虚拟仿真实验教学方式在材料专业实践中的应用

摘"要：为加快高校教育改革步伐，促进高校加快建设与新时代人才培养需求相适应、与新技术相融合、与教育教学方式方法改革相配套的教育教学管理政策，国家大力提倡各高校利用当代先进的电子信息和网络开发技术，建设线上线下相结合的虚拟仿真实验课程体系。既能依据学科前沿动态与社会发展需求动态快速地更新知识体系，同时也丰富教学手段与资源，激发学生主动学习的内驱力，提升学生知识体系的全面性，最终体现高校知识体系综合性与时代性。

关键词：虚拟仿真；实验教学；材料专业

Abstract：In"order"to"improve"the"pace"of"education"reform"in"colleges"and"universities，and"to"promote"colleges"and"universities"to"accelerate"the"construction"of"education"and"teaching"management"policies"that"meet"the"needs"of"talent"training"in"the"new"era，integrate"with"new"technologies，and"match"the"reform"of"education"and"teaching"methods，the"state"strongly"encourages"colleges"and"universities"to"use"modern"advanced"electronic"information"and"network"development"technologies"to"build"a"virtual"simulation"experiment"course"system"that"combines"online"and"offline.It"can"not"only"update"the"knowledge"system"dynamically"and"quickly"according"to"the"cuttingedge"trends"of"disciplines"and"the"needs"of"social"development，but"also"enrich"the"teaching"methods"and"resources，stimulate"the"drive"of"students"to"actively"learn，improve"the"comprehensiveness"of"students'"knowledge"system，and"finally"reflect"the"comprehensiveness"of"the"knowledge"system"of"colleges"and"universities"and"The"Times.

Keywords：Virtual"simulation；experimental"teaching；material"major

实验课程作为高校人才培养体系的重要构成因素，比刻板而烦冗的理论课程更加有利于学生自主寻求原理，建构科学的知识系统，培养学生在专业领域的创新意识和解决复杂问题实践能力，提升学生专业知识水平和科学研究素养。实验教学质量的好与坏是检验高校人才培养质量和高校人才培养能力的基础依据。就现下而言，国内的高校教育正是处于内涵发展、提升质量、深化改革的关键时期和全面提高人才培养能力、建设高等教育强国的关键阶段。习近平总书记关于高校教育方向和育人理念做出重要论述，为贯彻落实《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》精神，各大高校必须着重突出全面提高人才综合能力培养这个教学核心点，夯实实验教学内容，提升高校实验教师的教学能力，最终推动实验教学方式方法和途径的创新，为我国高校教育高质量内涵发展提供有力支撑。虚拟仿真实验教学方式是一种新的实验教学途径，虚拟仿真将现实场景虚拟化，与多媒体介质、数据库以及信息网络通信等技术相结合，通过在虚拟课程体系内设计3D立体逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在一个轻松、自由、主动的拟现实化的场景中进行高效、安全且环保的实验项目，虚拟仿真实验中心的建立是高等学校实验教学信息化的重大举措，更是现代化教育的发展趋势，将会对我国高等教育质量的提高产生积极重要的作用［1］。

1"传统课程的弊端

材料科学是一门实验性、操作性很强的学科，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节［2］。为培养出符合社会需求的全能型高质量一流人才，在实践教学过程中必须实时跟进专业技术的新发展，将企业最新沿用的新技术融入高校的实践教学过程中。但某些重要的关键性技术往往存在一定的危险因素，对于有些需要在极端条件下进行的实验，传统的实验教学方式无法开展。而且最新的技术承载的仪器费用昂贵，对学院而言耗资巨大，无法大量购买，仪器设备台套数非常有限，而实验课程时间有限，所以不能确保每一个学生有机会动手操作实验仪器，导致失去实验课程真正的培养意义。除此之外，高校仪器设备更新迭代速度较慢，而在科技发展日新月异的新时代，高校实验设备往往很快就会落后于新技术设备，无法实现实时更新。材料专业部分实验时长较长，无法在有限的实验课时内完成实验全部内容，只好让助教或者老师提前完成一部分内容，以至于实验过程无法全面展示给学生，例如，材料的热处理和再结晶、钢材的轧制变形及再结晶等在有限的实验课程内都无法让学生操作全程。还有部分实验课程的内容重复了，让学生在实验过程中收获较少，无法对该实验产生兴趣。以上因素都会对传统实验持续性的开展产生限制，如若实验课程体系中未涉及该部分的内容，会导致学生对专业前沿科学研究很生疏，无法让学生的知识体系与时俱进。

