許美賢，高志強(qiáng)，王曉敏

（太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

課堂學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)均是大學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中不可或缺的組成部分，兩者相互補(bǔ)充并緊密結(jié)合，教導(dǎo)學(xué)生由理論過(guò)渡到實(shí)踐，從而完成大學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)的全部課程[1-3]。由此可知，設(shè)計(jì)好課堂同實(shí)踐之間的教學(xué)環(huán)節(jié)，走好課堂與實(shí)踐之間的“最后一公里”，才能保證學(xué)生將理論知識(shí)靈活應(yīng)用于實(shí)踐中。

受傳統(tǒng)課堂固有的空間有限和教學(xué)活動(dòng)重復(fù)性較差等特征的影響，完成課堂學(xué)習(xí)之后，通常設(shè)計(jì)不同類型的實(shí)習(xí)，如認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等[4-7]，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解和提高學(xué)生的動(dòng)手能力，從而保證學(xué)生思維能夠從教室順利轉(zhuǎn)移到實(shí)習(xí)場(chǎng)所，高質(zhì)量地完成實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)課程。然而，實(shí)際的教學(xué)效果總有不同程度的欠缺。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)軟件逐漸走進(jìn)課堂，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[8-10]，而且實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)到實(shí)踐教學(xué)完美的過(guò)渡，從而有力保障了學(xué)生走好課堂與實(shí)踐之間的最后一公里。本文以冶金工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，闡述構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的目的、構(gòu)建思路以及平臺(tái)所能實(shí)現(xiàn)的功能，最后評(píng)價(jià)了目前教學(xué)平臺(tái)中存在的問(wèn)題，并提出了今后的方向。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建的目的

就冶金工程專業(yè)的教學(xué)課程特點(diǎn)而言，開(kāi)設(shè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)課程的初衷是為了由淺入深、依次推進(jìn)教學(xué)計(jì)劃，學(xué)生能夠基于冶金工程專業(yè)所學(xué)基本原理和科學(xué)方法對(duì)冶金理論基礎(chǔ)以及復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究，如制定冶金工藝流程、金屬熔煉實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過(guò)信息分析得到合理有效的結(jié)論[11-12]，然而，實(shí)習(xí)課程通常開(kāi)設(shè)于不同年度，時(shí)間跨度較大，并且，不同實(shí)習(xí)課程常常安排在不同場(chǎng)所，從事不同的操作，導(dǎo)致課程內(nèi)容通常相互之間缺乏必然聯(lián)系，最終使得學(xué)生的實(shí)踐能力無(wú)法得到系統(tǒng)且全面的訓(xùn)練，冶金專業(yè)實(shí)習(xí)課程特點(diǎn)如表1 所示。再加上當(dāng)前新冠疫情的影響，學(xué)生的實(shí)習(xí)課程內(nèi)容大幅縮減，有的甚至無(wú)法開(kāi)展正常的實(shí)習(xí)活動(dòng)。

表1 冶金工程專業(yè)實(shí)習(xí)課程特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以完成難以真實(shí)完成的實(shí)驗(yàn)。在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[13-14]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，其核心是提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，融合信息技術(shù)、智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中危險(xiǎn)性較大、費(fèi)用較高、操作性不強(qiáng)、運(yùn)行難度較大等課堂問(wèn)題以及學(xué)生實(shí)習(xí)基地不足、內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)或動(dòng)手機(jī)會(huì)過(guò)少等實(shí)習(xí)問(wèn)題[2-3]。在實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中自我創(chuàng)作，反復(fù)練習(xí)，或漫游場(chǎng)景，同時(shí)老師授課過(guò)程中結(jié)合圖形或動(dòng)畫(huà)，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式不僅有助于學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)，而且還能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。由于在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿烧鎸?shí)環(huán)境中難以完成的教學(xué)活動(dòng)，因此針對(duì)冶金工程專業(yè)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)課程與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，從而可以消除學(xué)生主觀預(yù)期到客觀現(xiàn)實(shí)形態(tài)之間的差異。根據(jù)以上分析可知，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，一方面可以幫助學(xué)生走好課堂與實(shí)踐的“最后一公里”，另一方面較好地解決了冶金專業(yè)實(shí)習(xí)課程依賴于環(huán)境場(chǎng)所的難題。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建的思路、原則及其功能

2.1 構(gòu)建思路

以需求和問(wèn)題為導(dǎo)向，規(guī)劃建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將不同類型的實(shí)驗(yàn)資源集中性管理，并對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行分類管理，詳細(xì)記錄學(xué)生的課程學(xué)習(xí)和參加課外競(jìng)賽情況，并不斷完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容，加強(qiáng)平臺(tái)管理，使優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享。

