虚拟仿真实验教学研究现状和发展趋势——以液态成形为例

郁 鑫，王立扬，赵贝贝，白 扬，叶 兵

（上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心及金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240）

0 引言

金属材料广泛应用于各个领域，小到圆珠笔的笔尖，大到飞机、火箭的零部件等，因而金属材料的研究一直在持续。液态成形作为一种最常用的金属成形方式，是材料专业中必须掌握的基础知识。但是近年来，选择液态成形课程的学生越来越少，其中一个主要的原因是液态成形实验教学开展困难，如温度高，存在不安全因素；没有足够的设备满足教学需求；整个技术环节多、工艺耗时长等。因此，亟需对教学方法进行改革以便更好地开展液态成形课程教学。

虚拟仿真是利用计算机系统模仿真实系统，进而创建一个可用于体验的虚拟世界的技术。20 世纪80年代以来，虚拟仿真技术诞生并得到了迅速发展，国内外也将虚拟仿真技术应用于各个领域。在国外，虚拟仿真技术广泛应用于医学研究中，涉及牙科［1］、整形外科［2］、新生儿复苏［3］、护理教育［4］等领域。由于虚拟仿真技术可以满足年轻医生重复实践操作的需求，因而大大提高了使用者的实践能力。研究表明，虚拟仿真技术在学习动机和学习能力方面是最适合医学的应用，它作为一种课程学习的新方法是非常合适且有效的［5］。此外，虚拟仿真技术还应用于安全教育领域，包括地震安全防护［6］、火灾安全防护［7］等，用户能够在虚拟演习中学会如何应对灾难、如何在险境中生存。另外在陶艺设计［8］、音乐表演［9］等领域，虚拟仿真同样有着广泛的应用。国内则在各学科中开展虚拟仿真实验教学，涵盖机械加工［10］、制造系统设计［11］、土木工程设计［12］等多个领域。虚拟仿真技术可帮助教师进行教学，使学生更轻松地理解教学内容，同时促使学生掌握知识和技能，锻炼学生的创新思维。

本文较为系统地介绍了目前在线教学的现状和发展趋势，包括在线理论教学和在线实验教学。在线理论教学介绍了MOOC 教学和Zoom 类实时在线教学，并讨论了它们的发展趋势。在线实验教学主要对虚拟仿真实验教学的概念与内涵、现状作了较为详细的介绍。此外，针对材料科学领域的液态成形虚拟仿真实验教学的建设进行了进一步的探讨，液态成形虚拟仿真实验教学的开展将为材料学科实验教学的改进提供一条新的途径。

1 在线理论教学

1.1 MOOC教学

MOOC是大规模、开放式在线教学课程的简称，是信息时代背景下互联网技术不断普及和发展的产物。从2008 年至今的12 年间，MOOC诞生并迅速发展，目前已成为被广泛应用的线上学习平台之一。2008～2011 年之间，MOOC雏形出现；2012 年，MOOC 教学在全球飞速发展，美国、英国等纷纷建立了自己的MOOC平台；2013 年起［13］，我国高校也开始陆续进行MOOC建设，并设立“中国大学MOOC”频道，向全国高校提供MOOC课程平台。此外，在国家政府和教育部的极力推动下，国内部分商业网站也开始尝试MOOC 平台建设，如网易公开课、网易云课堂、新浪公开课等。据2019 年4 月的中国MOOC 大会提供的数据，我国的MOOC学习者超过2 亿人次，线上MOOC 达到12 500门，MOOC数量和应用规模稳居世界第一。

MOOC 具有开放性、交互性及自主性等特点［14］。相比于传统教学，MOOC 教学突破了时间和地域的限制，学习者可以随时随地获取海量的学习资源。由于优质的教育资源全球共享，MOOC 教学更大限度地实现了教育的公平。此外，它还满足了学生自主学习的需求，学习者可以根据自己的爱好或自身发展的需要进行学习。基于这些优势，MOOC 课程受到了大家的欢迎并在国内外广泛传播。

