材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验教学系统建设

马世博 汪殿龙 闫华军 张双杰 王 伟

河北科技大学材料科学与工程学院 河北石家庄 050018

材料成型及控制工程专业知识涉及机械、材料和控制学科，涵盖了材料的液态成型、连接成型、模具成形及性能控制和分析等，是一门实践性很强的专业，而实验教学是培养成型专业高素质人才的重要实践环节[1]。众所周知，在教学经费不足，校内实验和实习场所不便，实验设备无法及时更新，设备的台套数不足等情况下，学生无法人人动手操作，达不到实验教学的目的和要求[2]；即使设备满足，实验材料的消耗较大，且在实验过程中材料的流动、应力和应变等内部微观现象难以直接观察[3]；一些综合性、设计性、创新性实验往往因场地、经费和人力限制不能系统地开展[4]。

为解决上述问题，克服传统实验教学模式的弊端，突破时空、地域的限制，充分利用网络教学，建立开放灵活的材料成型及控制工程专业教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享[5]。使学生通过系统的综合实验训练，将理论课程所学内容系统联系并应用，让学生了解专业基础性实验设计、原理及其验证，从而帮助学生理解和领会课堂教学所学的理论知识[6]。加强学生实践能力和创新精神培养，提高人才培养质量，推进实验教学内容、方法、手段、队伍、管理及实验教学模式的改革与创新。探讨新形势下实验教学的新思路、新模式，是专业发展和人才培养的必经之路。

近几年，虚拟仿真实验室及其在教学中的应用已成为国内外实验教学和远程教学研究的热点[7-9]。虚拟仿真实验可弥补传统工程实践教学的不足[10]，提高成型专业本科生创新、动手能力，工程实践素质及思考、解决问题的能力，培养其团队合作精神[11-12]。河北科技大学于2014年申请并获批建设了河北省省级材料科学与工程虚拟仿真实验中心平台。为了更好地发挥虚拟仿真实验教学的作用和优势，在该平台基础上，进一步建设并开放了以材料成型及控制工程专业为主体的综合性虚拟仿真实验系统。

1 材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验教学系统的构建

虚拟仿真实验可以实施某些现实条件下无法完成的实验。传统实验受实际物理环境和场所设备条件的限制无法进行，如特种铸造和焊接温度场预测、大型模具拆装与加工和注塑等实验，该类实验在高温或高压等特定环境下进行，运行成本非常高，且一些实验现象难以观察，而虚拟仿真实验可以模拟理想环境，或在人为设定的物理参数下运行，是传统实验的有力补充。

虚拟实验教学能将课堂所讲授的理论知识与实践相结合，将专业基础课程、专业课程等各门课程的独立实验内容有机地结合在一起，提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力，对整个实验有系统的认识，帮助学生在实践中认知理论，提高设计能力、动手能力，开拓思维。

1.1 系统的框架

材料成型及控制工程专业虚拟仿真教学系统包括材料成型及控制工程专业的液态成型、连接成型和模具工程方向的专业基础课程和专业课程(如图1所示)。该系统主要开展材料微观组织分析、材料力学性能测试、大型模具拆装与加工、注塑工艺、离心铸造、铸造合金测定、焊接设备安装、焊接过程测试等实验，这些实验涵盖了基础知识、专业基础知识和专业知识等多个层次和领域，保证了学生学习的系统性和综合性，从整体上形成了一个完整的材料成型及控制工程课程虚拟实验教学体系(如图2所示)。此外，为了满足不同学时、不同专业方向学生学习的灵活性和侧重性，系统中的每个子实验可独立展开，灵活组织，提高了在不同学科、专业之间的资源共享。

图1 实验系统的理论课程

图2 虚拟仿真实验教学系统

1.2 系统的技术架构

系统平台基于B/S结构，根据用户已有服务器所运行的操作系统和工作环境，采用ASP.NET技术、3D建模技术、虚拟现实技术、Web网络技术和数据库管理技术等进行构建。系统的三维场景浏览、交互及功能发布采用目前流行的3D虚拟现实引擎—Unity3D 4.7进行开发。系统前台页面展示部分采用HTML，CSS相结合的形式进行开发，浏览器中3D场景展示与交互使用Unity Web Player Plugin插件的形式，3D虚拟场景与页面通信采用JavaScript脚本的形式实现(如图3所示)。

图3 系统开发架构

系统开发主要涉及三维建模、三维可视化交互程序、数据库、Web页面及Web服务器程序的开发，其环境与开发技术内容见表1。

表1 系统架构说明

1.3 系统的教学方法

系统采用引导学习、虚拟实验和过程测试并行展开的实验教学方法，目的是使学生在整个虚拟仿真实验过程中能够获得直观、真实的实验效果(如图4所示)。学生在模拟实验操作过程中进行知识学习和设备操作，既可以培养学生对仪器设备进行操作、维护和检修的技能，又可以培养学生自我训练及创新意识，是传统实验教学无法比拟的。

图4 虚拟实验场景

系统中每个虚拟实验科目都包含理论学习和虚拟实验操作2部分。其中，理论学习部分包括阅读实验说明文档、查看实验视频和在线自测等内容，保证学生在实验过程中可以随时查看与之相关的理论资料，检查自己对相关内容的掌握程度；虚拟实验以人机交互的形式让学生在虚拟的3D实验室环境和实验设备上进行操作，包括学习模式和测试模式。在学习模式下系统提供文字、3D高亮、逻辑约束等标识，引导学生完成实验过程。测试模式下，系统关闭提示和引导信息，并加入计时、计分功能，从而检验学生的学习效果。此外，每个实验都包含了提问和解答功能，学生在实验过程中所产生的疑问可以直接提交，以便教师及时解答。

