材料成型虛擬實驗平臺建設(shè)與管理

劉 麗，王 斌，易 鋒，申文竹

(西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500)

·實驗建設(shè)與管理·

材料成型虛擬實驗平臺建設(shè)與管理

劉 麗，王 斌，易 鋒，申文竹

(西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500)

虛擬實驗室建設(shè)是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一個重要途徑。該文結(jié)合專業(yè)的工作環(huán)境和實驗條件，對材料成型數(shù)字化實驗平臺建設(shè)的必要性進(jìn)行了分析，闡述了虛擬實驗平臺建設(shè)的主要內(nèi)容，探討了實驗平臺開放與管理 ，以“虛實結(jié)合”的教學(xué)方式培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

虛擬實驗室；材料成型；建設(shè)；管理

黨的十八大和“教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見”都對培養(yǎng)目標(biāo)提出了要求，明確指出要全面實施素質(zhì)教育，強化實踐育人環(huán)節(jié)，增加實踐教學(xué)比重，提升實驗教學(xué)水平，目的是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神。同時，要求加強信息化資源共享平臺建設(shè)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享。而教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)中的發(fā)展任務(wù)之一就是要推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)的融合，建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具，利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式，提高信息化教學(xué)水平。因此，虛擬實驗室建設(shè)已成為各高校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享的重要途徑[1-3]。

1 材料成型數(shù)字化虛擬實驗室平臺建設(shè)的必要性

隨著高校持續(xù)擴(kuò)招，我國高教規(guī)模躍居世界第一。作為石油高校的材料學(xué)科，本院由于建設(shè)時間短，底子薄，與重點大學(xué)材料學(xué)科相比，實驗教學(xué)資源明顯不足，尤其是涉及材料加工、成型等專業(yè)方向，設(shè)備臺套數(shù)少，且多為大型重裝設(shè)備，占地面積大，設(shè)備價值高，需要配套設(shè)備多，運行費用高昂。另外，加工過程可能涉及高溫、高壓，甚至有弧電，單獨用實物在實驗室進(jìn)行材料加工類教學(xué)實驗，存在能耗高、污染大、風(fēng)險大、安全隱患高等弊端，致使學(xué)生動手機會少，實驗教學(xué)效果難以達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)的要求。因此，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式和手段必須被打破。作為以培養(yǎng)從事各種材料的制備、加工成型、工藝設(shè)計等方面工作的高級技術(shù)應(yīng)用性專門人才為目標(biāo)的材料學(xué)科，學(xué)生的動手實踐能力極為重要。我們只有充分利用現(xiàn)代模擬和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效整合現(xiàn)有資源，遵循虛實結(jié)合、能實不虛的原則，建設(shè)出材料成型與加工類數(shù)字化虛擬實驗平臺，來解決投入大、能耗高、風(fēng)險大，安全隱患大的問題，才能提升專業(yè)實驗教學(xué)效果，切實培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才[4]。

2 虛擬實驗平臺建設(shè)的主要內(nèi)容

2.1 建成具有材料學(xué)科內(nèi)涵的材料成型虛擬實驗教學(xué)體系和教學(xué)資源

按照材料學(xué)科“設(shè)計—加工—結(jié)構(gòu)—性能”的體系內(nèi)涵，結(jié)合具體的實驗項目，采取虛實結(jié)合的方式構(gòu)建了虛擬實驗教學(xué)體系。材料成型加工過程復(fù)雜，影響參數(shù)眾多，眾多參數(shù)往往又交叉影響，共同影響了材料的結(jié)構(gòu)與性能。虛擬實驗利用JSCAST鑄造成型軟件和DEFORM金屬塑性加工軟件開展液態(tài)成型仿真實驗和塑性加工模擬實驗，通過該平臺可開展高壓鑄造成型過程中流體的流動過程、大型鍛壓件高壓成型過程以及金屬在模具中的固態(tài)流動、鑄造過程中的溫度與應(yīng)力變化模擬等仿真實驗教學(xué)，讓同學(xué)們利用成型仿真軟件了解液態(tài)成型過程參數(shù)變化對液態(tài)充型過程、溫度場、應(yīng)力場變化的影響，預(yù)測鑄件缺陷，然后再改變鑄造工藝，修正成型參數(shù)，分析每個因素對鑄件成型過程的影響規(guī)律。結(jié)合“鋁合金的熔煉與成型”現(xiàn)場實物試驗，通過虛實結(jié)合的方式加深了學(xué)生對液態(tài)成型過程的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維意識與工程實踐能力。SYSWELD焊接專業(yè)仿真軟件具有優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，預(yù)測焊接缺陷的功能，在進(jìn)行實物焊接的基礎(chǔ)上，學(xué)生可運用仿真軟件自主選擇不同焊接方法與焊接參數(shù)(焊接材料、焊接電流、焊接電壓、焊接速度)、通過焊接仿真模擬來預(yù)測焊接過程中母材組織以及性能變化規(guī)律，從而預(yù)測焊接缺陷出現(xiàn)的類型、部位與尺寸，彌補了實驗室實物焊接所不能達(dá)到的效果。

