虛擬仿真技術(shù)在材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

李江+盧艷麗+王永欣

摘要：利用虛擬仿真技術(shù)，有效緩解當(dāng)前材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問題。建設(shè)包括管理和虛擬系統(tǒng)兩個(gè)部分在內(nèi)的虛擬仿真課堂，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括全局演示、指導(dǎo)教師操作演示、主觀操作模擬實(shí)驗(yàn)和互動交流四個(gè)部分。通過試推廣表明，仿真技術(shù)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相互配合，可增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和教學(xué)效果，緩解了當(dāng)前材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)有效降低實(shí)驗(yàn)對教學(xué)資源的依賴性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；材料學(xué)科

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）27-0267-02

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院校歷來特別重視的教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的職責(zé)，尤其是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)特別明顯的材料學(xué)科更是如此。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)開設(shè)材料科學(xué)與工程一級學(xué)科的高校均實(shí)行大類培養(yǎng)，對所有材料學(xué)科的本科生均開設(shè)了諸多專業(yè)基礎(chǔ)課。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的多樣性和破壞性，其呈現(xiàn)出課時(shí)多、班級多、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、實(shí)驗(yàn)消耗大、耗時(shí)長、設(shè)備儀器復(fù)雜和占地面積較多等特征。尤其在招生規(guī)模擴(kuò)大和實(shí)行小班分組教學(xué)之后，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境越發(fā)明顯，實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)常呈現(xiàn)顧此失彼、疲于奔命的情況。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

當(dāng)前，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有一定的局限性，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）培養(yǎng)方式一成不變，學(xué)生在接受實(shí)驗(yàn)授課時(shí)為“多對一”的培養(yǎng)模式，也就是一個(gè)老師要為一個(gè)班甚至一個(gè)學(xué)院來做服務(wù)；（2）由于課時(shí)關(guān)系，在有限的課堂時(shí)間內(nèi)，學(xué)生的接受能力有限，難以在有限時(shí)間內(nèi)充分理解課程內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)，經(jīng)常是一知半解，課后的習(xí)題和報(bào)告冊也是草草了事，效果非常不好；（3）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上很少有參與感，親身感覺還不夠到位；（4）實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍整體水平還不夠高，個(gè)別教師長期為一線實(shí)驗(yàn)操作人員，難以科學(xué)地、直觀地展示所有教學(xué)內(nèi)容，展示的深度和廣度還不夠；（5）實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺各司其政，實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的優(yōu)質(zhì)數(shù)字化資源沒有充分系統(tǒng)化和條理化，各個(gè)平臺上的教學(xué)資源不能得到有效共享，沒有使其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益得到最大化的利用。

三、虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

近些年逐漸興起的虛擬仿真技術(shù)日益成熟，也逐漸應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)的逐漸興起可以利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境，將多源信息的交互式三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，能夠生成近似真實(shí)環(huán)境的視覺、聽覺、觸覺、感覺等感知信息的虛擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的混合世界體驗(yàn)，達(dá)到虛擬仿真的終極形態(tài)。美國學(xué)者Ivan Sutherland提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念的雛形，其是利用計(jì)算機(jī)生成一種三維模擬環(huán)境，通過各種傳感設(shè)備和輸入輸出設(shè)備，使得用戶有親身經(jīng)歷的感覺?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)可以使得學(xué)生在客戶端下載APP或者在電腦前就可以完成以前必須進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室才能完成的實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目。借助專用設(shè)備和虛擬仿真技術(shù)具有的多感知性和模擬的浸沒感，使得用戶感到自己以第一主角的身份存在于模擬環(huán)境中，借助理想的模擬環(huán)境完全投入到三維虛擬世界中去。而且，學(xué)生能夠在體驗(yàn)過程中感受到最為重點(diǎn)和直觀的知識點(diǎn)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率更高。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用使得現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺套數(shù)不足和實(shí)驗(yàn)教師不足的情況得以緩解。而且，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程可重復(fù)性好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)掌握得更好。

四、材料學(xué)科的虛擬仿真課堂建設(shè)

1.虛擬仿真課堂構(gòu)成。材料學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂建設(shè)包括管理和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩個(gè)部分，如圖1所示，其中，管理包括材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)課堂的學(xué)生管理、實(shí)物實(shí)驗(yàn)預(yù)約申請和結(jié)果評定；虛擬系統(tǒng)指的是具體的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括全局演示、指導(dǎo)教師操作演示、主觀操作模擬實(shí)驗(yàn)和互動交流四個(gè)部分。