虽然MOOC 平台被广泛应用，但它还存在一些不足［15-16］。MOOC类课程种类及数量尚不完善，难以满足全日制学生专业学习及系统学习的需要；老师与学生之间互动不及时，课程中较少有学生参与活动［17］；线上学习没有合适的激励制度，导致学习者参与程度低，课程完成率低，学生流失率高，整体学习效果不理想［13］；对于完成线上课程的学生，只提供认可度并不高的认证证书而没有完善的学分转换制度。此外，由于只有少数拥有丰富资源的高校能够全面支持在线课程的建设，因而大多数高校和教师参与的积极性不高，这些因素都制约着MOOC教学的进一步普及。

综上所述，MOOC 教学拥有不同于传统教学的优势，可作为传统教学的补充而促进学生自主、全面的学习，同时也存在着很大的发展空间。MOOC 平台建设与运营水平的不断提高，课程内容与线上教学功能的不断完善将是MOOC教学的发展趋势。

1.2 Zoom类实时在线教学

Zoom是一种网络视频会议系统，它无缝融合了移动协作系统、多方云视频交互系统、在线会议系统，具有丰富的功能、较高的稳定性和极佳的平台兼容性［18］，广泛应用在教育、医疗、制造、金融等各行业。随着2006 年以来云计算技术的蓬勃发展及其在视频领域的深入应用，云视频会议也不断成熟并得到普及。在2020 年新型冠状病毒疫情期间倡导“停课不停学”的情况下，Zoom在线教学更是得到了快速的发展。

Zoom在线会议系统可以实现接近于日常班级授课的教学效果［18］。首先在参与人员方面，Zoom 打破了地域的限制，不同地点的学生可以同时参加同一门课程。它可以同时支持上百人的交流，而一般授课班级的人数只有40 人左右，它能够充分满足人数的要求。它可以实时显示上课人员，便于以实名制的方式统计出席人员。其次，Zoom会议系统有丰富的共享功能，如摄像头、电脑屏幕、电子白板等，使其可以满足除实物展示之外的绝大部分授课要求。基于这些功能，会议创建者可以赋予听众各种权限，如是否允许说话、打开视频等，从而实现师生之间良好的交互性。此外，Zoom会议系统兼容性强，学生可以通过智能手机、电脑等多种方式在不同场合实现互联功能。这些特征都有助于远程教育教学的顺利开展。

Zoom在线教学接近于传统教学的这一特点也决定了它有着与传统教学一样的不足［19］。Zoom 是实时在线的课程，因而不能打破时间的限制，教师和学生必须在同一时间进行教与学；基于这个特点，学生学习时难以结合自身基础进行更慢节奏或快进式学习，学习的自主选择性降低。Zoom 在线教学课程必须有教师参与每一堂授课，导致一个教师的课程不能像MOOC一样被大规模推广。虽然Zoom 存在录播功能，但录播课程的使用将以牺牲良好的互动性为代价，因此如何保持教师与学生互动性，同时又能提高教师资源利用率将是其重要发展方向。

基于上述特点，Zoom因在教学中扮演着与传统教学类似的角色而被广泛应用，尤其在提倡“停课不停学”这一特殊背景下，Zoom成功地克服地域的限制，更是得到了进一步的发展。Zoom 类视频会议系统与Canvas类在线学习管理系统结合使用，更好地发挥了网络教学系统的互补优势，在替代线下传统教学方面具有很大的潜力。但Zoom在课程规模及普及性方面的不足还尚待完善，这些改进将为Zoom 在教学领域的发展提供更大的可能。

1.3 在线教学发展趋势

在线教学作为知识传播的新模式，引发了现代教育领域的重大变革。目前在线理论教学形式主要分为录播和直播，前者的代表是MOOC，后者的代表是Zoom在线教学，它们经过短短10 几年的发展而在教学领域取得了很大的成功，而且还具有更大的发展潜力。对于MOOC教学，最重要的是促进国内外优质教学资源不断整合，使课程更专业化、系统化、多元化，这将促进MOOC更加广泛的传播；其次，教师考核和学生学分认定工作的落实将极大调动教师与学生的积极性，促使越来越多的高校投入其中，使MOOC 资源更加丰富。对于Zoom 类在线教学，智能化将是一个可能的发展趋势，如通过机器人授课将会大大提高教师资源利用率，学生也可随时随地进行学习，这些将在很大程度上促进教学资源的普及。

