秦春 蔣亮 李涌泉

［摘 要］ 通過分析“材料物理性能實驗”課程中的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)項目的實施，論述了開展虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。作為輔助手段以提高實驗課教學(xué)質(zhì)量，可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、參與性；通過虛擬與實際相結(jié)合，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的工程實踐能力、綜合設(shè)計及創(chuàng)新能力。另外，虛擬仿真實驗可以重復(fù)進行，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，也便于在實驗場地和設(shè)備受限條件下實驗實踐教學(xué)獲得的開展。但是要注意，虛擬仿真實驗在開展過程中要評價體系的改革，以實現(xiàn)成績的客觀評價。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真技術(shù)；實驗教學(xué)；材料物理性能實驗

［基金項目］ 2020年度北方民族大學(xué)校級一般教育教學(xué)改革研究項目“基于虛擬仿真技術(shù)的‘材料物理與性能實驗教學(xué)模式改革與實踐”（2020JY0040）

［作者簡介］ 秦春（1987—），男，安徽滁州人，博士，北方民族大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，主要從事材料成型及控制工程研究；蔣亮（1982—），男，寧夏石嘴山人，博士，北方民族大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，主要從事固體廢棄物循環(huán)利用研究；李涌泉（1985—），男，寧夏固原人，博士，北方民族大學(xué)機電工程學(xué)院副教授，主要從事金屬腐蝕防護研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）37-0088-04［收稿日期］ 2022-10-26

材料是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類的科技進步也推動了材料的不斷發(fā)展［1］?！安牧衔锢硇阅軐嶒灐笔恰安牧衔锢砼c性能”課程理論教學(xué)的補充和延續(xù)，通過相關(guān)實驗，不僅能夠鞏固學(xué)生理論方面的基本知識，還能加深學(xué)生對課本中某些現(xiàn)象的理解，讓抽象的概念形象化，使學(xué)生更容易掌握知識［2-3］。同時，經(jīng)過實驗操作，培養(yǎng)學(xué)生分析與處理問題的能力，能夠在實驗中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。提高學(xué)生進行科學(xué)研究的潛能，增強學(xué)生的創(chuàng)新理念，使學(xué)生能夠樹立正確的工程觀點。由此可見，“材料物理性能實驗”在材料類及其相關(guān)專業(yè)的人才培育方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

隨著工程教育認(rèn)證的不斷推進，對本科生實驗實訓(xùn)技能要求也越來越高，從而加速了高校實驗教學(xué)的模式改革［4］。不斷推動高等院校實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)和應(yīng)用，從而達(dá)到高等院校實驗實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量提升的目的。虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用是實驗教學(xué)的新形態(tài)，可以提升高等院校實驗教學(xué)的質(zhì)量和育人水平［5-7］。隨著材料學(xué)科的發(fā)展及社會對高校培養(yǎng)人才需求的不斷變化，與材料科學(xué)相關(guān)的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的弊端越來越突出，對于具有工程實踐能力的應(yīng)用型人才培養(yǎng)來說，實驗教學(xué)顯得至關(guān)重要。

一、“材料物理性能實驗”課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析

實踐教學(xué)可以鍛煉學(xué)生的動手能力，在動手的過程中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，但實驗實踐教學(xué)在一些高校并未得到應(yīng)有的重視。一方面，由于更多的高校較為重視理論教學(xué)；另一方面，由于高校的實驗實踐教學(xué)受實驗設(shè)備的限制，缺乏足夠的教學(xué)設(shè)備來支持實驗實踐教學(xué)，導(dǎo)致實驗實踐教學(xué)部分相對薄弱，使得學(xué)生無法得到足夠的實踐鍛煉。

“材料物理性能實驗”課程主要采用線下教學(xué)，包括學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，課堂上教師對理論講解、實際操作步驟分析及在操作過程中的注意事項以及學(xué)生的實際操作或教師進行演示性實驗。這導(dǎo)致學(xué)生的動手機會較少，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)不盡如人意。首先，現(xiàn)有教學(xué)方式通常只能讓學(xué)生或教師掌握幾種儀器的認(rèn)識與操作，對儀器的運用了解較為片面，以至對材料的物理性能局限于理論基礎(chǔ)，難以實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)理念，在一定程度上影響了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，學(xué)生缺乏對實驗過程的思考，很多時候僅按照實驗步驟的要求進行實驗，這使得部分學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣。其次，“材料物理性能實驗”課程中涉及的部分大型儀器，在操作過程中存在安全隱患。例如，在力學(xué)性能實驗中的電子萬能試驗機，操作不當(dāng)易造成手部受傷，誤操作也會造成機器及模具的損壞。最后，實驗臺套數(shù)不充足，不能完全滿足每名學(xué)生的實驗要求，導(dǎo)致分組實驗時部分學(xué)生無法進行實操達(dá)不到鍛煉的效果，使得教學(xué)效果較差。