2"虚拟仿真实验课程的优势

为了保证课程内容与时俱进，契合国家对人才培养的目标，需要有先进的课程教学理念，将虚拟仿真教学方式巧妙地融入教育教学全过程，让教学环节设计、语言的组织与课程的实施都要重点突出学生在课程中的中心地位。线上线下混合式虚拟仿真实验教学方法以学生作为课程的中心，用问题作为导向引导学生思考，鼓励学生主动探索，提升学生对课程的兴趣；以“学科融合、创新实践”为实验教学理念，以现代化电子科学技术为主要教学媒介，以改变上课场所为切入口，全面深入推进实验教学改革。与我院专业的实际教学情况相结合，在教学过程中，教师对关键场景及设备进行设置，学生则可以在教师设置的场景中以3D实景的形式进行自主式行走观察，对关键设备的属性参数、结构、分类等相关知识进行学习。整个实验教学过程都以学生自主学习为主，教师只需要在专业较强的内容上进行指导，师生共同完成实验项目，从而使学生获取知识。在设计全过程的每一个环节由教师和系统指导，发现问题并及时修正。教学活动的重心放在实验过程的自主体验上，有利于学生掌握知识的同时将所学的知识与现场的场景进行结合，做到知行合一。学生通过自身主动探索完成教学项目，激发学生对深入专业学习的热忱，有效调动学生学习的积极性，既掌握专业实践操作所需技能，提高动手能力，又掌握专业知识，学生在主动探索过程中暴露问题时，可以及时补充不足之处，从而培养学生创新精神、主动学习和自我反思的能力。

2.1"激发学生学习兴趣

实验教学作为培养工科人才不可取代的环节，对培养学生的创新水平和创造能力起着至关重要的作用。随着科技水平和信息技术的全面普及，电子产品在学习中的作用也有所体现，并被学生所喜爱。为促进学生对学习的积极性，将电子产品和课程相结合，将电子设备变成人人都能接触和使用的学习资源，这将很大程度地激发学生对课程的喜爱程度。虚拟仿真实验将改变以往枯燥单调的实验课程形式，将实验课程内容搭载成3D实物模拟场景，以极为丰富的内容和新颖的形式吸引学生，在虚拟的环境中，学生可以直接观察与虚拟的不同实验参数的系统互动，从而能够深入细致地了解实验的整个过程，包括宏观过程及微观过程。虚拟仿真的实验教学方式采用沉浸式的教学模式，让学生全身心地投入实验教学过程当中，这种直观、实时和互动的特点不仅激发了学生了解专业课程的兴趣，也有助于学生进行学习迁移。

2.2"提升学生学习能力

在虚拟环境中，学生可以通过改变试验环境的参数设置来进行反复练习操作，既能深化对已有理论知识的理解，又能获得制备工艺参数选择及优化的能力。学生可以通过单向练习模式提高实验操作熟练性，在此过程中也寻找出学习内容的薄弱之处，加深对实验过程的掌握；再自主进行实验内容设计，可以根据自身专业能力设定实验难度系数，采用这种灵活多变的方法，促使学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯，还能使学生将所学的专业理论知识用于实践当中，解决实际的专业问题。采用此种实验教学方法，使学生自身学习能力和探索精神不断得到提升。

2.3"提高学生学习效率

虚拟仿真教学方式给学生打造出一个能自主安排时间和学习场所的新型课堂。学生可以根据自己的时间，随时随地开始课程，不受周边环境的限制，也无须与班上其他同学同步，根据自己掌握的水平，自己设置实验难度，满足学生个性化发展需求，循序渐进地探索实验内容。同时也可以根据学生掌握的水平进行反复实验操作，直到全部掌握实验内容为止。如此一来，既能满足不同水平学生的需求，又能个性化培养学生，符合当下国家对高校学生培养的需求。学生可以更有针对性地检测学习成果，且不用将时间花费在去往教学楼的路上，学习时间更为集中。系统自动评分功能有助于学生得到及时反馈，从而帮助学生及时发现问题和解决问题，学生学习效率也因此大幅度提高。