随着教育的深化和改革，越来越多的院校和教育机构将会加入在线教学的潮流中，将在线教学与传统面对面教学结合起来，推动混合学习模式的发展将是教育的一个主流发展趋势，从而促使在线教学朝着多元化的方向发展。国内外更多院校的优质课程以及面向社会大众兴趣和刚需的课程会协同发展，逐渐成为在线课程的主流和核心。随着在线教学的深入发展，知识的传播将会更加便利，各国文化也会融合于教学而得到广泛传播。

2 在线实验教学

实验教学是培养综合型人才的重要实践性环节。随着计算机技术、通信技术、互联网平台等的发展，“互联网＋”得到充分深化。数据、人工智能技术飞速发展，使得教育迎来了智能云时代。手机、平板、便携式笔记本电脑的普及，更为在线实验教学提供了广阔的发展空间。

2.1 教学软件

仿真模拟是一种进行线上实验的有效方法。通过结合仿真工具以及最优化建模方法，可以构建一系列实验模型，增加学生对新生事物的感性认知，提高学生的学习积极性，并帮助他们理解较抽象的理论知识点，缓解实验教学的压力［20］。目前主要应用的模拟软件包括三维建模软件SolidWorks、CAD、UG等，有限元分析软件Ansys，还有大量专业性的模拟软件，如材料成形类的模拟软件Procast 和Anycasting、电路模拟软件Multisim、火灾动态仿真模拟软件Pyrosim［21］等。华剑等［22］提出将虚拟仿真软件SolidWorks、Ansys、Adams和Matlab用于机械专业教学的方法，结合机械原理、机械设计、机械控制工程基础等理论教学，实现理论与实践并重，进而提高学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

仿真模拟软件在实验教学中的应用既有其可取之处，也存在一定的不足［23］。仿真模拟软件内含有大量的专业素材，可以提高教师的效率，激发学生的学习积极性。学生利用已有知识进行模型的构建和分析，而模型的准确性可以有效地反映学生的知识储备。整个模型的建立过程可以有效激发学生求知欲和参与感，从而不断进行模型的完善以得到更精确的效果。基于这些优势，模拟软件可以作为教师考查学生思维能力的有效手段。但模拟软件在实验教学中的应用也存在一定的局限性。由于仿真模拟软件不能直观展示整个实验流程，学生还是不能真实地融入实验环境中，软件的使用必须和教师的指导相结合，因而在实验教学中不能取代老师的主导地位。此外，模拟仿真软件需要准确的参数设置，模型迭代运算数据较大，运算效率慢，并且不能保证模型最后求解的正确性，其使用范围大大被限制。

目前线上实验教学除了仿真模拟软件外，还包括线上线下混合教学的模式。在混合教学中，教师讲解部分是基于MOOC平台［24-27］以及各类云平台［28-29］，实验的操作部分还是通过线下进行，因而并不能实质性解决实验教学中的困难。综上所述，目前的模拟软件教学和线上线下混合模式教学还存在一定的不足，因而需要对实验教学的改革进行进一步探索。

2.2 虚拟仿真实验教学概念与内涵

基于目前线上实验教学的现状及需求，虚拟仿真教学应运而生。它既是深化实验教学供给侧结构性改革的成果，也是信息技术与实验教学深度融合的必然产物［30］。

虚拟仿真教学是指将虚拟实验技术与体验式教学相结合，学习者借助人机交互界面调节虚拟实验中的参数变量，通过观察、总结和归纳计算机仿真模拟结果而获取相应的知识技能［31］。它具有拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、节约实验成本、广泛的共享性等优点［32］。虚拟仿真实验教学资源开发流程简单清晰，一般包括原始素材获取、模型素材构建、动画程序开发及测试发布等环节［33］（见图1）。

