教育資源全球共享，MOOC 教學(xué)更大限度地實(shí)現(xiàn)了教育的公平。此外，它還滿足了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的愛好或自身發(fā)展的需要進(jìn)行學(xué)習(xí)?；谶@些優(yōu)勢(shì)，MOOC 課程受到了大家的歡迎并在國(guó)內(nèi)外廣泛傳播。

雖然MOOC 平臺(tái)被廣泛應(yīng)用，但它還存在一些不足［15-16］。MOOC類課程種類及數(shù)量尚不完善，難以滿足全日制學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)及系統(tǒng)學(xué)習(xí)的需要；老師與學(xué)生之間互動(dòng)不及時(shí)，課程中較少有學(xué)生參與活動(dòng)［17］；線上學(xué)習(xí)沒有合適的激勵(lì)制度，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者參與程度低，課程完成率低，學(xué)生流失率高，整體學(xué)習(xí)效果不理想［13］；對(duì)于完成線上課程的學(xué)生，只提供認(rèn)可度并不高的認(rèn)證證書而沒有完善的學(xué)分轉(zhuǎn)換制度。此外，由于只有少數(shù)擁有豐富資源的高校能夠全面支持在線課程的建設(shè)，因而大多數(shù)高校和教師參與的積極性不高，這些因素都制約著MOOC教學(xué)的進(jìn)一步普及。

綜上所述，MOOC 教學(xué)擁有不同于傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，可作為傳統(tǒng)教學(xué)的補(bǔ)充而促進(jìn)學(xué)生自主、全面的學(xué)習(xí)，同時(shí)也存在著很大的發(fā)展空間。MOOC 平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)水平的不斷提高，課程內(nèi)容與線上教學(xué)功能的不斷完善將是MOOC教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 Zoom類實(shí)時(shí)在線教學(xué)

Zoom是一種網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)，它無縫融合了移動(dòng)協(xié)作系統(tǒng)、多方云視頻交互系統(tǒng)、在線會(huì)議系統(tǒng)，具有豐富的功能、較高的穩(wěn)定性和極佳的平臺(tái)兼容性［18］，廣泛應(yīng)用在教育、醫(yī)療、制造、金融等各行業(yè)。隨著2006 年以來云計(jì)算技術(shù)的蓬勃發(fā)展及其在視頻領(lǐng)域的深入應(yīng)用，云視頻會(huì)議也不斷成熟并得到普及。在2020 年新型冠狀病毒疫情期間倡導(dǎo)“停課不停學(xué)”的情況下，Zoom在線教學(xué)更是得到了快速的發(fā)展。

Zoom在線會(huì)議系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)接近于日常班級(jí)授課的教學(xué)效果［18］。首先在參與人員方面，Zoom 打破了地域的限制，不同地點(diǎn)的學(xué)生可以同時(shí)參加同一門課程。它可以同時(shí)支持上百人的交流，而一般授課班級(jí)的人數(shù)只有40 人左右，它能夠充分滿足人數(shù)的要求。它可以實(shí)時(shí)顯示上課人員，便于以實(shí)名制的方式統(tǒng)計(jì)出席人員。其次，Zoom會(huì)議系統(tǒng)有豐富的共享功能，如攝像頭、電腦屏幕、電子白板等，使其可以滿足除實(shí)物展示之外的絕大部分授課要求?；谶@些功能，會(huì)議創(chuàng)建者可以賦予聽眾各種權(quán)限，如是否允許說話、打開視頻等，從而實(shí)現(xiàn)師生之間良好的交互性。此外，Zoom會(huì)議系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，學(xué)生可以通過智能手機(jī)、電腦等多種方式在不同場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)互聯(lián)功能。這些特征都有助于遠(yuǎn)程教育教學(xué)的順利開展。