對于工科專業(yè)來說，知識的掌握和運用的關(guān)鍵在于理論與實踐的結(jié)合，“材料物理與性能”課程中主要以理論知識的講解為主，知識點多且繁雜，涉及材料的較多性能［8］，僅學(xué)習(xí)理論知識，對學(xué)生來說理解起來比較困難，容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足、缺乏興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量難以保障。因此，通過實驗的操作，使得抽象的知識得出具體的表現(xiàn)，更有利于學(xué)生對于知識的吸收，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到提升綜合素質(zhì)能力的目的。

二、虛擬仿真實驗在教學(xué)實驗中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著計算機技術(shù)及信息化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代教學(xué)手段越來越豐富。虛擬仿真技術(shù)是通過計算機的交互技術(shù)，利用信息化手段將相關(guān)實驗方法虛擬化，通過建立數(shù)據(jù)庫等形式，構(gòu)建可進行可視化操作的實驗環(huán)境。學(xué)生可通過計算機相關(guān)軟件在線上完成相關(guān)的實驗過程，并對獲得的數(shù)據(jù)進行處理。對比線下的實驗實踐教學(xué)，虛擬仿真實驗有其自身的優(yōu)勢［9-11］。

（一）虛擬仿真實習(xí)可作為輔助手段提高課堂教學(xué)質(zhì)量

實驗實踐教學(xué)時，對實驗器材及實驗過程的講解往往是通過簡單的靜態(tài)圖片及文字進行，敘述較枯燥。學(xué)生沒有實際接觸和直觀的視覺，接受內(nèi)容比較困難，教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期。而虛擬仿真實驗的引入，教師可以通過虛擬仿真平臺，結(jié)合相關(guān)動畫教學(xué)視頻和儀器的工作原理視頻進行內(nèi)容的講解，將以前課堂教學(xué)中抽象的理論概念形象化、直觀化，使得學(xué)生能夠更加直觀地了解實驗過程，熟悉每個實驗步驟之間的關(guān)聯(lián)性。虛擬實驗教學(xué)方式可以有效地緩解原先枯燥的講解，能夠較好地調(diào)動學(xué)生的積極性，實現(xiàn)較好的互動教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)動手能力，從而提高課堂的教學(xué)質(zhì)量，有效地保證了在實地進行操作時學(xué)生對儀器的構(gòu)造及相關(guān)實驗原理有基本的了解，減少了出錯誤的概率，提高了實驗的安全性。

（二）虛擬仿真實驗可以重復(fù)實驗，降低實驗成本

通過教師對實驗平臺的講解及學(xué)生進行相關(guān)知識學(xué)習(xí)，學(xué)生可在虛擬仿真平臺進行虛擬仿真實驗。學(xué)生按照教師講解的實驗步驟及注意事項，結(jié)合仿真平臺給予的操作提示進行實際動手操作。在此過程中，能夠改變以前實驗實踐教學(xué)中學(xué)生的角色。在線下教學(xué)過程中，對于大型儀器的操作和實驗，更多的是教師進行演示性實驗，學(xué)生僅是進行觀察和實驗數(shù)據(jù)的記錄。而在虛擬仿真平臺，學(xué)生成為實驗的主角，改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)角色，更容易調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，彌補了因為實驗設(shè)備臺套數(shù)少或?qū)嶒灣杀靖叨鵁o法實際動手操作的缺憾，使得學(xué)生成為實驗中的主導(dǎo)。由于是虛擬仿真平臺，在操作過程中或數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，平臺會給出錯誤提示，學(xué)生可以根據(jù)提示進行相應(yīng)的修改。學(xué)生可通過虛擬仿真平臺進行多次重復(fù)實驗，改變相關(guān)的實驗參數(shù)，獲得不同的實驗結(jié)果，和課程知識相比較，達(dá)到鞏固理論知識學(xué)習(xí)的目的。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的“材料物理性能實驗”課程教學(xué)改革

