虚拟仿真在金相分析实训教学中的应用研究

周鹏， 石芬， 崔珊

(西安航空职业技术学院 航空材料工程学院， 西安 710089)

0 引言

“金相分析实训”课程是高职院校金属材料与热处理技术专业中的一门实践技能训练课程，其作用不仅让学生在学习“金属热处理原理及工艺”等前置专业理论课程的基础上，通过认知实训，理论联系实际，巩固和丰富专业知识，进行实践操作锻炼，加感性认识，提高观察问题、分析问题、解决问题的能力，而且对高职学生获取工艺技能、培养工业实践能力和创新思维及后续专业课程的学习起到了至关重要的作用，有助于高职学生社会竞争力和实践能力的提高[1]。

但是，目前大多数高职院校的“金相分析实训”教学中存在着问题，主要表现为教学方法及模式单一，首先由实训教师在课堂上对实训目标、操作方法与步骤等内容进行按部就班地讲解，然后是学生按照实训要求，进行机械性地操作。导致许多不利的实训结果，一是学生在实训中缺少积极主动的思考，不利于学生创新思维的培养，二是许多学生最初进行实际操作时还抱着兴趣，但随着实训时间的延长，学生对这种重复性的操作开始厌倦，从而对实训操作产生懈怠情绪。

近几年来，由于计算机虚拟仿真技术所展现的形象的、逼真的实验场景和互动教学模式，不仅激发学生的学习兴趣，还能够激发学生的创新性思维，有利于学生综合职业素养的培养。因此计算机虚拟仿真实训在高职教育中开始得到广泛的应用，成为实训教学重要的组成部分和提高教学质量的重要手段[2-3]。根据对学生按照基础知识扎实、实际能力强等高素养能力培养的要求，西安航空职业技术学院金属材料与热处理技术专业对“金相分析实训”教学模式进行了改革与实践，在实训过程采用计算机虚拟仿真技术，以此来改变过去单一传授专业知识的实训教学方式。

1 计算机虚拟仿真平台介绍及使用方法

1.1 计算机虚拟实训平台介绍

以参与建立国家级教学资源库“材料成型与控制技术”为契机，依托西安航空职业技术学院雄厚人才的师资实力和教学资源，大力推进实训教学改革，创新实训教学技术与方法，建立有助于培养高职学生创新性思维的实训教学新模式。2017年金属材料与热处理技术专业启动了金相分析实训虚拟实训平台的建设，本着“虚实结合，能实不虚”的建设原则，结合材料工程各类专业实训的教学目的和要求，将实践实训和虚拟实训有效地结合，实现“金相分析实训”教学的创新。

所建立的计算机虚拟仿真金相分析实训平台是由三部分组成：

1) 多媒体教学区域；

2) 样品展示柜区域；

3) 金相分析实训区域。

1.2 计算机虚拟实训平台的使用方法

进入金相分析虚拟仿真漫游界面后，使用者可以在场景里面360度无死角的旋转走动。在视角右上方显示小地图可以帮助用户确定现在所处的位置以及进入漫游与实训的按钮，如图1所示。

图1 金相分析虚拟仿真平台漫游界面

点击“Play！”按钮直接进入的就是金相分析虚拟仿真漫游界面或者点击右上角小地图旁边的漫游按钮，进入金相分析虚拟仿真漫游界面。按“Esc”键即可退出系统。

当进入“多媒体教学区域”在场景中找多媒体(投影仪)，点击多媒体(投影仪)左上角的播放则进入了多媒体(投影仪)中。这时，投影会显示出授课内容的目录。目录主要包括了铁碳相图和铁碳系相的转变，如图2所示。

图2 金相分析虚拟仿真平台漫多媒体教学区

实训学生点击铁碳相图目录时，投影中会出现铁碳相图示意图和相关视频；点击“铁碳系相的形成”目录时，投影中会出现“冷却转变曲线(C曲线)”目录，以及“奥氏体形成”视频按钮和“珠光体形成”视频按钮，当点击目录时会弹出不同的视频。

在计算机虚拟仿真实训平台的“样品展柜区域”，当实训学生将鼠标放在展览柜的模型上，会出现相对应得模型名称，如果想查看其的简介，只需单击鼠标右键即可，如图3所示。

当点击右上角小地图旁边的“实训”按钮，进入金相分析虚拟仿真实训界面。进入金相分析虚拟仿真实训界面后，会弹出来一个金相分析实训流程，实训学生通过金相分析实训流程进行实训仿真，在视角右上方显示小地图可以帮助用户确定现在所处的位置以及进入漫游与实训的按钮，如图4所示。