Zoom在線教學(xué)接近于傳統(tǒng)教學(xué)的這一特點(diǎn)也決定了它有著與傳統(tǒng)教學(xué)一樣的不足［19］。Zoom 是實(shí)時(shí)在線的課程，因而不能打破時(shí)間的限制，教師和學(xué)生必須在同一時(shí)間進(jìn)行教與學(xué)；基于這個(gè)特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)難以結(jié)合自身基礎(chǔ)進(jìn)行更慢節(jié)奏或快進(jìn)式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的自主選擇性降低。Zoom 在線教學(xué)課程必須有教師參與每一堂授課，導(dǎo)致一個(gè)教師的課程不能像MOOC一樣被大規(guī)模推廣。雖然Zoom 存在錄播功能，但錄播課程的使用將以犧牲良好的互動(dòng)性為代價(jià)，因此如何保持教師與學(xué)生互動(dòng)性，同時(shí)又能提高教師資源利用率將是其重要發(fā)展方向。

基于上述特點(diǎn)，Zoom因在教學(xué)中扮演著與傳統(tǒng)教學(xué)類似的角色而被廣泛應(yīng)用，尤其在提倡“停課不停學(xué)”這一特殊背景下，Zoom成功地克服地域的限制，更是得到了進(jìn)一步的發(fā)展。Zoom 類視頻會(huì)議系統(tǒng)與Canvas類在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)結(jié)合使用，更好地發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，在替代線下傳統(tǒng)教學(xué)方面具有很大的潛力。但Zoom在課程規(guī)模及普及性方面的不足還尚待完善，這些改進(jìn)將為Zoom 在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供更大的可能。

1.3 在線教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

在線教學(xué)作為知識(shí)傳播的新模式，引發(fā)了現(xiàn)代教育領(lǐng)域的重大變革。目前在線理論教學(xué)形式主要分為錄播和直播，前者的代表是MOOC，后者的代表是Zoom在線教學(xué)，它們經(jīng)過短短10 幾年的發(fā)展而在教學(xué)領(lǐng)域取得了很大的成功，而且還具有更大的發(fā)展?jié)摿?。?duì)于MOOC教學(xué)，最重要的是促進(jìn)國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源不斷整合，使課程更專業(yè)化、系統(tǒng)化、多元化，這將促進(jìn)MOOC更加廣泛的傳播；其次，教師考核和學(xué)生學(xué)分認(rèn)定工作的落實(shí)將極大調(diào)動(dòng)教師與學(xué)生的積極性，促使越來越多的高校投入其中，使MOOC 資源更加豐富。對(duì)于Zoom 類在線教學(xué)，智能化將是一個(gè)可能的發(fā)展趨勢(shì)，如通過機(jī)器人授課將會(huì)大大提高教師資源利用率，學(xué)生也可隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，這些將在很大程度上促進(jìn)教學(xué)資源的普及。

隨著教育的深化和改革，越來越多的院校和教育機(jī)構(gòu)將會(huì)加入在線教學(xué)的潮流中，將在線教學(xué)與傳統(tǒng)面對(duì)面教學(xué)結(jié)合起來，推動(dòng)混合學(xué)習(xí)模式的發(fā)展將是教育的一個(gè)主流發(fā)展趨勢(shì)，從而促使在線教學(xué)朝著多元化的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外更多院校的優(yōu)質(zhì)課程以及面向社會(huì)大眾興趣和剛需的課程會(huì)協(xié)同發(fā)展，逐漸成為在線課程的主流和核心。隨著在線教學(xué)的深入發(fā)展，知識(shí)的傳播將會(huì)更加便利，各國(guó)文化也會(huì)融合于教學(xué)而得到廣泛傳播。

2 在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)綜合型人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)＋”得到充分深化。數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，使得教育迎來了智能云時(shí)代。手機(jī)、平板、便攜式筆記本電腦的普及，更為在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了廣闊的發(fā)展空間。

2.1 教學(xué)軟件

仿真模擬是一種進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)的有效方法。通過結(jié)合仿真工具以及最優(yōu)化建模方法，可以構(gòu)建一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停黾訉W(xué)生對(duì)新生事物的感性認(rèn)知，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并幫助他們理解較抽象的理論知識(shí)點(diǎn)，緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力［20］。目前主要應(yīng)用的模擬軟件包括三維建模軟件SolidWorks、CAD、UG等，有限元分析軟件Ansys，還有大量專業(yè)性的模擬軟件，如材料成形類的模擬軟件Procast 和Anycasting、電路模擬軟件Multisim、火災(zāi)動(dòng)態(tài)仿真模擬軟件Pyrosim［21］等。華劍等［22］提出將虛擬仿真軟件SolidWorks、Ansys、Adams和Matlab用于機(jī)械專業(yè)教學(xué)的方法，結(jié)合機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械控制工程基礎(chǔ)等理論教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐并重，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

