材料科学与工程专业虚拟仿真实验教学改革与探索

梁李敏 陈学广 刘 哲 何 珺 范佳薇

（河北工业大学材料科学与工程学院 天津 300401）

0 引言

虚拟仿真实验教学是教育信息化发展和实验教学改革相结合的创新目标和产物。国家《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012] 4 号）中提出了强调实践育人的措施，《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》也指出，建设仿真实训基地等信息化教学实施，建设实习实训等关键领域的管理信息系统，建设支撑学生、教师和员工自主学习的科学管理的数字化环境，是虚拟实验教学发展的目标。

1 虚拟仿真教学实验建设的必要性

材料科学与工程专业是一门实践性较强的学科，虚拟仿真实验教学可以综合应用虚拟现实和多媒体技术构建仿真的实验环境，使学生自主地在开放的虚拟仿真平台上开展实验，弥补了传统实验不能实现的教学功能，可以有效地提高实验教学的质量。[1-5]材料科学与工程专业在实践教学过程中存在一些普遍性的问题，一些专业实验要求在高温、高压、高危险等极端条件下操作，一些物理化学类的实验在操作过程中使用到有毒或易爆的原料或化学药品，[6,7]一些微观尺度的实验，难以通过实验教学的手段来观察。一些涉及大型设备的实验，受到实验台套数的限制，无法满足学生的动手要求。[8,9]虚拟仿真实验的开展可以有效地解决传统实验平台建设周期长、投入大、设备功能缺乏等问题，可以节省实验室建设过程中人力、物力和财力的投入，降低实验教学成本，保障实验有效地正常开展。另外，网络化的虚拟实验比传统的实验更具有开放性，可以打破时间和空间的限制，可以根据专业、兴趣和爱好自主地进行实验方案的设计，实验内容的选择，实验结果的分析评价等。学生由传统的被动地接受实验内容转变到主动地参与和掌控实验过程，丰富了实验教学的内容，提高了学生创新能力的培养。

2 虚拟仿真教学实验建设的内容

虚拟仿真实验教学内容要根据专业情况和人才培养方案来制定，材料科学与工程专业有金属材料、材料成型、材料物理、功能材料和无机非金属材料五大专业，学生的专业课程设置主要分为专业基础课程、专业课程和实习类课程三大类。虚拟仿真实验教学必须本着“虚实结合，互为补充，能实不虚”的原则，根据实验教学规划，开展虚拟实验课程。根据对材料专业特点、培养计划和培养目标的综合考虑，我校材料科学与工程专业的虚拟仿真实验教学主要分为微结构材料虚拟仿真、材料检测虚拟仿真、极端条件专业实验虚拟仿真和实习实践虚拟仿真模块四大部分。

2.1 微结构材料虚拟仿真模块

在开设专业课程之前，材料科学基础、材料力学性能和材料物理性能等专业基础课程是材料学专业学生必须掌握的内容。在这些课程中，晶体结构的表达和分析，晶体结构对材料物理化学性能的影响都是课程教学中的难点和重点。将虚拟仿真技术与微观结构相结合，将抽象和微观的晶体几何形态和点阵用三维模型在虚拟平台上可视化，从而建立晶体结构与材料物性的直观连接。微结构虚拟仿真模块主要可以分为两个方面：一是微结构材料理论模型的建立，材料结构的理论模型可以根据材料的性质来设计，也可以根据材料体系的空间尺寸来设计。材料结构的建模可以采用可视化界面的建模软件material studio 和MAPS 等，学生能根据需要搭建不同维度不同尺寸的结构模型，同时加深对材料微观结构的了解。二是材料物理性质分析的虚拟模块，在建立结构材料模型的基础上，利用material studio, MAPS, MedeA 等计算软件包中的分子动力学方法模块、蒙特卡洛方法模块和第一型原理计算模块对结构模型进行最稳定结构搜索，执行物理性能的模拟计算。学生在执行物理性能模拟计算的过程中，可以设置通过的参数，得到不同的结构，加深学生对材料物性的理解，为学生提供基本的科研训练和研究手段。