結(jié)合現(xiàn)有的“材料物理性能實驗”課程教學(xué)內(nèi)容，基于虛擬仿真技術(shù)，通過綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗，從而實現(xiàn)線下實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果。通過虛實結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、參與性，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，大幅提升教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程實踐能力、綜合設(shè)計能力及創(chuàng)新能力。

（一）借助線上平臺，建立相應(yīng)的虛擬仿真實驗體系

線上平臺的建立包括實驗基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)及線上虛擬實驗的操作。一方面，要強化基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。實驗過程中的安全防護要求、實驗數(shù)據(jù)記錄、分析處理、誤差分析，實驗報告、書寫規(guī)則、數(shù)據(jù)處理等知識是學(xué)生必須掌握的內(nèi)容，也是進入實驗室的基本要求，但受學(xué)時限制，線下傳統(tǒng)實驗教學(xué)對以上基礎(chǔ)知識的教學(xué)不能做到應(yīng)教盡教、應(yīng)會盡會。而借助線上平臺，可提升課前預(yù)習(xí)效果。教師將預(yù)習(xí)要求、實驗講解PPT、儀器操作視頻等教學(xué)內(nèi)容推送到MOOC等線上平臺，學(xué)生完成相關(guān)知識學(xué)習(xí)后才能進行后續(xù)的虛擬仿真實驗，學(xué)生結(jié)合理論知識進行線上實驗相關(guān)的操作，可以提高預(yù)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣。線上實驗可以提供重復(fù)實驗的機會，發(fā)生錯誤時軟件會給予提醒，在操作過程中發(fā)現(xiàn)問題并能得到及時解決。虛擬實驗教學(xué)具有直觀性和良好的互動性，學(xué)生參與的積極性很高。

（二）線下實驗的完善和補充

線下教學(xué)主要包括實驗的實際操作過程，是虛擬實驗的實體化。通過線上的虛擬實驗，學(xué)生能在實驗操作前掌握操作實驗儀器的方法，能夠?qū)嶒灢僮髁鞒獭嶒炞⒁馐马椉皩嶒灲Y(jié)果有預(yù)判。這對線下實驗操作的準(zhǔn)確性提供了很好的幫助，也大幅降低了線下實驗操作出現(xiàn)問題的概率。同時我們也應(yīng)注意到，部分實驗存在需要再次強調(diào)的注意事項，實驗儀器的部分功能或?qū)嶒灥牟糠忠鬅o法在虛擬仿真實驗中體現(xiàn)，需要進行相關(guān)的線下實驗進行補充，通過線上線下相結(jié)合的形式，使得實驗更加豐富，能夠加深學(xué)生對知識點及實驗內(nèi)容的理解。

四、虛擬仿真實驗實施過程中存在的問題

通過對虛擬仿真實驗在“材料物理性能實驗”的實施中可以發(fā)現(xiàn)，高校虛擬仿真實驗建設(shè)方面仍然存在一些問題［12-14］。目前，大多數(shù)高校的實驗實踐教學(xué)項目采用的虛擬仿真平臺是依靠相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息公司授權(quán)的軟件，并非高校自主研發(fā)建設(shè)。一方面，不同公司對于設(shè)備儀器的參數(shù)使用及數(shù)據(jù)庫建設(shè)存在一定的偏差，使得軟件的質(zhì)量參差不齊；另一方面，購買的軟件具有使用權(quán)，造成后續(xù)的軟件升級及繼續(xù)建設(shè)的隱患，影響虛擬仿真實驗項目的建設(shè)效果。

在進行虛擬仿真實驗時，課程的評價標(biāo)準(zhǔn)也需要進行相應(yīng)的改革。在虛擬仿真實驗中，如果學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度較低，學(xué)生可以根據(jù)相關(guān)的操作流程及軟件給予的界面提示，很好地進行相關(guān)的實驗并完成實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果的分析，從而順利完成實驗。因此，完善虛擬仿真實驗的評價體系，是實施虛擬仿真實驗時需要關(guān)注的重要問題。考核不能簡單地以實驗操縱來進行評價，首選可以通過虛擬仿真平臺進行操作過程的相關(guān)記錄，分析學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的錯誤，并給予一定的客觀評價。除了實際操作練習(xí)的評價外，還需要引入課前預(yù)習(xí)、實驗操作、相關(guān)實驗知識內(nèi)容及實驗結(jié)束后實驗報告提交等方面的考核內(nèi)容，從而綜合評價學(xué)生的實驗成績。