2.虛擬仿真課堂功能。進(jìn)入虛擬仿真課堂主界面后，選擇不同模塊進(jìn)入不同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如：《材料科學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)中的原子堆垛方式、三元相圖和《材料的力學(xué)性能》實(shí)驗(yàn)中的斷裂韌性試驗(yàn)等內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都包含以下內(nèi)容：（1）全局展示：在虛擬仿真課堂開始，對實(shí)驗(yàn)中展示具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本原理、實(shí)驗(yàn)依據(jù)、設(shè)備操作步驟、試驗(yàn)方法制定過程、數(shù)據(jù)結(jié)果格式進(jìn)行全局展示。學(xué)生可以通過原理展示對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程有一個(gè)總體的把握。（2）指導(dǎo)教師操作演示：在掌握原理之后，實(shí)驗(yàn)教師通過規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作步驟對具體的細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的講解，利用虛擬課堂中便捷的圖文并茂的方式，使得學(xué)生快速、有效了解實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)結(jié)果處理方法。（3）主觀操作模擬實(shí)驗(yàn)：這一部分是整個(gè)虛擬仿真課堂的核心部分，學(xué)生在客戶端通過自行操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，操作錯誤會及時(shí)給出錯誤提示，并解釋原因。學(xué)生可以通過自行設(shè)置樣品尺寸、試驗(yàn)參數(shù)、變形條件、環(huán)境溫度等信息，從而得到不同的試驗(yàn)結(jié)果，并輔助以實(shí)物實(shí)驗(yàn)的視頻資料作為參考，最終提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)自動進(jìn)行打分排名。（4）互動交流：學(xué)生在虛擬仿真課堂中遇到的問題和疑難點(diǎn)通過在線與實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行交流或者通過學(xué)生之間進(jìn)行分享，教師實(shí)時(shí)可以監(jiān)測學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)度及出錯情況，優(yōu)選出錯率最多的部分進(jìn)行著重講解。

五、使用效果及未來展望

重點(diǎn)探索研究虛擬仿真技術(shù)在材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用，利用所建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了部分材料學(xué)科的虛擬課堂建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生管理和虛擬平臺的運(yùn)行。通過對部分小班實(shí)行的試用效果表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以充分調(diào)動學(xué)生的主動性，緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、場地不足等矛盾，更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。具有以下使用效果：

1.以《材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)》為例，由于實(shí)物實(shí)驗(yàn)多為破壞性、不可逆、一次性的實(shí)驗(yàn)，從原材料采購、熱處理再到機(jī)加工為樣品，整個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程耗時(shí)長、成本高，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂，大大降低實(shí)驗(yàn)成本，在明顯提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)有效降低實(shí)驗(yàn)對教學(xué)資源的依賴性。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中的原理伴隨實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行介紹，通過局部過程的放大來加深理解，個(gè)別不易觀察和內(nèi)部組織演變可以通過三維建模進(jìn)行展示，使得學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由內(nèi)及外充分了解，而且可重復(fù)性非常高。

3.可以滿足批量的本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，足夠的虛擬仿真設(shè)備臺套數(shù)可以用一次性投入滿足相當(dāng)長一段時(shí)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容可以直接在已有設(shè)備上進(jìn)行建設(shè)，一次投入，長期受益，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不再為設(shè)備臺套數(shù)不足而限制。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂具有開放性和共享性，開放課堂不受時(shí)間和空間限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地反復(fù)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教師也可以根據(jù)最新科研進(jìn)展對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行更新和補(bǔ)充，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，緊跟學(xué)科發(fā)展方向。

5.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂是對真實(shí)實(shí)驗(yàn)課堂的一種理想簡化，對于不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，考慮影響因素的個(gè)數(shù)不同對于結(jié)果影響非常明顯。因此，在后期的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過程中要考慮更多、更全面的影響因素與影響可能，加入與實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件更為接近的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)因素影響效果，使得虛擬仿真效果更加逼真。

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Abstract：The virtual simulation technology is used to alleviate the problems existing in the current experimental teaching of materials science. It includes two parts：management and virtual system，each of which consists of the following parts：the global demonstration，the instruction operation demonstration，the subjective operation simulation experiment and the interactive communication in four parts. The promotion shows that simulation and experiment with each other，can enhance the teaching efficiency and teaching effect，alleviate the existing material discipline problems in the experimental teaching，improve the teaching quality and effectively reduce the dependence on the experimental teaching resources.

Key words：virtual simulation；experimental teaching；materials science