图1 虚拟仿真教学资源开发流程

虚拟仿真与实验教学相结合，是实验教学改革方面的重大突破。在进行虚拟仿真项目建设时，应该符合人才培养目标，与教学大纲相适应，即要考虑专业教学体系、实验教学体系与实体实验教学项目有机统一，形成体系，这样既避免了重复和浪费，又使得课程层次丰富。项目建设的切入点应该是解决实体实验条件不具备或者运行困难的实验，这样才能充分发挥虚拟仿真技术的优势，不造成资源的浪费。此外，虚拟仿真项目作为资源建设的组成部分，既应该保证客观对象的完整性，又要使实验设计具有灵活性；在项目建设方面，要做到效益第一，共享优先。

2.3 虚拟仿真实验教学现状

教育部高度重视虚拟仿真实验教学项目的建设，并于2013 年和2017 年分别颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》以及《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》，自此，国内对虚拟仿真实验室的建设热情空前高涨。2014 年教育部批准了100 个国家级虚拟仿真实验教学中心，随后广泛地开展了虚拟仿真实验教学项目的建设。“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”（http：／ ／www.ilab-x.com）给出了目前各领域虚拟仿真建设的相关数据，如图2 所示，可见现有虚拟仿真实验项目涉及广泛，涵盖理工科领域、经济管理领域和医学领域，说明各领域均在大力进行虚拟仿真实验教学建设。

图2 目前虚拟仿真项目建设情况

在理工科领域，虚拟仿真技术使学生能够在课堂上体验工程设计、实验测试等过程，可以很好地克服实验教学中高危性、难操作等局限。其中在电气工程实验教学中，天津大学、东北电力大学、广西大学等进行了虚拟仿真实验教学资源的建设［34］，再现了电力工业各环节操作过程和运行状态，让学生了解了电力工程运行，同时避免了实际过程中高电压、大电流、接线复杂带来的强电威胁及安全隐患。此外，在化学教学中，东北大学化学实验中心针对高校化学实验存在的安全问题而开发了化学实验安全教育情景互动式虚拟仿真教学项目，在高度仿真的场景中，学生可以“看见危险，做到安全”［35］。平台设计集理论学习、实训操作和考核评定为一体，前两者将不能或难以实现的场景虚拟化、枯燥的知识和技能学习趣味化，极大地调动了学生自主学习的积极性，后者则将学生掌握的知识实时反馈给教师，有利于完整教学流程的开展。

3 材料科学虚拟仿真实验教学

3.1 专业基础课虚拟仿真实验教学

我国材料科学领域已经开始了虚拟仿真实验教学的实践［36-44］，涉及材料成形及控制工程专业、材料化学专业等多个方向。进行实验操作的前提是对基础专业知识的掌握，但由于材料学基础知识的微观性，学生在进行理解时会有很大的困难，因此虚拟仿真教学亟须应用于专业基础课程的建设中。

我国目前从事虚拟仿真项目建设的公司包括北京润尼尔网络科技有限公司（简称“润尼尔”）、曼恒数字技术股份有限公司等。根据润尼尔官方网站（https：／ ／www.rainier.net.cn）介绍，该公司已初步建设了关于材料科学基础课程的虚拟仿真教学项目，涵盖硬度测试等材料科学基础方向、拉伸试验等材料力学方向、固溶时效等金属材料方向等。这些材料学专业基础课程的初步建设，丰富了教学内容，弥补了各个方向在实际教学中的不足，大大提高了实验教学的效率，也为工程教学中实验的开展做了良好的铺垫。

3.2 液态成形虚拟仿真实验教学

液态成形是材料科学与工程专业的一个重要组成部分，其操作过程温度高，金属熔体的温度一般超过650 ℃，处理不好容易发生烫伤和烧伤，甚至发生爆炸，对于初学者来说很容易发生危险。此外，液态成形工艺过程复杂，生产周期长，影响因素众多，质量难以控制［45-46］。基于液态成形实验教学中遇到的困难，开展液态成形虚拟仿真实验教学成为一个重要方向。