3"虚拟课程体系的构建

材料科学与工程是实践性较强的工程应用型学科［3］。湘潭大学材料科学与工程学院（以下简称“本院”）人才培养计划中构建“材料设计—制备—性能—表征—服役”五个内容模块的实验教学体系，面向国家重大需求，以材料与力学交叉为特色，将工程实践与科学研究相结合，坚持“夯实基础、完善结构、强化实践、注重创新、加强应用”的人才培养理念，满足材料各本科专业复合型高素质人才培养的实践课程要求。在实验课程教学目标和改革方向上，本院主要围绕“材料的成分设计—制备工艺—性能检测—服役环境”的干线，以“材料”与“力学”相结合、“科学”与“工程”相结合为特色，依托学校建设的有线、无线网和核心机房，学校的“智慧校园”为智慧数据应用平台等提供了更大的发展空间。以服务实验教学、便于信息化管理为宗旨，现采购了虚拟化服务器，基于B/S结构的虚拟仿真实验教学综合平台，整合并形成材料科学基础、材料力学、材料测试技术、航空发动机热障涂层服役环境模拟和激光脉冲沉积等特色虚拟仿真实验项目群，为师生初步建立起智能开放的信息化实验教学云平台环境，丰富了实验教学体系。虚拟仿真课程平台的搭建，可将多项专业课程教学方式升级为线上线下混合式教学［4］。采取理论实践互补，利用线下课程将理论知识疏解导通，再通过实验课程将理论知识点融会贯通，但是部分抽象化的概念无法通过线下实验课程体现。此时可以利用线上虚拟仿真进行实验课程，将理论中涉及的一些抽象化、微观化的过程通过技术呈现在学生眼前，让学生将概念化的专业名词具体化。如此一来，不仅加深了学生对理论知识的理解，还能够通过虚拟现实增强技术等一系列“炫酷”技术激发学生对学习的热情与兴趣。本院虚拟仿真实验课程体系将以“虚实结合、能实不虚、以虚促实”为基本原则，全面开发虚拟实验，争取早日成立虚拟仿真国家示范实验中心。

4"虚拟课程的实施路径

虚拟仿真实验教学方法坚持以学生为中心，学生是课程的主导，由学生自主完成实验过程，操作实验装置，增强学生对知识获取的兴趣和能力。实验指导教师讲解实验设计的理论原理、实验方法和实验步骤，并对整个实验前、中、后全过程加以指导和引导，将丰富实用的专业理论知识和操作技能融合到生动有趣的教学活动中，以充分激发学生学习热情，强化学生的实际操作能力，巩固专业教学成果，提高教学质量，最终克服传统实验的诸多局限性（如效果差、环境恶劣、安全隐患大、成本高、难理解）［5］。实验过程中，教师将会分步对学生的操作进行记录，教师在旁观看学生的整个操作过程，并随时进行现场指导。系统通过学生在操作过程中存在的错误操作，给出实验操作分数，实验教师根据学生在操作过程中的熟练程度来判断学生的课前预习效果给出实验成绩，并与系统给出的分数相结合，由此完善整个实验的成绩评价机制。实验操作结束后，通过填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并对自己掌握的情况做出评价。学生根据每次实验的流畅程度和实验结果，可选择是否进行反复实验，可以根据每次实验过程中暴露的知识短板，为自身量身设计新的实验内容，从而补足短板，提高成绩。实验指导教师需要对学生的操作进行一一点评，针对部分在实验过程中没有进展的学生需要一对一指导，帮助学生掌握知识点。同时还要求学生与学生之间相互评价，取长补短，相互进步，如此一来，实现了师生互动与生生互动。这种方法不仅可以积极推动广大教师和学生投身新时代教与学变革实践，构建多类型、多样化的教学内容与课程体系，还能不断提高人才培养质量，为我省高质量发展提供更多人才支撑。

结语

实践教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、激发学生探索欲望、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的必要途径［68］。各高校发掘自身学科优势，立足自身学科特点，在新时代高校教育改革政策的召唤下，开发出线上线下虚实结合的新型实验课程教学途径，通过“虚实融合”的方式将学生全方位培养成理论知识扎实、动手能力过硬、科研素养优良的全能型综合人才，使学生既具备快速融入工作平台的能力，也有继续深造的坚实基础，真正培养成国家的栋梁之材。

参考文献：

［1］高圆，席生岐，孙巧艳，等.虚拟仿真技术在材料实验教学中的应用探讨［J］.中国现代教育装备，2016（05）：9498.

［2］李亮亮，赵玉珍，李正操.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设［J］.实验技术与管理，2014，31（2）：58.

［3］潘清林，黄继武，徐国富，等.材料科学与工程实验教学中心的改革与实践［J］.实验室研究与探索，2009，28（01）：1114+38.

［4］逄兰芹.基于资源库平台和智慧教室的混合式教学实践［J］.当代教育实践与教学研究（电子刊），2018（11）：522523.

［5］陈宇，肖逸锋，钱锦文.新工科背景下虚拟焊接实验教学改革［J］.电焊机，2019，49（12）：117120.

［6］孙建林，熊小涛，于广华，等.传承与创新——建设国家级材料教学实验示范中心服务本科实验教学与创新人才培养［J］.实验技术与管理，2011，28（06）：279280+284.

［7］嵇炜.浅谈高校实践教育与创新教育的研究［J］.教育现代化，2017，4（47）：5455.

［8］梅书霞，谢峻林.关于在校本科生科技创新能力培养措施的探讨［J］.理工高教研究，2010，29（01）：4649.

基金项目：教育部产学合作协同育人项目2024年第一批次（项目号：231106665170655、231007544232712）

作者简介：刘艳（1991—"），女，汉族，湖南邵阳人，硕士，实验师，研究方向：材料专业实验室管理及教学。