材料成型虛擬實驗平臺的建設及實踐

申文竹　王斌　易鋒　劉麗　武斌

[摘 要]為探索學生成長發(fā)展的新途徑和新模式，西南石油大學積極啟動了第二課堂建設工作，以人才培養(yǎng)為中心、以指導教師隊伍建設為重點，打造管理規(guī)范、內容豐富、實效性強的第二課堂活動，以提升學生綜合素質，促進學生成長成才。通過材料成型虛擬實驗平臺的建設，整合教師和軟件資源，拓展軟件實驗教學功能，促進教學科研互動，能實現(xiàn)科研成果向實驗教學內容的有效轉化；創(chuàng)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境，能彌補材料類專業(yè)實踐教學所存在的不足，提升學生學習興趣，提高實驗教學效果，有效解決學生能力培養(yǎng)問題，為應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)創(chuàng)造有利條件。

[關鍵詞]材料成型；虛擬平臺；系統(tǒng)仿真；實驗教學

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0072-02

西南石油大學材料控制與成型專業(yè)是2010年獲批的新辦專業(yè)，由于該專業(yè)的實驗設備多為大型重裝設備，占地面積大，設備臺套數(shù)少，運行成本高，能耗污染大，加之該專業(yè)社會需求大，學生人數(shù)多，傳統(tǒng)實驗教學模式難以滿足其培養(yǎng)要求，設計型、創(chuàng)新型實驗更無法開展。因此，其急需通過數(shù)字化虛擬實驗教學，以低成本、不受限制（時間和空間）方式，作為傳統(tǒng)實驗教學的補充和補強。[1]

一、平臺建設

學院在建院之初制定本科生培養(yǎng)方案時，面向全專業(yè)本科生開設了計算機在材料科學中的應用課程，系統(tǒng)地向學生介紹了計算機技術及網絡技術在材料科學研究中的應用，使學生初步掌握在材料科學研究領域中更好地應用計算機的思路、方法和原理。2004年進行相關調研和探索后，在學校支持下，學院于2005年購置了JS？鄄CAST鑄造成型軟件，組建了鑄造成型仿真實驗教學實驗室，2012年和2015年分別購置DEFORM成型軟件和Simufact.welding軟件，相繼開設了七項虛擬仿真實驗教學項目，如表1所示。

2015-2016學年度參加學生學習人時數(shù)達1544人時數(shù)，較好解決了材料成型過程中的結構性能變化的可視化問題，為工藝方法、工藝參數(shù)的優(yōu)化設計、缺陷預測等奠定了基礎，增加了學習的形象性、興趣性，為學生走上工作崗位、扎根企業(yè)提供了良好的前期準備基礎。

二、基于實驗平臺的虛擬教學

（一）第二課堂活動

為探索學生成長發(fā)展的新途徑和新模式，我校積極啟動第二課堂建設工作，以人才培養(yǎng)為中心、以指導教師隊伍建設為重點，打造管理規(guī)范、內容豐富、實效性強的第二課堂活動，以提升學生綜合素質，促進學生成長成才。其中，借助虛擬仿真平臺，開設了“材料相圖的仿真實驗訓練”活動。該活動受到廣泛歡迎，吸引了材料學院材科、材控、新能源等多個專業(yè)、不同年級的本科學生和研究生參加。該活動對學生進行了材料相圖基礎知識的理論培訓和相圖計算軟件的操作應用培訓；開展了材料相圖的仿真實驗訓練，進行了仿真實驗結果分析；最后經過相應的考核，加深學生對材料相圖的運用及新材料設計的認識。該活動影響深刻，取得了圓滿的成功。

（二）專題知識講座

大學知識講座不僅可以擴展學生知識面，開闊學生知識視野，還可以活躍學術氛圍，優(yōu)化知識結構，對學生綜合素質的提升、理論研究和學術創(chuàng)新具有良好的促進作用。依托仿真平臺，積極開展相關計算軟件和虛擬知識應用的專題講座，不僅可以增加學生對前沿性的理論知識的討論，更能發(fā)掘他們的學術興趣、增強學術功底。

在“基于分子動力學法進行材料微觀結構計算” 的專題講座中，教師將微觀分子數(shù)據(jù)轉換為圖形或圖像在計算機屏幕上顯示出來，經過綜合交互處理，通過結構分析、模擬、數(shù)據(jù)處理一體化技術，從微觀角度揭示結構與性能的關系，預報各種材料學相關的現(xiàn)象，解釋材料的微觀至宏觀的各種性質，進行各種材料如合金、陶瓷、高分子材料的優(yōu)化與設計。

在“Materials Studio計算軟件和CASTEP模塊簡介”講座中，教師介紹了Materials Studio軟件的CASTEP模塊程序包的用途和使用方法。通過該種計算軟件，可以計算具有周期性結構的材料對應的晶體結構、電子結構和光電性質等。通過第一性原理開展的材料電子行為的虛擬仿真實驗講座，教師形象地講解了量子力學、固體物理與半導體物理中的理論知識，將抽象的公式形象化、具體化，引導學生進入原子和電子的微觀領域，提高學生的學習熱情和積極性。