目前已有的与液态成形相关的虚拟仿真实验教学只能进行相关实验操作的演示［46］，学生可以学习液态成形过程中的相关操作流程，但在学习过程中缺乏探究性和自主操作性，因而需要建立更完善的液态成形虚拟仿真系统。新的液态成形虚拟仿真系统将给出一定的模型，学生可以自主选择合金成分，在液态成形完成后还可以通过平台模拟计算得到相应的组织、结构、力学性能等，从而更好发挥虚拟仿真优势。

3.3 液态成形虚拟仿真教学实践与评价

液态成形虚拟仿真实验教学本着“以问题为导向、重视基本原理和实践、以学生为中心”的教学理念，在实施过程中采用“以虚补实、虚实结合”的建设思路，形成“环节虚拟演示，实验场景再现，关键知识提示，学生自主学习，教师考核评价”的教学方法。环节虚拟演示是通过虚拟仿真形式，将液态成形主要技术环节和过程逼真地演示出来；实验场景再现是按照“能实不虚，以虚补实”的要求，再现液态成形过程中的生产场景和实物实事，使学生在虚拟的教学环境中体验真实的现场实境；关键知识提示是将液态成形技术环节中的关键知识点和重要步骤通过弹窗形式进行提示，以增强学生对关键知识的掌握；学生自主学习是指学生可以根据需要对相关环节进行自主反复学习；教师考核评价是教师根据学生学习效果、实习报告完成情况等对学生进行考核评价。

通过液态成形虚拟仿真实验教学的建设，学生可以完成相应模块的学习，掌握液态成形相关基础知识及实际操作步骤，从而保证学生进入实际生产现场后可立即开展液态成形工作。其次，虚拟仿真教学资源还应实现共享，服务普通高校和专科院校液态成形专业的学生，提升液态成形一线从业人员的技术水平与操作技能。此外，虚拟仿真的建设应符合新工科示范课程的要求，形成具有不同教学方法和理念的评估和研究平台，为构建虚拟实验中心和虚拟实验数据中心提供基础，形成数字化实验研究、测试和学习平台。

液态成形虚拟仿真实验教学摆脱了传统的以教师讲授为主的教学方式，引导和鼓励学生自主学习，学生通过循序渐进的教学过程，逐步加深对液态成形过程的掌握。在平台考核模块中，将目前液态成形生产上遇到的真实问题、生产人员无法解决的技术难题直接移植到考核模块中，以充分发挥学生的聪明才智，让学生提供解决办法，培养其解决问题、开拓创新的能力，使教师的“教”变成了学生的“教”。此外，虚拟仿真实验平台将建成Web版本，学生、教师、生产人员可以不限时间、地点使用PC 进行操作。虚拟仿真实验平台将对普通高校和专科院校等开放，高校和社会人士均可登录平台进行实验，发挥真正的辐射推广、指导生产、服务社会的优势。

3.4 液态成形虚拟仿真教学发展趋势

基于金属材料的广泛应用，材料学仍然是未来需要大力投入研究的基础学科。液态成形作为材料科学与工程专业的一个重要分支，其实验教学尤为重要。虚拟仿真技术的应用将推动液态成形实验教学的改革，同时自身也需要不断地完善和发展。

液态成形虚拟仿真实验教学将在已有研究成果的基础上，不断扩大数据库，涵盖更多金属材料数据，满足不同金属材料方向的学习者的需求。其次，根据实验及理论计算结果建立合适的模型，预测不同参数的液态成形条件下的金属组织、性能等也是虚拟仿真实验教学的一个发展方向。此外，已有的虚拟仿真教学都是二维平面的演示，而将来很可能向三维方向发展，学生不仅可以通过观看视频进行学习，还能实际进行模拟操作，更能培养学生实践能力，为将来科研实验操作奠定一定的实践基础。

4 结语

实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，虚拟仿真作为教学改革的手段之一，结合了信息化时代教学的特点，弥补了各领域一些基础实验难于教学的困难，线上与线下教学相结合，使得实验教学更加个性化、智能化和泛在化。虚拟仿真实验教学的开展有利于学生对知识的掌握，具有很好的发展潜力。在各专业实验教学中，均可基于实验操作上的困难而研发自己的虚拟仿真系统，在此基础上建立庞大的数据库并配备配套的教学资源，使平台充分开放共享，满足更广泛的教学需求。