材料科学与工程专业虚拟仿真实验教学项目建设现状

刘婉颖 林元华 高婷艳 邱宇洪 张晓燕 陈龙 徐习化

摘  要：为应对当今社会对高素质、高技能专业性人才不断增长的需求，满足高校对材料科学与工程专业人才培养的要求，需将理论教学与实验教学密切结合，依托虚拟仿真技术背景，分析材料科学与工程专业中虚拟仿真技术的应用现状及虚拟仿真实验适用范围，进一步探讨虚拟仿真实验室的建设内容，提出了虚拟仿真实验教学项目的实施建议。使虚拟仿真技术在推动材料科学与工程专业实验教学，在培养学生实践能力、信息化素养和创新精神中发挥重要作用。

关键词：虚拟仿真;材料科学;人才培养;材料分析;材料成型

中图分类号：G640         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）22-0078-03

Abstract： In order to comply with the growing demand of high-quality， high-skilled professional talents nowadays， the talent development requirements of colleges and universities for the materials science and engineering， it is necessary to closely combine the theoretical teaching with the experimental teaching. Relying on the background of virtual simulation technology， the application status of virtual simulation technology in materials science and engineering and the application scope of the virtual simulation experiment are analyzed. The construction content of virtual simulation laboratory is further discussed， and the implementation suggestions of the virtual simulation experiment teaching project are proposed. The virtual simulation technology plays an important role in the promoting experimental teaching of materials science and engineering and in cultivating students' practical ability， information literacy and innovative spirit.

Keywords： virtual simulation; material science; talent development; material analysis; material molding

20世紀70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。材料作为人类生存发展的物质基础，与人民的日常生活、国民经济建设都密切相关。材料科学与工程是一门专业理论知识极其复杂、难懂的学科，不仅内容涉及面广，而且学科交叉性非常强。只有通过理论与实验密切结合，才能拓宽专业学习的广度和专业技能的理论深度，培养出适应社会发展的创新型和应用型人才。为加快我国建设创新型国家，培养一大批具有国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队，需要高校学生具有很高的创新实验能力，因此对高校创新型人才的培养模式提出了高标准和新要求。传统的材料科学与工程专业教学模式更重视理论教学，而忽略实验教学，在材料工艺及加工技术方面有很大不足[1]。目前有很多与材料相关的学者都在试图探究一套真正适合材料科学与工程专业的特色教学方法，董振伟[2]等人提出的一种教学体系将材料科学与工程专业教学划分为科学和技术两大模块，技术类教学着重强调开设创新型实验课程;胡航[3]等人提出加强实验教学环节改革，建立具有院校特色的综合创新实验内容体系，培养材料科学与工程专业应用型人才。

近年来，虽然很多高校都更加重视实验教学和实验室建设，但是传统实验室搭建条件复杂，需要较长一段时间才能完善实验室建设，几乎所有实验设备还需要定期投入人力和财力进行维护，致使实验成本非常高[4]。一些大型精密仪器结构复杂，学生对实验设备基础原理认知有限、实验方案自主训练不足、老师对学生实验成绩评价体系也不完善[5]。部分仪器的操作复杂，学生容易损坏实验设备，实验设备价格昂贵、生均占有率低等等原因。这就导致实验教学基本形式变成了教师在实验室的示范性讲解，同学们分组完成实验或者直接记录数据，撰写实验报告，实验课堂纪律松散，同学们通过实验课堂收获的成效甚微[6]。而且传统设备的老化速率远大于实验内容的更新速率，学生很多时候无法通过学校里的实验设备完成拟定的实验方案[7]。

一、虚拟仿真实验室建设现状

（一）虚拟仿真实验教学背景

虚拟仿真实验室应运而生，这个概念最初是由美国学者William Wolf（1989）提出的，主要是通过实验设计人员利用对真实实验场景的模拟，完成多种仅局限于构思层面的实验项目，给用户一个直观真实的实验体验[8]。随着多媒体、数据库、网络以及虚拟仿真实验技术的成熟，虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值也日益凸显，除了能辅助高校的科研工作，还可以在实验教学方面具有易维护，利用率高等优点。国内的部分高校根据自身科研和教学需求相继开展了一些虚拟仿真实验以及教学应用的研究。