仿真模擬軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用既有其可取之處，也存在一定的不足［23］。仿真模擬軟件內(nèi)含有大量的專業(yè)素材，可以提高教師的效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生利用已有知識(shí)進(jìn)行模型的構(gòu)建和分析，而模型的準(zhǔn)確性可以有效地反映學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備。整個(gè)模型的建立過程可以有效激發(fā)學(xué)生求知欲和參與感，從而不斷進(jìn)行模型的完善以得到更精確的效果?；谶@些優(yōu)勢(shì)，模擬軟件可以作為教師考查學(xué)生思維能力的有效手段。但模擬軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也存在一定的局限性。由于仿真模擬軟件不能直觀展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生還是不能真實(shí)地融入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，軟件的使用必須和教師的指導(dǎo)相結(jié)合，因而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能取代老師的主導(dǎo)地位。此外，模擬仿真軟件需要準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置，模型迭代運(yùn)算數(shù)據(jù)較大，運(yùn)算效率慢，并且不能保證模型最后求解的正確性，其使用范圍大大被限制。

目前線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了仿真模擬軟件外，還包括線上線下混合教學(xué)的模式。在混合教學(xué)中，教師講解部分是基于MOOC平臺(tái)［24-27］以及各類云平臺(tái)［28-29］，實(shí)驗(yàn)的操作部分還是通過線下進(jìn)行，因而并不能實(shí)質(zhì)性解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的困難。綜上所述，目前的模擬軟件教學(xué)和線上線下混合模式教學(xué)還存在一定的不足，因而需要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革進(jìn)行進(jìn)一步探索。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)概念與內(nèi)涵

基于目前線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及需求，虛擬仿真教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。它既是深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的成果，也是信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的必然產(chǎn)物［30］。

虛擬仿真教學(xué)是指將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)與體驗(yàn)式教學(xué)相結(jié)合，學(xué)習(xí)者借助人機(jī)交互界面調(diào)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)變量，通過觀察、總結(jié)和歸納計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)果而獲取相應(yīng)的知識(shí)技能［31］。它具有拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、廣泛的共享性等優(yōu)點(diǎn)［32］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)流程簡(jiǎn)單清晰，一般包括原始素材獲取、模型素材構(gòu)建、動(dòng)畫程序開發(fā)及測(cè)試發(fā)布等環(huán)節(jié)［33］（見圖1）。

圖1 虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)流程

虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面的重大突破。在進(jìn)行虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，應(yīng)該符合人才培養(yǎng)目標(biāo)，與教學(xué)大綱相適應(yīng)，即要考慮專業(yè)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有機(jī)統(tǒng)一，形成體系，這樣既避免了重復(fù)和浪費(fèi)，又使得課程層次豐富。項(xiàng)目建設(shè)的切入點(diǎn)應(yīng)該是解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)條件不具備或者運(yùn)行困難的實(shí)驗(yàn)，這樣才能充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不造成資源的浪費(fèi)。此外，虛擬仿真項(xiàng)目作為資源建設(shè)的組成部分，既應(yīng)該保證客觀對(duì)象的完整性，又要使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有靈活性；在項(xiàng)目建設(shè)方面，要做到效益第一，共享優(yōu)先。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

教育部高度重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，并于2013 年和2017 年分別頒布了《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》以及《關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，自此，國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)熱情空前高漲。2014 年教育部批準(zhǔn)了100 個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，隨后廣泛地開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)。“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)”（http：／ ／www.ilab-x.com）給出了目前各領(lǐng)域虛擬仿真建設(shè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖2 所示，可見現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及廣泛，涵蓋理工科領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)管理領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，說明各領(lǐng)域均在大力進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)。