系统通过3D虚拟实验操作、理论学习、在线提问等方式，实现了对相关实验课程内容的全覆盖，通过理论学习与实验实操的有机结合，达到了丰富课程资源、提高教学质量的目的。

1.4 系统的具体实施方式

学生使用本系统进行虚拟仿真实验的基本过程如下。

(1)登录、进入系统(如图5所示)。在浏览器页面输入网址，即可打开系统页面，然后输入有效的用户名、密码和验证码，点击登录即可。

图5 系统登录

(2)在系统专业实验界面选择相关子实验，进入3D虚拟实验。

(3)3D虚拟实验加载成功后，系统出现理论学习、自测题和进入实验3个学习模式。其中进入实验可直接开始3D虚拟实验操作，理论学习和自测题将打开相应的Web页面进行学习或测试。

(4)进入3D虚拟实验后，可选择新手模式或专家模式，新手模式下系统提供自动引导功能，指导学生按步骤完成实验；专家模式下系统关闭引导功能，增加计时和计分功能，检查学生对实验的掌握程度(不同实验的具体操作步骤、数量不等)。

(5)虚拟实验完成后，部分实验要求学生填写实验报告，可打开实验报告页面进行填写。

(6)学习情况查看(如图6所示)。每次实验完成后，学生和教师均可对本次实验的学习情况进行查看，查看内容包括过程记录、实验报告、理论自测以及疑难问题等。

图6 学习情况查看

1.5 系统的过程评判

系统根据不同实验的性质和特点对结果与结论的管理分为两类。

(1)在线编辑填写实验报告。主要针对理论验证和知识认知性实验，实验完成后通常会产生一定的实验结果数据，系统提供专门的实验报告模板，让学生将实验数据和实验结果填入实验报告中，并以此为基础进行分析推理。

(2)自动记录并评判实验过程。主要针对工艺流程性实验，系统地对学生的操作过程进行自动记录和评判，并提供学习记录查看功能，便于学生检查自己对实验工艺流程掌握的熟练程度。

2 考核要求

系统主要对学生的理论掌握程度、实验工艺流程与设备操作、实验数据结果的处理与分析等方面进行考核。针对实验性质提供不同的考核方式，包括过程自动记录、计时计分、编写实验报告和在线试题测试。

(1)理论验证和认知性实验。系统以自动判断的方式对学生操作实验过程的正确性进行判断和记录，同时对所得到的实验结果数据进行处理分析，要求学生在线编写并提交实验报告，教师可在线查看学生操作过程和实验报告内容。

(2)工艺流程与设备操作性实验。系统采用过程记录、自动判断、计分、计时等方式对学生实际操作过程的正确性、熟练性和知识掌握的完整性进行考核。教师可在线查看学生的操作过程记录等。

(3)全部实验都提供理论自测题，主要以选择题或判断题的形式对学生的理论掌握情况进行在线测试，系统自动判断、自动计分，并进行记录，以便教师查询(如图7所示)。

图7 教师查看学生实验情况

3 系统特点

3.1 虚实结合的实验室环境

根据虚实结合的原则，虚拟实验室以实体实验室为基础，结合实验所涉及的理论知识范围，利用3D建模技术，在虚拟环境中增加实体实验室中不具备或不便于放置安装的实验设备、仪器，保证每一个实验知识内容的完整性。

3.2 完整的专业实验教学系统

系统涵盖材料微观分析、性能测试和成型过程及控制等14个子实验，各子实验间既相互独立又相互衔接，形成了一套完整的材料成型及控制工程课程虚拟实验教学体系，可满足不同阶段学生的学习。

3.3 直观丰富的人机交互操作

学生在虚拟环境中进行实验操作，交互操作包括场景漫游、视角控制、定位和虚拟设备操作等。以虚拟现实的方式使学生便于接受，提高了学生科学实验的兴趣，学生在实验的基本技能和综合、设计、研究创新等方面可得到系统的训练。

3.4 完善的展示及效果评估等功能

系统根据实验性质，提供了不同的实验数据描述与展示手段，包括UI数字显示、数据走势曲线描述、虚拟设备仪表显示、实验现象特效模拟等。为了对学习效果进行考核评估，系统提供了操作过程自动记录、评分、计时、理论测试和实验报告等方式，实现对学生虚拟实验过程中的数据进行全方面的记录和总结。

3.5 开放性高 扩展性强

采用Web网络技术，实现多人同时在线访问和学习，保证学生在任何地点、任何时间灵活地开展实验学习，打破了传统实验课程在时间和空间上的限制。教师用户也可随时随地上传实验教学资料，进行实验教学指导和知识更新；并在实验系统使用和建设过程中，根据学生、教师等使用群体和教学内容的要求随时进行调整和增加实验。

4 结论

系统综合运用3D建模、交互式虚拟现实、Web网络和数据库技术，以真实实验室的空间布局、仪器设备为蓝本，构建集实验环境、设备、工具等为一体的虚拟实验室。通过人机交互，学生既可在虚拟仿真实验中体验与真实实验相同的效果，又可观看真实实验条件下难以体现的现象和结果。同时，为了提高教学资源的共享性，系统利用互联网技术，搭建了一个基于网络的、可远程控制与交互的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台。

系统平台于2014年1月起开始开放并运行，经过不断的发展和更新。目前，已对2013—2015级学生进行了开放使用，得到了广大师生的肯定，获得良好的使用效果。