2017年，教育部办公厅发布了《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》。实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元，其建设水平直接决定实验教学的整体质量。在虚拟仿真实验教学中心里面，虚拟仿真实验教学资源是核心内容，同时也强调了虚拟仿真实验教学项目的建设，着重构建区域开放共享机制[9]。

（二）虚拟仿真实验室适用范围及优势

虚拟仿真实验室的建设主要是为了更好的服务师生，例如针对一些实验仪器设备少、设备操作复杂的、实验消耗大成本高的实验、难以直观观察微观现象的实验、需要在极端环境下进行的实验，以及在非极端不可见，但危险系数较高、污染较大的实验。这就更加需要建立和建设材料科学与工程专业虚拟仿真实验室，以推动实验教学[10，11]。

虚拟仿真实验室具有以下这些优势[12-14]：

1. 虚拟仿真实验室界面友好、内容丰富、有助于学生全面了解实验过程，结合理论达到虚实结合。

2. 有利于培养学生自我训练及创新意识，推动高校教学环境的创新。

3. 实现虚拟实践和真实世界的交互，实现实验教学中虚实互补，不但有利于提高课程教学效果，还可以激发学生兴趣，并规范学习行为以提升教学质量。

4. 能有效降低实验成本和污染，使学生学习不受场地和设备限制，实现真正的绿色实验课堂。

5. 可以根据学科发展前沿增加最新的仪器设备。

6. 实现资源共享和高度开放的实验环境，促进高校学生相互交流、开拓思维、勇于创新。

（三）虚拟仿真实验室应用成果

虚拟实验室凭借其高效率、高拓展性、高安全性、高开放性、高资源共享性以及低成本等优点逐渐成为材料科学与工程实验建设中心的航标，尤其是虚拟仿真实验室结合理论与实验的教学模式，在材料科学与工程专业多门专业核心课程中取得显著成效。在材料现代分析技术方面，龚成斌[15]等借助虚拟实验教学平台的建立更新了教学内容，例如引进最新的材料研究史实、根据虚拟的仿真实验过程制作最具有代表性的电镜分析图，让学生自己观察当今研究最热门的材料，感受课程前沿性。吴杰[16]等提出让学生通过虚拟平台完成相关虚拟软件的操作，提高学生的动手操作能力，加深和巩固对理论知识的理解。林珊[17]等利用虚拟仿真技术解决了学生在《材料分析技术》实验中对实验设备基础原理的认知有限性、学生对实验方案的自主设计训练不足和实验成绩的评价体系不完善等问题。在材料成型工艺方面，夏斯伟[18]等提出在统一的计算机平台下，借助专业软件（Ansys，Adams，ProCAST，Deform， Dynaform等）模拟实际工艺过程。郭瑞华[19]等建立仿真教学平台将虚拟仿真与课堂教学、现场实习及毕业设计相结合，让学生更直观的认识了解生产工艺流程、生产设备、操作系统等专业知识，罗晓东[20]等以特种轧制工艺模拟仿真研究为例，分析在仿真过程中模型的建立及其工艺仿真，阐述了借助于虚拟仿真教学平台，可解决设备台套数不足、成本高等问题， 同时还能有效激发学生学习兴趣，提高学生实际操作能力。在金属热处理及冶金工程材料制备技术等方面，黃鹏[21]等通过多组不同实验参数的设定以此扩大实验量，极大提高了实验效率。在热处理虚拟实验中，一个学生能够在相当短的时间之内完成以前整个班的实验量。例如在对45钢、40CrNi40CrN和T8钢3组材质22种不同组织样品的工艺设计、性能数据和组织形态进行实验，学生可快速通过虚拟实验高效率地完成实验内容并更好地理解掌握理论知识。姚正军[22]等利用FLASH、3DMAX对微观组织和机理进行直观展示，例如在做拉伸试验时进行三维演示、在碳钢的热处理实验时虚拟三维场景，使教学实验更加生动具体化。