圖2 目前虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)情況

在理工科領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生能夠在課堂上體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等過程，可以很好地克服實(shí)驗(yàn)教學(xué)中高危性、難操作等局限。其中在電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，天津大學(xué)、東北電力大學(xué)、廣西大學(xué)等進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)［34］，再現(xiàn)了電力工業(yè)各環(huán)節(jié)操作過程和運(yùn)行狀態(tài)，讓學(xué)生了解了電力工程運(yùn)行，同時(shí)避免了實(shí)際過程中高電壓、大電流、接線復(fù)雜帶來的強(qiáng)電威脅及安全隱患。此外，在化學(xué)教學(xué)中，東北大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心針對(duì)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)存在的安全問題而開發(fā)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全教育情景互動(dòng)式虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，在高度仿真的場(chǎng)景中，學(xué)生可以“看見危險(xiǎn)，做到安全”［35］。平臺(tái)設(shè)計(jì)集理論學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)操作和考核評(píng)定為一體，前兩者將不能或難以實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景虛擬化、枯燥的知識(shí)和技能學(xué)習(xí)趣味化，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，后者則將學(xué)生掌握的知識(shí)實(shí)時(shí)反饋給教師，有利于完整教學(xué)流程的開展。

3 材料科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 專業(yè)基礎(chǔ)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我國(guó)材料科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開始了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐［36-44］，涉及材料成形及控制工程專業(yè)、材料化學(xué)專業(yè)等多個(gè)方向。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的前提是對(duì)基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)的掌握，但由于材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的微觀性，學(xué)生在進(jìn)行理解時(shí)會(huì)有很大的困難，因此虛擬仿真教學(xué)亟須應(yīng)用于專業(yè)基礎(chǔ)課程的建設(shè)中。

我國(guó)目前從事虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的公司包括北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司（簡(jiǎn)稱“潤(rùn)尼爾”）、曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司等。根據(jù)潤(rùn)尼爾官方網(wǎng)站（https：／ ／www.rainier.net.cn）介紹，該公司已初步建設(shè)了關(guān)于材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，涵蓋硬度測(cè)試等材料科學(xué)基礎(chǔ)方向、拉伸試驗(yàn)等材料力學(xué)方向、固溶時(shí)效等金屬材料方向等。這些材料學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的初步建設(shè)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)了各個(gè)方向在實(shí)際教學(xué)中的不足，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，也為工程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)的開展做了良好的鋪墊。

3.2 液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

液態(tài)成形是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一個(gè)重要組成部分，其操作過程溫度高，金屬熔體的溫度一般超過650 ℃，處理不好容易發(fā)生燙傷和燒傷，甚至發(fā)生爆炸，對(duì)于初學(xué)者來說很容易發(fā)生危險(xiǎn)。此外，液態(tài)成形工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，影響因素眾多，質(zhì)量難以控制［45-46］?；谝簯B(tài)成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的困難，開展液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一個(gè)重要方向。

目前已有的與液態(tài)成形相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作的演示［46］，學(xué)生可以學(xué)習(xí)液態(tài)成形過程中的相關(guān)操作流程，但在學(xué)習(xí)過程中缺乏探究性和自主操作性，因而需要建立更完善的液態(tài)成形虛擬仿真系統(tǒng)。新的液態(tài)成形虛擬仿真系統(tǒng)將給出一定的模型，學(xué)生可以自主選擇合金成分，在液態(tài)成形完成后還可以通過平臺(tái)模擬計(jì)算得到相應(yīng)的組織、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等，從而更好發(fā)揮虛擬仿真優(yōu)勢(shì)。

3.3 液態(tài)成形虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐與評(píng)價(jià)