2.2 建設(shè)一支技術(shù)過硬，滿足人才培養(yǎng)要求的實驗教師隊伍

2.3 建立一套能較好滿足自主開放實驗要求的管理制度

為充分發(fā)揮實驗室開放要求，實驗教學(xué)中心建立了信息共享開放服務(wù)平臺，包括實驗教學(xué)、實驗信息、設(shè)備及其狀態(tài)信息、規(guī)章制度及院校相關(guān)新聞資訊，也包括對實驗中心的管理體制、儀器設(shè)備的管理模式以及學(xué)生實驗預(yù)約等內(nèi)容。

為確保虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)和良好的運行，實驗教學(xué)中心嚴(yán)格落實學(xué)校關(guān)于“深化改革，提升本科人才培養(yǎng)質(zhì)量”的相關(guān)制度要求，嚴(yán)格落實西南石油大學(xué)關(guān)于加強實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的實施意見，并結(jié)合本學(xué)院工作實際制定了材料科學(xué)與工程學(xué)院虛擬實驗室運行管理辦法、材料科學(xué)與工程學(xué)院虛擬實驗室開放管理制度、材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)中心突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案等相關(guān)制度文件。

2.4 構(gòu)建滿足本地和異地人員共享、全面自主開放的系統(tǒng)管理平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺依托學(xué)校數(shù)字化現(xiàn)代教育系統(tǒng)和材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)全校教學(xué)資源共享，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，完善實驗室管理。平臺根據(jù)教師需求、學(xué)生需求和實驗技術(shù)人員需求分別進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計不同用戶的操作權(quán)限和登陸辦法，以實現(xiàn)學(xué)生預(yù)約、教師監(jiān)控和實驗技術(shù)人員的管理。虛擬實驗平臺可承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計、課外開放實驗、學(xué)生創(chuàng)新項目、各種技能大賽及科研項目等，亦可對社會公眾服務(wù)。為了讓虛擬實驗平臺的實際應(yīng)用效率更高，實驗教學(xué)平臺采用靈活的排課方式，既可以統(tǒng)一安排，也可以學(xué)生自選。提供教學(xué)活動社區(qū)，學(xué)生針對實驗過程存在的問題可在后臺與老師進(jìn)行交流和溝通，完成教師和學(xué)生的在線互動[5]，實驗管理人員也可直觀了解實驗的基本情況。此外，實驗教學(xué)中心建立了實驗設(shè)備在線展示平臺，對實驗中心具有的大型設(shè)備進(jìn)行了型號與放置地點的說明，并提供文字操作流程說明和視頻畫面操作演示，加大大型儀器設(shè)備為學(xué)生創(chuàng)新實驗以及為油田、地方企業(yè)的服務(wù)力度，提高大型儀器設(shè)備的使用效益。

利用預(yù)建的平臺，本、碩、博同學(xué)可完成材料的設(shè)計、加工及力學(xué)行為的仿真過程；同學(xué)們可改變加工邊界條件，觀察其加工過程、加工質(zhì)量的影響，預(yù)測出現(xiàn)缺陷的部位與尺寸。可利用該平臺完成本科學(xué)生的畢業(yè)論文、課外開放創(chuàng)新試驗以及學(xué)科競賽等，也可以在平臺上完成相關(guān)科學(xué)研究。

3 虛擬實驗平臺的管理與開放

在傳統(tǒng)實驗中引入新的實驗?zāi)Ｊ降耐瑫r，必須引入新的管理技術(shù)，尤其是面向教學(xué)的開放實驗項目管理，必須借助現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺才能有效開展[6]。