图3 金相分析虚拟仿真平台展样品柜区域

图4 金相分析虚拟仿真平台实训流程界面

在所构建的计算机虚拟仿真实训平台中，金相分析虚拟实训主要由七个步骤流程构成，具体如下所示：

流程一，金相试样的选取。在虚拟场景中材料货架展现出多个零件，使用者可用鼠标点击选取零件，在每个选取零件的侧方回出现该零件的详细内容：包括材质、热处理状态及用途，如图5所示。

图5 金相分析虚拟实训平台的试样选取界面

流程二，金相试样的切割。在虚拟场景中展现出切割机的外观形貌，以及“台式砂轮切割机”的操作过程和运行状态，如图6所示。

图6 金相分析虚拟实训平台的试样切割界面

流程三，在金相试样的镶嵌区域，在虚拟场景中展现出热镶嵌机的外观形貌及其操作过程，如图7所示。

流程四，在试样的研磨区域，在虚拟场景中展现金相试样的整个手动研磨(磨平、磨光)过程，如图8所示。

流程五，在试样的抛光区域，在虚拟场景中展现金相试样的抛光过程，如图9所示。

图7 金相分析虚拟实训平台的试样镶嵌界面

图8 金相分析虚拟实训平台的试样研磨界面

图9 金相分析虚拟实训平台的试样抛光界面

流程六，在试样的浸蚀区域，在虚拟场景中展现金相试样的侵蚀过程，如图10所示。

流程七，在试样的显微组织观察区域，在虚拟场景中展现金相组织观察过程，如图11所示。

图10 金相分析虚拟实训平台的试样浸蚀界面

图11 金相分析虚拟实训平台的显微观察界面

2 金相分析虚拟实训平台的教学实施

2.1 课前预习

在学生进行金相分析实训前，已经过金属材料相关理论学习，具备不同金属材料的特征认知，课前可提供给学生有关不同金属材料典型显微组织特征的相关资料，以及金相制备技术的相关理论知识。此时，学生可根据不同金相材料的特点及其金相试样制备要求，拟好自己感兴趣的问题，以便通过实训寻求答案。

2.2 虚拟实训平台教学

学生在个人电脑、iPad等设备上安装虚拟实验软件，方可进入虚拟金相分析实训平台，学习时限为6个小时，学生自主安排学习。虚拟实训平台提供虚拟工作场景，对实训工作流程虚拟化；学生在虚拟工作场景中完成与真实工作场景中相同或相似的工作任务。

学生在限定的学时内要完成虚拟金相分析实训平台的所有模块的练习，并对不同金属材料的金相试样制备过程和显微组织分析要有充分的了解及掌握，包括：金相分析实训的布置、实验设备的工作原理和操作视频的学习；钢铁材料、有色金属材料等金相试样制备各工序的注意事项及操作要点；不同金属材料的显微组织特征等内容。

通过虚拟仿真金相分析实训平台的使用，可使学生的理论学习、虚拟训练和实际操作实训有机结合，系统地了解金属材料金相制备技术以及显微组织分析，尽快地掌握金相分析技术的工作流程，为学生打下宽厚、扎实的金相分析技能基础。

2.3 学习效果评价

针对学生完成金相分析虚拟仿真实训情况，借鉴已有的经验，主要通过自我评价、小组评价和教师评价对学生的实训结果进行科学合理地评价[4]。通过这三种评价方式，可以客观真实地反映出计算机虚拟仿真实训对提高学生的职业素质和职业技能的作用。同时，通过观察发现，与传统实训课相比，在计算机虚拟仿真金相分析实训教学中，学生的注意力更加集中，学习兴趣明显提升，也能提出更多深刻问题。

3 总结

通过对3D模型、图像、视频、声音等相关资源的导入，运用“屏幕仿真技术”来呈现立体、逼真的漫游环境、场景和目标物画面。学生可通过对鼠标、键盘的规范操作，实现对计算机屏幕画面的操作与控制，并以第一人视觉进入画面实施漫游，达到实地、亲临的现场学习效果。这不仅可以能够满足金属材料与热处理专业教学实训的要求，而且是对真实环境中的实操实训起到了一定的补充作用，能够提高实训教学质量，促进学生职业素质和职业技能的提升。于此同时，学生在课余时间也可以自主使用该虚拟仿真实训平台进行知识学习和技能练习。