工程材料在虚拟仿真实验教学中的应用探索

尤一泓

摘 要：将工程材料应用到虚拟仿真实验教学中，可以帮助学生理解、巩固和提高理论知识，积累实际工作经验。本文分析了工程材料在虚拟仿真实验教学中应用的现状及优点，并探讨了实验教学的优化思路。在课堂上，通过引入虚拟仿真实验来验证，可以使学生更好地了解和掌握实验方法，从而促进学生的自主思维和创造能力。

关键词：工程材料;虚拟仿真;实验教学

在工程材料课程的教学过程中，利用虚拟仿真模拟软件，学生能够通过实验过程验证理论知识，同时能够直观地了解材料属性的科学规律。实验教学能够使学生在实践中获得较好的理论知识和技能，同时也能够提高学生对问题的发现、分析和解决问题的能力。实验教学在提高学生的科学素质、培养创造性人才方面起着举足轻重的作用。通过虚拟仿真实验，帮助学生理解工程材料相关知识点，在提升学生动手能力、激发学生学习热情以及改善学生学习效果方面有积极的作用。本文针对目前工程材料实验教学中存在的问题，探讨了如何将工程材料应用于模拟技术的实验教学，并提出了采用模拟技术进行课堂实验示范的方法。

一、现行虚拟仿真实验教学现状及问题

（一）现行实验教学概况

实验教学分为两个部分：基础实验和综合实验。工程材料基础实验是相关专业的重要组成部分，它在工程类学科教育中具有积极意义。在培养学生的基本专业知识和创造能力的过程中，具有承上启下、承前启后的作用。基础型实验是以基础知识为载体，注重基础知识与技能的培养，加强基础实验技能的培养，为培养学生的创造能力打下坚实的基础。工程材料综合实验是一种增强性的实验，它需要应用所学到的有关材料的基本理论和基本实验操作技能。综合实验的重点是巩固理论知识，设计实验方案，提高学生的动手能力和团队合作意识。科学的实验教学系统有利于学生掌握知识、技能和方法，有利于培养学生的创造性和综合素质[1]。

（二）试论工程材料在虚拟仿真实验中应用应注意的几个问题

（一）工程材料或场所的限制

在实验教学中，由于工程材料，仪器和场所的限制，无法向学生清晰地展示实验儀器和操作过程，造成一些学生对仪器的理解和使用不规范;甚至在某些情况下，由于操作失误，导致仪器的使用和工作效率下降，从而对试验的顺利进行造成很大的影响。

（二）实验教学方法有待丰富

在应用工程材料进行虚拟仿真实验的教学过程中，实验教学与理论教学同样应重视教学方法，好的教学方法能引起学生的思考和解决问题，同时也能加深学生对工程材料基本理论的认知，同时掌握实验内容和方法的认识，有利于今后的工作和学习。在进行虚拟仿真实验前，通过教学视频对实验所涉及的工程材料进行初步介绍，或通过微课的形式，可以在一定程度上解决实验过程中学生无从下手的问题。因此，我们必须不断地探索更好、更多样化的教学方法。

（三）理论和实验教学的不协调

实验教学应当与理论教学相结合，在对工程材料的相关理论讲授后再进行实验，这样既能保证工程材料理论知识与实验知识的结合，又能促进学生的综合运用，同时也有利于理论和实验教学。实践中，工程材料理论课和实验课常常不能同步，进度也不能很好地统一。对初学专业基础知识的一年级学生而言，由于缺乏对工程材料理论知识的了解而难以完成实验，对实验的认识和理解存在着诸多问题，缺乏充分的准备和熟练的实验技巧。

二、虚拟模拟技术在工程材料实验教学中的应用及优越性

传统的工程材料实验教学在资源有限的情况下，很难调动学生的学习积极性，也很难达到良好的教学效果[2]。随着计算机和信息技术的飞速发展，虚拟模拟技术在理论课和实验课上的应用日益广泛，它的优势和作用体现在以下几个方面：

（一）将工程材料与虚拟仿真技术结合，使实验操作更加清楚、生动

多媒体教学在现代教学中的应用日益广泛，利用工程材料相关图片、教学录像等教学手段，结合实际的实验仪器进行教学，可以达到很好的教学效果。通过虚拟仿真技术，可以对实验装置进行形象且较为直观地模拟工程材料实验过程，清楚地显示操作过程，增强仪器操作的规范化，极大地提高了实验的效率，在激发了学生的兴趣的同时，提高了学习效果，并且增强了基础实验的教学效果。

（二）对技能培训有积极意义

1.突破现有的实验仪器和设备，扩大试验的范围

在传统的工程材料课程实验教学中，由于实验条件、安全等诸多因素的制约，因此，虚拟实验可以很好地解决这些问题。利用三维模型，可以直观地显示工程材料封闭装置的内部或较复杂的结构，模拟工程材料内部的工作原理，拓展教学内容，加深对仪器的认识，拓宽视野，促进工程技术的进步。

2.扩大试验的时间和空间

由于传统的实验场地和实验器材有限，所以很难在有限的时间和空间上进行，而虚拟模拟实验则可以用电脑和相应的模拟软件来完成，这就大大扩展了学生的实验时间和地点。此外，虚拟模拟技术还可用于工程材料实验学习系统的开发 [3]。

三、在工程材料虚拟仿真试验中应用的优化思路

（一）工程材料虚拟仿真多元化教学试验示范

在实验教学中，使用工程材料虚拟模拟技术进行模型和动画演示相结合是最常见的一种;也可以将仿真试验的数据过程量制作成教学视频，使得学生能够更加直观地了解试验参数的变化过程与变化规律。例如，洛氏硬度仪的模拟模型利用常用的模拟软件，可以把硬度计的全过程模拟得栩栩如生，将所有硬度数据中间结果进行统计，制作动态曲线的视频供学生参考学习，以提升教学效果，有助于帮助学生更加仔细地观察工程材料的各种属性。在工程材料相关课程实验教学中采用虚拟仿真演示与多媒体教学的形式，可以有效地激发学生对虚拟仿真技术的兴趣和对实验操作的兴趣，促进他们的自主思维，从而提高工程材料实验的效果。此外，虚拟仿真技术还可以进行一些实验室没有的仪器和实验内容的扩充，以拓宽学生的视野。

（二）研究开发基于实验虚拟仿真实验平台

通过根据实际教学需要，研制出能满足学生实验预习、操作和答疑的工程材料虚拟实验室。借助虚拟实验室;构建工程材料实验模拟平台;以互联网为基础，服务于课程实验，使其充分运用于工程材料虚拟仿真实验室之中，从而不断补充和完善实验系统的整体建设。

四、结论

本文对工程材料实验教学的现状和问题进行了分析，阐述了虚拟仿真实验教学的功能和优越性，并将其引入到工程材料实验中，进行了深入探讨。通过教学实践，在工程材料课堂上引入虚拟仿真实验，可以加深对实验方法的认识，改善实验教学效果，有利于培养学生的自主性思维和创造精神。

参考文献：

[1]冯锐，张爱娟，杜庆洋，毕建波.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[J].山东化工，2020，49（18）：184-185.

[2]梁李敏，陈学广，刘哲，何珺，范佳薇.材料科学与工程专业虚拟仿真实验教学改革与探索[J].科教导刊（上旬刊），2020（10）：65-66.

[3]王士凡，堵锡华，董黎明，宫贵贞.高分子材料与工程专业虚拟仿真实验教学的探索[J].教育现代化，2019，6（42）：132-133.