（三）學科競賽和科技創(chuàng)新等活動

學院調研了虛擬仿真各項全國賽事，積極組織學生參與相關賽事和挑戰(zhàn)杯等，通過課賽結合、以賽促學的育人模式，提高學生的工程實踐能力和應用創(chuàng)新能力。[2]2016年，學院首次組織了2組6名學生參加基于JSCAST的“永冠杯”第七屆中國大學生鑄造工藝設計大賽，獲優(yōu)勝獎和參與獎各一項。雖然沒有獲得較好的成績，但是參賽學生紛紛表示，參加這次大賽，提高了他們對鑄造工藝設計的感知和對鑄造的熱愛，也增加了他們對鑄造的專業(yè)理論知識和生產實際的了解。

為了使學生盡快融入科學研究的氛圍，我院鼓勵教師將最新的研究成果傳授給學生并增設相關實驗項目，讓學生參與到科研課題中，同時，很多學生的畢業(yè)設計題目都來源于教師科研項目。我院于2010年申請建立油氣田材料四川省高校重點實驗室并獲批，再次推動了我院工程領域人才培養(yǎng)實驗教學的改革。近三年來，基于虛擬仿真實驗平臺，我院完成虛擬類各類大學生開放實驗14余項，執(zhí)行省高校重點實驗室開放基金項目15余項，近三年參加虛擬項目開放基金的學生達120余人次，完成虛擬類畢業(yè)設計94人，科技創(chuàng)新活動受益面廣。

三、進一步研究與實踐的思路

經過幾年的研究實踐，材料成型數(shù)字化虛擬實驗平臺的建設初見成效：擁有了兩臺服務器、31臺終端電腦、各類大型專業(yè)軟件等軟硬件設施齊全的獨立虛擬仿真實驗室；探索了一套“虛實結合、以虛補實、能實不虛”的實驗教學方法及模式；建設了一支技術過硬，滿足虛擬仿真人才培養(yǎng)要求的實驗教師隊伍；建立了滿足自主開放實驗要求的管理制度等。2013年獲得了“材料成型數(shù)字化虛擬實驗室平臺建設”校級重點教改項目的資助；2014年獲得了校級虛擬仿真實驗教學中心培養(yǎng)項目資助。但是，虛擬仿真技術涉及大量的動畫、影像資料的制作和處理，還要有較高的程序代碼識別和編寫能力，具有較高的前期制作成本和深厚的計算機編程功底，現(xiàn)階段仍處于起步階段。

下一階段我們將結合自身教學實際，擴大虛擬仿真技術的應用范圍，將材料成型虛擬實驗平臺的成功經驗滲透到材料學科其他專業(yè)，整合教師科研資源，分別搭建材料成型虛擬實驗平臺、材料設計計算仿真平臺和材料力學與工程仿真平臺。三大平臺的共同構建可以滿足材料學科“設計—加工—結構—性能”四要素的實驗教學要求，解決傳統(tǒng)實驗中的教學難題，實現(xiàn)一些實體實驗中實驗現(xiàn)象的可視化，有效降低實驗成本，使“投入大、能耗高、風險大、安全隱患大”等實際問題得以解決，使一些條件不具備的實驗可以重復實驗，隨時實驗，增加實驗教學的形象性及吸引力，提升教學效果。

首先，開設更多的基于虛擬仿真的專業(yè)探索實驗項目，促進精品課程和虛擬實驗教材的建設；開設更多的與之相關的第二課堂和相關軟件使用的專題講座和學術報告，鼓勵更多學生參與到虛擬仿真開放實驗項目和創(chuàng)新實驗中。

其次，大型分析測試儀器是高等學校的寶貴實驗資源，代表了先進的測試水平和發(fā)展方向。但是由于大型分析測試儀器價值昂貴，臺套數(shù)少，并且需經專業(yè)培訓后才可以操作使用，因此，探索虛擬仿真技術在大型儀器設備上的開發(fā)和應用，搭建大型儀器設備虛擬仿真實驗教學平臺也成為很多高校虛擬實驗平臺建設的重要方向。

再次，要構建一個基于網絡化的開放式實驗教學管理系統(tǒng)?？梢詫⑻摂M實驗室和開放式實驗室相結合，使學生能夠利用自己的時間通過預約的方式進行有效的仿真實驗，并通過虛擬設備進行實驗創(chuàng)新。

四、結語

我校通過材料成型虛擬實驗平臺的建設，整合教師和軟件資源，拓展軟件實驗教學功能，促進教學科研互動，實現(xiàn)科研成果向實驗教學內容的有效轉化；創(chuàng)建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環(huán)境，彌補材料類專業(yè)實踐教學所存在的不足，提升學生學習興趣，提高實驗教學效果，有效解決學生能力培養(yǎng)問題，為應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)創(chuàng)造有利條件。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014（2）：5-8.

[2] 游磊，淡艷，張志強.以科技競賽為核心搭建多維實踐教學平臺的研究[J].教育與教學研究，2014（8）：86-88.

[責任編輯：劉鳳華]