結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)項目的改革可以有效地解決當(dāng)前“材料物理性能實驗”課程教學(xué)中存在的問題。通過現(xiàn)代化信息技術(shù)的運用，可以使得線上的學(xué)習(xí)更加直觀化、可視化，操作性更強，給予了學(xué)生更大的學(xué)習(xí)空間，提升其探索能力，能夠在自我學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。同時，我們也應(yīng)注意到，虛擬仿真實驗平臺的質(zhì)量是課程改革中的關(guān)鍵因素，加強平臺建設(shè)及相關(guān)軟件質(zhì)量提升，是保證虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中運用的基礎(chǔ)，也是加強評價體系改革的源動力。

參考文獻(xiàn)

［1］任婷.新型建筑裝飾材料在現(xiàn)代建筑上的運用［J］.

陶瓷，2022（10）：146-148.

［2］張宇豪，姚義俊，王豪，等.《材料物理性能》的實驗教學(xué)設(shè)計與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.冶金管理，2021（19）：197-198.

［3］朱玲玲，張宗濤，周軼凡，等.基于本科生實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的《材料物理性能》課程教學(xué)研究［J］.廣州化工，2021，49（8）：182-183+203.

［4］劉婉穎，林元華，高婷艷，等.材料科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)現(xiàn)狀［J］.高教學(xué)刊，2019（22）：78-80.

［5］夏伶勤.虛擬仿真技術(shù)在材料類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.智能制造，2022（5）：126-128.

［6］馬菲，張琳，魏標(biāo)，等.“新工科”背景下虛擬仿真技術(shù)在地方高校材料類專業(yè)中的應(yīng)用［J］.當(dāng)代化工研究，2022（15）：147-149.

［7］顏藝鷺，傅婕，戴嘉喜，等.基于虛擬仿真技術(shù)的3D助產(chǎn)學(xué)教材新模式的構(gòu)建［J］.科技資訊，2022，20（10）：170-173.

［8］湯金柱.工程教育背景下“材料物理性能”課程改革與探索［J］.科技與創(chuàng)新，2022（12）：1-3.

［9］彭梓涵，王運武.職業(yè)教育虛擬仿真資源建設(shè)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對策［J］.成人教育，2019，39（1）：76-81.

［10］黃琳，楊鐵軍.虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.高教學(xué)刊，2019（6）：122-124.

［11］萬璐，付亦重，程寶棟.虛擬仿真技術(shù)在“國際貿(mào)易”課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國林業(yè)教育，2019（2）：50-53.

［12］劉育，孫連鵬，陳玉娟.環(huán)境工程虛擬仿真實驗項目建設(shè)［J］.高教學(xué)刊，2018（15）：63-65.

［13］郭艷，秦宇毫，李欣琰，等.虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型本科院校《現(xiàn)代材料分析方法》教學(xué)實驗中的應(yīng)用［J］.山東化工，2021，50（24）：199-201.

［14］楊健，江河，陳樹海，等.虛擬仿真技術(shù)在材控類課程中的應(yīng)用研究［J］.教育教學(xué)論壇，2021（30）：136-139.

Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Course

on Physical Properties of Materials

QIN Chuna，b， JIANG Lianga，b， LI Yong-quana，b

（a.School of Mechanical and Electrical Engineering，b.Advanced Equipment Manufacturing Institute of Modern Industry， North Minzu University， Yinchuan， Ningxia 750021， China）

Abstract： This paper analyses the current teaching situation in the experimental course of physical properties of materials， and discusses the advantages of carrying out virtual simulation experiments in conjunction with the implementation of virtual simulation experimental teaching projects. As an aid to improve the quality of classroom teaching in laboratory classes， virtual simulation experiments can mobilise students learning initiative and participation. The combination of virtual and practical methods enriches the experimental teaching content and improves students practical engineering ability， comprehensive design and innovation ability. In addition，virtual simulation experiments can be repeated， which is convenient for students to find problems and solve them. At the same time， virtual simulation experiments facilitate the development of experimental practice teaching under the conditions of limited experimental space and equipment. We also need to pay attention to the reform of the evaluation system in the process of conducting virtual simulation experiments in order to achieve objective evaluation of the results.

Key words： virtual simulation technology; experimental teaching; experiment of physical properties of materials