二、虚拟仿真实验教学项目建设内容

（一）虚拟仿真实验教学内容

虚拟仿真实验应遵循以学生为主体的教学理念，开设面向材料科学与工程、高分子材料、材料成型与控制专业等本科学生的基础实验课、专业课、学科竞赛、开放性课外实验、二课以及创新实验等。

虚拟仿真实验的教学体系包括材料基础课程虚拟仿真教学、材料专业课程虚拟仿真教学和创新研究虚拟仿真3大类别，以及后续过程中的材料设计、制备过程、加工成型等部分[23]。既能够满足大一、大二基础实验课程，又能满足大三专业课程的需求，以及大四毕业设计的需要，同时对培养创新型人才还有着深远影响。

虚拟仿真实验的教学内容大致分为实验前预习、虚拟仿真操作、考核评价三个部分。实验前预习主要是通过实验课视频教学，学习理论知识、熟悉实验原理、目的、实验步骤、实验内容，掌握虚拟仿真实验的操作流程。虚拟仿真操作则包括实验前期准备、软件运行、参数设置、方法设计、观察实验进程、数据分析。考核评价采用系统智能化评分与实验老师评分相结合的评价模式，实现评价多元化。林姗在《材料现代分析技术虚拟仿真实验教学思考》一文中详细地介绍了以气相色谱进行虚拟仿真实验时的完整教学内容，包括实验预习部分、仿真操作现场部分和实验考核部分[24]。

（二）虚拟仿真实验教学师资队伍

实验师资队伍的水平对学生的实践能力往往有着重要影响。高校应重视专业实验教师的发展和高水平实验师资队伍的培养。鼓励教师不断参加科研活动，在实践中不断总结思索教学活动，从而改进和完善教学模式，促使科研实验与教学实验相互补充、共同发展[25]。因此，虚拟仿真实验对实验教师水平提出了更高要求，除了能够熟练讲解关于实验的理论知识、仪器原理操作外，还必须对虚拟仿真实验室的内容和使用有深层次的理解，对于实验软件所暴露出的问题要敏感察觉并及时更正，使虚拟仿真实验教学不断发展成为新时代实验教学的辅助工具，使高校实验课锦上添花[26]。

（三）虚拟仿真实验教学研发技术

目前大多数高校的虚拟仿真实验是依靠在软件公司购买的软件所建立起来的，在对仪器使用、数据的分析处理方面存在着许多偏差。为了解决这一问题，校企合作开发、寻求产学研共同发展道路已经成为新趋势。近年来，校企合作已成为产学研共同发展、互利互惠的基本途径，将学校科研与企业生产相结合，形成资源共享、相辅相成的共赢模式。利用高校自身的科研和专业优势与知名企业加强合作，发挥企业的资源优势，共同开发出符合需求的虚拟仿真实验系统[27]。

西南石油大学材料科学与工程学院依托科研资源，将Materials Studio和Themo-calc、ANSYS和 Fluent等软件引入实验课题，搭建了基于虚拟仿真实验平台的第二课堂平台，充分利用不同的材料设计软件用于不同的虚拟仿真实验教学和科研。例如计算材料的电子和晶体结构、光电性质可用Materials Studio及Themo-calc软件，研究不同加工过程的金属材料的组织和性能可用JSCAST、DEFORM和Simufact.welding软件。

三、结束语

材料学专业虚拟仿真实验教学项目的构建，在解决当前实验教学中的问题和不足的同时，还可实现以学生为主体的启发性、直观性、可视化教学，以此充分调动学生参与实验的积极性，对于提高学生的自我探索能力、实践创新能力有着显著效果。不断完善虚拟仿真实验项目的建设体系，建立虚拟仿真实验资源开放共享平台，创造良好的实践、科研氛围，为培养高水平的创新型人才奠定基础，构建平台。

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