液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)本著“以問題為導(dǎo)向、重視基本原理和實(shí)踐、以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，在實(shí)施過程中采用“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的建設(shè)思路，形成“環(huán)節(jié)虛擬演示，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景再現(xiàn)，關(guān)鍵知識(shí)提示，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師考核評(píng)價(jià)”的教學(xué)方法。環(huán)節(jié)虛擬演示是通過虛擬仿真形式，將液態(tài)成形主要技術(shù)環(huán)節(jié)和過程逼真地演示出來；實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景再現(xiàn)是按照“能實(shí)不虛，以虛補(bǔ)實(shí)”的要求，再現(xiàn)液態(tài)成形過程中的生產(chǎn)場(chǎng)景和實(shí)物實(shí)事，使學(xué)生在虛擬的教學(xué)環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)境；關(guān)鍵知識(shí)提示是將液態(tài)成形技術(shù)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和重要步驟通過彈窗形式進(jìn)行提示，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵知識(shí)的掌握；學(xué)生自主學(xué)習(xí)是指學(xué)生可以根據(jù)需要對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行自主反復(fù)學(xué)習(xí)；教師考核評(píng)價(jià)是教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果、實(shí)習(xí)報(bào)告完成情況等對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

通過液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，學(xué)生可以完成相應(yīng)模塊的學(xué)習(xí)，掌握液態(tài)成形相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)際操作步驟，從而保證學(xué)生進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后可立即開展液態(tài)成形工作。其次，虛擬仿真教學(xué)資源還應(yīng)實(shí)現(xiàn)共享，服務(wù)普通高校和?？圃盒Ｒ簯B(tài)成形專業(yè)的學(xué)生，提升液態(tài)成形一線從業(yè)人員的技術(shù)水平與操作技能。此外，虛擬仿真的建設(shè)應(yīng)符合新工科示范課程的要求，形成具有不同教學(xué)方法和理念的評(píng)估和研究平臺(tái)，為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)中心和虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心提供基礎(chǔ)，形成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究、測(cè)試和學(xué)習(xí)平臺(tái)。

液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)擺脫了傳統(tǒng)的以教師講授為主的教學(xué)方式，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生通過循序漸進(jìn)的教學(xué)過程，逐步加深對(duì)液態(tài)成形過程的掌握。在平臺(tái)考核模塊中，將目前液態(tài)成形生產(chǎn)上遇到的真實(shí)問題、生產(chǎn)人員無法解決的技術(shù)難題直接移植到考核模塊中，以充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，讓學(xué)生提供解決辦法，培養(yǎng)其解決問題、開拓創(chuàng)新的能力，使教師的“教”變成了學(xué)生的“教”。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將建成Web版本，學(xué)生、教師、生產(chǎn)人員可以不限時(shí)間、地點(diǎn)使用PC 進(jìn)行操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將對(duì)普通高校和?？圃盒５乳_放，高校和社會(huì)人士均可登錄平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮真正的輻射推廣、指導(dǎo)生產(chǎn)、服務(wù)社會(huì)的優(yōu)勢(shì)。

3.4 液態(tài)成形虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

基于金屬材料的廣泛應(yīng)用，材料學(xué)仍然是未來需要大力投入研究的基礎(chǔ)學(xué)科。液態(tài)成形作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的一個(gè)重要分支，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用將推動(dòng)液態(tài)成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，同時(shí)自身也需要不斷地完善和發(fā)展。

液態(tài)成形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將在已有研究成果的基礎(chǔ)上，不斷擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫，涵蓋更多金屬材料數(shù)據(jù)，滿足不同金屬材料方向的學(xué)習(xí)者的需求。其次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果建立合適的模型，預(yù)測(cè)不同參數(shù)的液態(tài)成形條件下的金屬組織、性能等也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向。此外，已有的虛擬仿真教學(xué)都是二維平面的演示，而將來很可能向三維方向發(fā)展，學(xué)生不僅可以通過觀看視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，還能實(shí)際進(jìn)行模擬操作，更能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，為將來科研實(shí)驗(yàn)操作奠定一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，虛擬仿真作為教學(xué)改革的手段之一，結(jié)合了信息化時(shí)代教學(xué)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了各領(lǐng)域一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)難于教學(xué)的困難，線上與線下教學(xué)相結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加個(gè)性化、智能化和泛在化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。在各專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，均可基于實(shí)驗(yàn)操作上的困難而研發(fā)自己的虛擬仿真系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立龐大的數(shù)據(jù)庫并配備配套的教學(xué)資源，使平臺(tái)充分開放共享，滿足更廣泛的教學(xué)需求。