材料測試虛擬實驗平臺建立探索

陳碧波， 袁定重， 黃 斌

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

材料測試虛擬實驗平臺建立探索

陳碧波， 袁定重， 黃 斌

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

引入現(xiàn)代信息技術(shù)，建立了材料測試虛擬實驗室。通過本虛擬實驗室，實現(xiàn)高度仿真的虛擬環(huán)境和虛擬對象，拓展理論知識和真實實驗的維度和精確度，實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)，通過人機交互方式，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)自主意識和創(chuàng)新能力。虛擬實驗室基于真實實驗室資源數(shù)據(jù)，豐富了教學(xué)資源，顯著降低了教學(xué)投入成本。

材料測試；虛擬；實驗平臺

虛擬實驗是以計算機設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，建立虛擬實驗場景，通過人機交互方式，按教學(xué)大綱要求，將各種虛擬的儀器組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，并實時傳遞用戶數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。實驗操作者完全可以采用和真實實驗完全相同的操作步驟，從而在遠(yuǎn)端設(shè)備上完成各種預(yù)定的實驗項目。

近年來，國內(nèi)的許多高校建立了虛擬實驗室，展開了形式多樣的科研教學(xué)項目[1-12]。核科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，戴上3D眼鏡，投影幕上立刻呈現(xiàn)虛擬的三維核電站，核島、主控室一覽無余，可以走走停停，身臨其境地了解一座龐大復(fù)雜的核電站如何有序運行；機務(wù)維修工程專業(yè)的學(xué)生，借助交互手柄，可以對3D虛擬駕駛艙里的飛行設(shè)備進(jìn)行“拆裝”，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成；藝術(shù)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生，可以在等比例大小的三維虛擬環(huán)境中一邊瀏覽淋浴房，一邊進(jìn)行設(shè)計調(diào)整；在高度逼真的火災(zāi)事故環(huán)境中，武裝警察學(xué)院的學(xué)生，可以拿起虛擬“滅火器”撲滅火焰，也可以訓(xùn)練突發(fā)事故的臨場處置能力；石油大學(xué)的學(xué)生，可以在三維虛擬培訓(xùn)環(huán)境中，熟悉石油開采的操作及工藝流程，加深對抽象知識的理解……虛擬現(xiàn)實技術(shù)充分利用計算機硬件和軟件資源，將為各學(xué)科領(lǐng)域構(gòu)建一個高度逼真的創(chuàng)新實驗平臺。虛擬實驗教學(xué)是信息技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的重大應(yīng)用，特別是在理論與實踐結(jié)合的高校教學(xué)思維下，建立了一條實用高效的橋梁，因此這種應(yīng)用也成為強化實驗室建設(shè)、改革實驗教學(xué)手段的一個重要發(fā)展方向。

1 材料測試虛擬實驗室的設(shè)計思路

作為一般本科院校，學(xué)校近年來在實驗設(shè)備建設(shè)方面有了很大的投入，但是對于材料類大型測試設(shè)備基于單臺價格動輒幾百萬甚或上千萬，因而占有數(shù)量仍是屈指可數(shù)。像X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀等能精確評價材料性能特征的設(shè)備，單臺套購置成本甚高，維護(hù)成本高，學(xué)生很難徹底理解其原理和功用。購置成本稍低的設(shè)備臺套數(shù)有限，生均實驗時間很低，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀性和時效性，無形中降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。為了提高材料類專業(yè)內(nèi)容交叉，堅持學(xué)生素質(zhì)結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，引進(jìn)信息化教育后，必然對傳統(tǒng)實驗室的模式有所創(chuàng)新，既補充和深化了實驗教學(xué)，又發(fā)揮了以學(xué)生為本的教育理念。

1.1 材料測試虛擬實驗室的構(gòu)成

根據(jù)常規(guī)材料測試實驗項目的內(nèi)容，材料測試虛擬實驗選擇了材料測試中必選實驗項目，所涵蓋的實驗項目分為無機金屬材料測試實驗和高分子材料測試實驗。

無機金屬材料測試實驗：紅外光譜儀、紫外可見光譜儀、偏光顯微鏡、差熱分析儀、原子力顯微鏡對材料結(jié)構(gòu)的測試。

高分子材料測試實驗：高分子材料拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能測試、材料擠出粘彈性測試。