2.2 材料检测虚拟仿真模块

现代材料分析方法是材料科学与工程专业的必修课程，课程开设的目的是让学生掌握现代材料的各种测试方法，了解测试设备的基本原理、结构和图谱数据分析方法等，为大四的毕业设计和科学研究打好基础。现代材料分析方法实验课程自开设以来也存在着一些问题。对于材料科学工程学院来说，不同的专业所学材料的种类不同，因此材料的测试方法也存在着差异。另外，现代材料分析方法实验课程涉及的设备都是大型精密仪器设备，设备价格昂贵，设备的台套数只有一台，无法满足学生实验课程的实际操作要求。学生几乎没有独立操作设备的机会，学生对仪器的认识停留在书面知识上，缺少实际操作经验，一定程度上影响了学生实践能力和创新能力的培养。针对目前实验教学中存在的问题，结合各学科各专业发展的特点，搭建大型分析仪器虚拟仿真实验室，虚拟仿真测试样品数据库里不仅要包含各专业典型材料的测试参数及图谱，同时也要将一些当前科技发展前沿的材料纳入数据库中。不仅可以增加学生对微观分析技术的兴趣，同时加深了学生对各种检测技术的原理和应用的了解，增强了学生对科学研究的兴趣，对学生以后从事新材料相关的生产和研究有极大的帮助。

2.3 极端条件下的虚拟仿真实验模块

对于材料专业类的学生来说，专业基础教学实验设备相对比较齐全，这些专业基础实验能实不虚，让学生亲自动手操作，提高了学生的实践动手能力。但是专业实验受到实验条件的限制，学生不能全程参与到实验中，无法观察整个实验过程。例如：钢铁冶金课程中的炼钢实验，材料成型专业中的液态金属浇注实验等。由于受到实验设备、实验条件及实验安全性等条件的限制，目前这些实验课程都是采用演示观摩的方式进行授课。对于这些极端条件下的实验课程，可以搭建虚拟仿真实验模块，模拟材料制备加工过程的真实实验，学生可以根据需求改变实验条件，如：改变实验原材料的添加，改变实验过程中的温度，改变样品成型的模具等，通过虚拟实验过程的调试，达到学生实践能力的培养。同时，原有的演示观摩实验也不能取消，将虚拟仿真实验和目前的实验授课方式虚实结合，达到培养学生实践能力和创新能力的目的。

2.4 虚拟仿真创新实习模式

实习实践环节对于材料专业人才的培养必不可少，认识实习、生产实习和毕业实习在大学的课程中占了重要比例。但是工厂企业为了学生的安全考虑，原有的知识应用与生产实践变成了走马观花式的观摩过程，学生无法深入地了解整个生产过程，以及生产过程中涉及的科学问题，从而制约了学生实践能力和创新能力的培养和提高。虚拟仿真创新实习模式就是要构建实训数字化资源体系的实践场所，实现“虚拟仿真实训系统，真实生产过程观摩，虚拟现实仿真实习训练”三位一体的现代实习训练教学模式。虚拟仿真实训系统要与专业认识实习相结合，实训系统软件应主要包括实训环境三维虚拟仿真、工艺设备的展示和工艺流程的自动仿真演示等。虚拟现实仿真训练与生产实习相结合，虚实并进，通过虚拟仿真实训软件来实现生产设备的三维虚拟，对设备的结构和功能进行浏览，对主要的工艺过程进行三维虚拟，进行工艺操作参数的选择和主要工艺过程的仿真操作。因此，加强校企合作数字化虚拟资源的建设，将虚拟实训和专业实习相结合的模式，发挥虚拟实训参与方式灵活和学生参与度的覆盖面，更好的促进专业技术人才的培养和创新能力的培养。

3 结语

材料学科是一门实践性很强的学科，为了培养创新型专业技术人才，传统的实验教学也在向“基础性、综合性、实践性、创新型”的新的实验教学模式过渡。从我校材料科学与工程专业的实际出发，分析实验教学过程中存在的不足，制定了适合我校材料专业的虚拟仿真实验内容。希望借助多媒体技术、虚拟仿真技术和计算机网络技术，提高了实验的开设率和学生的参与率，提升实验教学的质量，激发了学生的学习热情和兴趣，促进创新型专业技术人才的培养。