材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建立

丁怀平　韩民　刘飞

摘 要 材料科学与工程作为一门实验性较强的学科，需要进行大量的实际操作实验，才能使学生对一些材料的结构与形成原理有清楚的了解，然而材料科学的实验往往需要一定的特殊环境条件，这些条件限制了实验的教学体验，产生昂贵的教学费用，同时加大了安全隐患。通过建立虚拟仿真实验教学中心，不仅使学生能够更好地学习材料的结构与原理，而且实现绿色节约、安全可靠和可视化的虚拟仿真实验教学平台。

关键词 材料科学与工程；虚拟仿真实验室；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）08-0011-02

1 前言

近年来，以自身的科研与教学需求为依据，国内外很多高校对材料科学与工程的仿真实验项目进行了开发，并建设起相应的虚拟仿真实验室。虚拟仿真实验室这一概念最早是由美国学者William Wolf（1989）提出的，它是理论与实验之外的另一种形式与设计方式。实验的设计人员利用对真实实验场景的模拟，对多种仅局限于构思层面的实验项目予以完成，这有利于真实直观实验效果的获取，赋予原理与结构可视化的特征，能够在很大程度上对实验教学的要求进行快速响应与满足。

虚拟仿真实验教学的优势在于其有着高效率、高扩展性、高安全性、高开放性、高资源共享性以及低成本等特征。通过此种教学，学生可以更好地进行自我训练，这有利于强化其创新意识，最终实现实验教学工作的虚实互补。因此，材料科学与工程虚拟仿真实验室建设逐渐发展为高校建设工作的一个重要努力方向。

2 虚拟仿真实验室建设内容

作为一门有着较强实验性特征的学科，材料科学与工程的实验教学环节对于高素质人才的培养来说必不可少。随着材料科学与工程的发展，微结构的分析手段使用越来越频繁，在纳米—微米空间尺度，原子、分子和电子的层次上来解析材料的结构与物理、化学过程。这些材料的微观过程，在仪器测量中通常不能够直接感知，所以在实验中学生很难将实际与理论知识结合起来；许多材料的制备成本和实验设备昂贵，不能够做到大量配置；还有部分实验耗费时间，同时包含许多的内容需要精细调节；一些学生以前没有接触过实验装置，所以调整实验过程和实验参数浪费大量时间，很难确保在实验课规定时间中完成；部分部件，如原子力显微镜探针等，安装时很容易损坏，且更换费用很高。

综上所述的实际限制，在往常的实验课程中，教师通常先完成相关硬件调试部分，学生只进行一些参数的设置、数据的获取。这样往往导致学生实验达不到预定的教学效果，在一定程度上限制了学生训练独立操作的能力。通过材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建立，可以在规定的时间以及适当的成本范围下，使学生对实验操作和实验设备有更直观的了解，并通过更系统的训练，大大提高学生的实际动手能力和对实验原理的深刻理解，同时提高实验装置的利用率。

针对高危实验的虚拟仿真实验教学平台 在材料科学工程中，部分实验会涉及一些放射性的内容，例如：在放射性的环境中对材料性能的改变进行观察与分析；跟踪一些由放射性的元素构成的材料所经历的扩散、相变以及重新组织的过程等。在这些特定的实验环境与条件下，学生能够更好地把握材料组织与演变的规律，但其危险性很强，全国高校因为此类实验出现安全事故的例子也比较多，现阶段，很多高校明令禁止让学生进行此类危险系数极高的真实实验。这就对計算机虚拟仿真实验的出现提出要求，借助于放射性实验的虚拟仿真，对原子的扩散、相变和组织形成等实验过程予以展现。

针对高成本实验的虚拟仿真实验教学平台 在材料工程的专业课程中，有些实验的进行是以一定实验材料的消耗为前提的。但是，重复性的消耗会加剧实验的成本，这在一定程度上限制一般实验教学工作的持续发展。虚拟仿真实验对绿色节约理念的实验教学予以实现，例如：在进行“三维晶体结构”实验之时，利用Materials Studio软件构建形态多变的晶体结构；在“工艺过程仿真”“材料加工”这些实验中，利用FA-STAR软件观察研究对象的逐渐成形过程。通过学习模拟仿真软件，高校学生能够理解材料制造中的传热过程、充型流动、微观组织、应力应变和缺陷形成的知识点。这一仿真实验中心的建立大大节约了真实实验中的成本，而且体现了绿色环保的理念。

针对极端条件下的实验的虚拟仿真实验教学平台 材料科学与工程有些实验材料的制备是需要在特定的条件下才能完成的，如高温、高压等极端环境条件，然而真实的实验环境很难实现这样的条件，而且这样的环境在真实中也存在很大的安全隐患。采用虚拟仿真实验教学平台则可以将这些实验转变为能够实际观察到的实验。如在“高分子自组装过程”实验中，利用分子动力学对高分子的自动组装进行模拟与演示，这样能够加深学生的理解，使其掌握分子与原子的运动过程，从而更好地掌握在这些极端条件下的实验。

3 打造卓越的虚拟仿真实验师资力量

材料科学虚拟仿真实验室中心的建立从层次、结构、数量以及学科分布等环节把握，要求对有着高教学与管理能力的实验教师队伍进行建设，主要的师资应包括主讲教师、实验技术员以及助教等。

主讲教师主要负责高校学生实验课程的教学，包括实验操作过程中的一些规范操作和安全注意事项。主讲教师主要是一些从事多年相关专业教学的教授、副教授和科研一线人员等，他们通过一些国家重大内容的训练，积累了丰富的基础知识与实践经验，能够清楚地把握材料科学的发展方向，并推动实验课程进行更新与改革，最终将教学工作真正融入科研环节。

实验技术人员通常对实验的课前准备、过程指导、实验设备管理以及实验室建设等负责。材料科学与工程虚拟仿真实验室中心的建立以发展与提高为宗旨，在多种形式的开展中对技术人员的专业素质予以提升，如开办学术会议和课题组会，并做好学习报告与交流等。此外，对优秀实验技术人员颁发奖金，鼓励其对实验教学的创新与设计进行积极探索，这能够在一程度上推动研究能力强、教学方法好以及管理经验足的专业实验教师团队的建设。

实验助教的组成人员通常为在读的硕士生或博士生。实验助教需要通过学校岗前的培训，主要要求对学科专业有很清楚的了解，对实验操作流程很明确，实验中要求注意的事项也了如指掌，平时要协助实验主讲教师的实验教学任务，以及做好学生的辅导和考核。实验助教在相关领域有较长时间的学习，可以开阔实验教学设计的思路，同时为师生的互动提供很好的纽带。

4 结语

为建立材料科学与工程虚拟仿真实验中心，需要面向高校工科专业开设30多门相关课程。虚拟仿真实验中心通过吸收拥有丰富经验的卓越师资团队，制定出一套高效率的管理方法与实验教学运行机制，通过对精品课程进行设置，配合实验教学特色稳步推进师资队伍建设、实验教学成果和实践合作等项目，使得高校以外的实践基地成为综合型的多功能教育教学、社会实践和服务的重要基地。

这一虚拟仿真实验中心的建立强化培养了学生实践创新能力，锻炼了创新思维，正确处理了实验教学与理论教学的结合，深化了实验教学的改革与创新。这是一项系统的建设工程，需要不断努力探索和研究，不断推进教育事业发展，培养创新型人才。

参考文献

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