因此，開放實驗是虛擬實驗室建設(shè)的基本要求，也是虛擬實驗室主要特點之一，本虛擬實驗平臺實行開放預(yù)約機制。利用預(yù)約機制，可以更大限度的實現(xiàn)虛擬實驗資源共享[7]，學(xué)生可通過預(yù)約進(jìn)入虛擬實驗室，進(jìn)行課程實驗或自主實驗設(shè)計，老師也可以借用實驗室資源進(jìn)行科研任務(wù)或?qū)嶒炇已芯抗ぷ?。一方面，預(yù)約可以控制同一時段登陸系統(tǒng)的實驗人數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)通暢，在保證對實時性要求較高的實驗質(zhì)量的同時，可以優(yōu)先安排有學(xué)分要求的學(xué)生完成實驗項目；另一方面，利用預(yù)約機制可以進(jìn)行一部分真實實驗，做到虛擬實驗室和開放式實驗室相結(jié)合[8]，學(xué)生在實驗前可通過虛擬設(shè)備進(jìn)行仿真，有了一定的感性認(rèn)知后，就會把實驗重點放在關(guān)鍵步驟和易出錯環(huán)節(jié)，這樣有針對性地進(jìn)行實驗，不僅可以大大地提高實驗成功率，而且這種“虛實結(jié)合“的教學(xué)方式更益于學(xué)生創(chuàng)新能力及分析能力的提高[9]。

預(yù)約機制在方便學(xué)生實驗的同時，還可以提高實驗室管理人員的管理質(zhì)量和工作效率，保證實驗教學(xué)有序進(jìn)行[10]。

為了保障實驗教學(xué)和開放的需要，中心已形成了一套完整而行之有效的管理辦法和規(guī)章制度，嚴(yán)格按照材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)中心的日常管理制度和學(xué)校網(wǎng)絡(luò)安全管理條例進(jìn)行管理，嚴(yán)格執(zhí)行實驗申請預(yù)約、實驗計劃執(zhí)行并做好實驗記錄，嚴(yán)格實驗儀器和材料的領(lǐng)取、登記、報廢、賠償?shù)裙芾碇贫?，落實教師績效考評制度和獎懲措施，嚴(yán)格執(zhí)行學(xué)生考核和成績評定。實驗項目的具體實施實行指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)制，實驗室負(fù)責(zé)日常管理，學(xué)生要進(jìn)入實驗室，必須由本人提交預(yù)約申請，在通過管理員的審核后按照指定時間和地點赴約。如果遇到時間沖突無法按照約定時間進(jìn)入實驗室，學(xué)生必須提前一周以上提出退約，并寫出書面報告交到實驗室予以登記。同一個用戶不能在同一時間預(yù)約多個實驗，同一個實驗項目原則上只允許預(yù)約一次。實驗室在得到用戶預(yù)約請求之后，要及時予以回復(fù)，如果遇到臨時停電、儀器設(shè)備故障等突發(fā)狀況，系統(tǒng)管理員會及時在留言板發(fā)布信息，通過溝通互動，更好地推進(jìn)虛擬實驗室教學(xué)。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，全國很多高校都在實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，其主要特點之一就是強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力[11-12]。作為工科專業(yè)，本院早已啟動并實施了國際焊接工程師和熱處理工程師的培養(yǎng)，但并不是所有學(xué)生都有機會進(jìn)入卓越班。而虛擬實驗則解決了傳統(tǒng)理論教學(xué)與工程化培養(yǎng)之間的矛盾，在減少實驗成本和潛在危害的同時，為學(xué)生提供理論認(rèn)知與動手實踐的實驗環(huán)境，克服了實驗課程內(nèi)容單一，學(xué)生興趣不高的弊端，使學(xué)生可以根據(jù)實驗要求靈活地進(jìn)行實驗設(shè)計，通過“虛實結(jié)合”的試驗方式，提高了實驗效果，更有利于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

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Construction and Management for Materials Virtual Experiments

LIU Li, WANG Bin, YI Feng, SHEN Wenzhu

(School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The construction of virtual material laboratory is an important way to realize the sharing of high quality resources and cultivate the students’ innovation ability.Based on the professional working environment and experimental conditions, this paper analyzes the necessity of the construction of the material forming digital experimental platform.describes the main contents of the virtual experiment platform construction, discusses the opening and management of the experimental platform.It is hoped to cultivate a spirit of innovative and practical ability of talents.

virtual laboratory; material forming; construction; management

2015-09-14；修改日期:2015-10-08

西南石油大學(xué)校級重點教改支持項目(X15021301015)。

劉麗(1976-)，女，高級實驗師，主要從事實驗技術(shù)和管理方面的工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.042