新工科背景下《材料工程基础》虚拟仿真实验教学模式探索与实践

冯 锐，张爱娟，杜庆洋，毕建波

(山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255000)

复旦共识、天大行动和北京指南，构成了新工科建设的“三部曲”，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径。教育部提出针对“新工科”建设的指导性意见，指明了“新工科”背景下工程人才培养的方向[1]。改变和提升当前传统工科专业工程人才教育质量现状的一个重要途径是在让学生牢固掌握专业理论知识的基础上，面向产业发 展、行业需求以及学生兴趣，设计和改革现有教学方法体系，尤其是实验教学体系，充分锻炼和提升学生的动手操作能力和实践创新能力。虚拟仿真技术的目的，就是通过虚实融合，模拟现实教学环境，使学习者获得真实的情境体验，进而有效地促进学生认知结构的形成和发展。虚拟仿真教学模式将虚拟仿真技术与教学内容相互结合，虚实结合，相互补充，在虚拟现实中锻炼了学生的动手和实践能力，实现“新工科”人才培养的目标和要求。

《材料工程基础》作为材料科学与工程专业的核心专业课程，主要讲授金属、无机非金属、高分子和复合材料等各种类型材料制备与加工方面的基本理论、技术方法和生产工艺过程[2]。由于涉及相对较多的材料制备及加工工艺，相对抽象，学生存在一定的理解难度。因此，如何借助虚拟仿真技术，实现以《材料工程基础》为代表的材料类专业课程的虚拟仿真教学，对“新工科”人才的培养具有重要意义。本论文以《材料工程基础》课程为例，提出了“新工科”背景下《材料工程基础》虚拟仿真实验教学模式，通过该教学模式的探索与实践，为材料类专业课程的虚拟仿真建设提供新的思路。

1 课程教学现状

《材料工程基础》作为我校材料科学与工程专业的核心专业课程，前期已进行了信息化和“小班授课”教学模式探索与实践，并获得了良好的教学效果。但是，在前期的教学过程中，也发现一些存在的问题。首先，课程涉及相对较多的材料制备及加工工艺，较为抽象，由于学生尚未进行认识实习和生产实习，普遍反映存在一定的理解难度；另外，课程涉及一些难以在实验室进行的实验项目，比如金属液的高温熔融、流动充型和冷却结晶等，以及无机非金属材料的干燥和焙烧等，而这些内容往往是重点和难点内容。而简单的播放相关教学视频进行讲解，很难激起学生的求知兴趣，已与时代脱节。基于此，为服从国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，为实现新工科背景下人才培养质量的提升，《材料工程基础》虚拟仿真实验教学模式的探讨与实践势在必行。

2 虚拟仿真教学模式探讨

新工科背景下，对学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力以及理论联系实际能力要求逐渐提升，如何将学生实验过程中无法看到的实验现象和实验原理呈现出来，一直是实验教学的难点和关键[3]。虚拟仿真实验教学模式正是在新工科背景下发展起来的一种教学模式，也是目前国内外教育学界正在逐渐探索和实践的一种教学模式，虚拟仿真实验教学模式的探索和实践具有极为重要的理论意义和现实意义。

虚拟仿真教学模式通过建立起沉浸式的环境来提高学习体验，增强学生的参与性和互动性，已经成为高等学校教育教学改革的重要内容。近期，教育部发布《关于开展虚拟仿真实验教学项目的建设工作》的通知，以进一步推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间。可见，虚拟仿真实验教学必将成为助推高等教育教学质量变轨超车的重要工具。

虚拟仿真实验教学模式的关键在于教学设计，如何通过合理的教学设计达到理想的教学效果是虚拟仿真探索与实践的关键和难点[4]。以金属型铸造为例，合理的金属铸型设计，尤其是浇口和冒口设计是保证零件浇注成功的关键。在日常的实验教学过程中，教师往往是以惯性思维完成浇注和凝固的实验教学，一般是以理论讲授辅以视频形式完成，学生无法体会浇道、冒口和冷铁设计对金属型铸造的重要性。而在虚拟仿真教学过程中，教师通过Anycasting、Procasting等铸造软件设计相应的铸型空腔，改变浇道、冒口和冷铁位置，观察金属液的充型过程体会三者对铸造的重要作用。再以高温烧结过程为例，介绍虚拟仿真教学模式的探讨过程，高温烧结由于温度高、实验时间长，同时难以观察内部组织结构的变化规律，一直是学生理解的难点。采用虚拟仿真实验教学模式后，教师通过软件实现高温烧结过程的再现，尤其是烧结过程中原料的干燥和物理化学变化过程，让学生深入理解自由水、吸附水等水分的排除和高温烧结的热分解、氧化分解、熔融等物理化学过程。

3 虚拟仿真实验教学模式实践

受新冠肺炎疫情的影响，学生无法正常返校，理论部分可以线上进行，但是如何在保证实验教学质量的前提下，完成实验教学进行成为面临的新挑战。《材料工程基础》经过前期的虚拟仿真建设，已经建立典型实验项目的虚拟仿真模型，经过不断的优化调整已经可以满足虚拟仿真实验教学的需要。在本学期的虚拟仿真实验教学过程中，学生通过在电脑上改变实验工艺参数，可以直观形象的观察到实验现象的变化规律，深刻领悟关键工艺参数对产品性能的影响规律；另外，原本实验室中无法观察的材料内部微观组织结构的变化规律，也清晰的呈现出来，有助于学生对复杂抽象问题的形象化理解。

虚拟仿真实验教学模式经过一学期的试运行，学生普遍反映教学效果良好，虽然是线上教学，但是学生表现出较高的学习积极性。学生通过点击鼠标，将自身融入实验教学过程中，独立思考，积极回答问题，观察到了实验室中无法观察的实验现象，增进了对材料内部微观组织结构和物理化学过程的理解。

为了实现虚拟仿真实验教学模式的逐步优化，同时适应新工科建设的需要，为继续深入挖掘课程中涉及的关键知识点和理解难点，以及考虑安全因素而无法在实验室中展现的实验教学环节，或者材料内部微观组织结构的呈现，《材料工程基础》教学团队将持续优化虚拟仿真教学内容，跟上知识更新的步伐。

虚拟仿真实验教学模式运行一个学期后，发现学生的实验教学参与程度明显提高，在教学质量评价中，97%以上的同学对实验授课方式表示满意。为了对虚拟仿真实验教学效果进行检验，我们选取2017级和2018级学生，即未实施虚拟仿真实验教学和实施虚拟仿真实验教学的两个教学班，共80位学生的实验报告情况进行对比。结果表明，采用虚拟仿真实验教学模式后，学生对实验过程、实验数据分析与处理掌握更加扎实，实验报告完成质量明显提升。

4 结论

山东理工大学《材料工程基础》虚拟仿真实验教学模式经过新冠肺炎疫情期间的探索与实践，已经形成了一套完整的实验教学模式，结合前期的积累与开发，逐渐建立了该课程实验教学虚拟仿真平台，学生通过实验前预习、实验课堂上的动手操作、独立思考与分析、课后思考题巩固与复习等实验教学环节，锻炼了学生的分析问题和解决问题的能力以及理论联系实际的能力，获得了良好的教学效果。在今后的实验教学过程中，通过不断优化实验教学设计和程序优化，必将形成一套切实可行、教学效果良好的虚拟仿真实验教学模式。