2.2 構(gòu)建的原則

2.2.1 教學(xué)活動(dòng)不受時(shí)間空間限制

平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬于云端服務(wù)器，不僅有獨(dú)立IP 地址，而且具備傳送或接收數(shù)據(jù)的功能，能夠簡(jiǎn)單高效、安全可靠地提供計(jì)算服務(wù)，因此在登錄平臺(tái)時(shí)，不論學(xué)生做實(shí)驗(yàn)還是教師后臺(tái)管理，各個(gè)終端均不受時(shí)間和空間限制。倘若學(xué)生未按計(jì)劃完成實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以保存進(jìn)度，下次即使在其他終端登錄，也能夠在之前的基礎(chǔ)上繼續(xù)操作，提高了實(shí)驗(yàn)效率，保證了教學(xué)的連貫性，這一點(diǎn)是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.2.2 方便實(shí)驗(yàn)考核和管理

網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠自動(dòng)記錄并可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，后臺(tái)管理教師根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，制定出相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效益和管理的最大化，這不僅大大提高教師的工作效率，也能讓學(xué)生及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)情況，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.2.3 能夠開(kāi)設(shè)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)

對(duì)于一些危險(xiǎn)的破環(huán)性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室是無(wú)法完成的，幾乎只能進(jìn)行理論知識(shí)講授，而虛擬平臺(tái)卻能夠較好地解決這類問(wèn)題，這一點(diǎn)也能夠看出構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的重要性。學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中模擬實(shí)驗(yàn)或觀看場(chǎng)景，不用考慮設(shè)備、材料不足、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題，更不用顧忌安全問(wèn)題。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這樣不論是認(rèn)知水平還是動(dòng)手能力，均為之后的實(shí)踐學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.3 實(shí)現(xiàn)的功能

就“鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”而言，在軟件中煉鋼操作包括冶煉開(kāi)始、裝入廢鋼、裝入鐵水、吹氧冶煉、加料造渣、出鋼、濺渣護(hù)爐、出渣和冶煉結(jié)束等。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)界面包含裝料系統(tǒng)、吹揀系統(tǒng)、出鋼系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和汽化冷卻系統(tǒng)等。該虛擬仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于邏輯嚴(yán)密的操控仿真模型、工藝模型和數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)全流程的模擬生產(chǎn)操控，高度仿真生產(chǎn)環(huán)境，結(jié)果趨勢(shì)與真實(shí)操控高度一致，并且設(shè)計(jì)有同步3D 虛擬場(chǎng)景，學(xué)生沉浸于冶煉場(chǎng)景中，可以自由設(shè)計(jì)流程和模擬操作，最后軟件可以將各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)及鋼鐵成分等數(shù)據(jù)詳細(xì)呈現(xiàn)出來(lái)，供學(xué)生分析判別，從而提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)探索的興趣。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向

在今后的發(fā)展中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將以國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、國(guó)家和省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以及教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目為契機(jī)，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，尤其是開(kāi)發(fā)地方經(jīng)濟(jì)急需專業(yè)的教學(xué)資源，同時(shí)，重點(diǎn)支持中西部地區(qū)發(fā)展具有地方特色和自身優(yōu)勢(shì)專業(yè)所需的教學(xué)資源，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源在全國(guó)范圍內(nèi)均衡發(fā)展；不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核體系，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)，強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理，將平臺(tái)建設(shè)成為具有地方特色、能發(fā)揮區(qū)域性示范作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，有力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，做好課堂學(xué)習(xí)到實(shí)踐學(xué)習(xí)的銜接，使整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)渾然一體，從而促使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化自身的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，在冶金工程專業(yè)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以為走好課堂學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)之間的“最后一公里”保駕護(hù)航；做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)，促使課堂與實(shí)踐有機(jī)聯(lián)系，打通高校教育中的“最后一公里”，對(duì)實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際有重要作用。近10 年來(lái)，中國(guó)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)快速發(fā)展，冶金工程專業(yè)的教學(xué)資源種類齊全、內(nèi)容豐富，然而，高校對(duì)專業(yè)軟件的多樣化需求和教學(xué)資源的發(fā)展不平衡，導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革落后于學(xué)科的發(fā)展水平。在今后的發(fā)展中，結(jié)合高校自身專業(yè)優(yōu)勢(shì)和學(xué)科發(fā)展需要，不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理制度，重視虛擬仿真管理人員培養(yǎng)，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)同傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力有重要意義。