1.2 材料測試虛擬實驗室的建設(shè)目標(biāo)

(1)高度仿真的虛擬環(huán)境和虛擬對象。材料測試虛擬實驗室通過建立3D模型，輔助動態(tài)運行軌跡，配合聲音，形象地表達(dá)出內(nèi)在的測試原理，由學(xué)生調(diào)節(jié)、控制各種變量的輸入，虛擬實驗室實時反饋出測試過程和測試結(jié)果到顯示屏或者3D眼鏡等接收設(shè)備上，增強學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中的交互性和直觀性，在仿真環(huán)境中全面體會理論與實踐的特殊結(jié)合形式，深入了解知識的內(nèi)涵，全面提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新綜合能力。

(2)拓展理論知識和真實實驗的維度和精確度。材料測試虛擬實驗室設(shè)計力求真實準(zhǔn)確地還原測試原理和測試結(jié)果，多角度展示因素對結(jié)果的影響，突破真實實驗的維度，展現(xiàn)更精確的實驗操作條件和設(shè)備的精確控制，避免真實實驗的人為因素，更有利于掌握測試方法的準(zhǔn)確性。

(3)通過人機交互的模式實時網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)。學(xué)生根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和個人知識需求選擇目標(biāo)實驗，遠(yuǎn)程系統(tǒng)能夠?qū)崟r更正學(xué)生的錯誤，實驗完成后學(xué)生可隨時登錄系統(tǒng)復(fù)習(xí)和重復(fù)實操實驗，強化實驗知識內(nèi)容。

(4)實時反饋實驗內(nèi)容信息，可隨時更新實驗項目。材料測試虛擬實驗室預(yù)備了豐富的外設(shè)接口，能通過物聯(lián)網(wǎng)等途徑增加更多的測試設(shè)備，提供更加豐富的虛擬測試項目。

(5)可供外部需求共享同一教學(xué)資源，有效降低教學(xué)投入成本。材料測試虛擬實驗系統(tǒng)實驗成本低，不受時間和次數(shù)限制，可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線模擬實驗。對比真實實驗，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的高效性和安全性減少了實體實驗室巨大的投資，節(jié)省教育教學(xué)經(jīng)費用以開展更多的實踐教學(xué)項目。

1.3 材料測試虛擬實驗室的基本模式

本虛擬實驗室主要是基于互聯(lián)網(wǎng)，操作途徑為學(xué)生從計算機終端通過WEB瀏覽器進(jìn)行，一般無需下載、安裝其它應(yīng)用軟件。如使用可視佩戴設(shè)備如3D眼鏡等，需要系統(tǒng)具備相應(yīng)的驅(qū)動程序且瀏覽器支持其使用。系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端應(yīng)盡量支持主流桌面系統(tǒng)或移動操作系統(tǒng)，如Linux系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)等。服務(wù)器端應(yīng)采用交互式Web3D技術(shù)，有完備的軟件接口和設(shè)備接口，能導(dǎo)入由其他軟件建立的模型或程序，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接真實設(shè)備，最終實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)能預(yù)約實時操控真實設(shè)備的效果。

2 材料測試虛擬實驗平臺的模塊功能

材料測試虛擬實驗平臺模塊(見圖1)分為三個部分：首頁層、實驗層和后臺層。本實驗平臺功能分析見表1。

圖1 材料測試虛擬實驗平臺模塊圖

3 結(jié)束語

虛擬實驗教學(xué)方式創(chuàng)造了 “身臨其境”的操作環(huán)境，實現(xiàn)了多環(huán)境下的學(xué)習(xí)氛圍，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面具有傳統(tǒng)教學(xué)模式不可比擬的優(yōu)勢。信息化技術(shù)的手段不斷更新，對教育理念和模式都會起到不可估量的作用。建立材料測試虛擬實驗室，充分發(fā)揮各種擁有不同教學(xué)資源的教學(xué)團(tuán)體的合作共享。針對材料類實驗的特殊環(huán)境和昂貴的設(shè)備投入，建立材料測試虛擬實驗室，提供了方便快捷的教學(xué)模式，滿足材料類學(xué)生初學(xué)專業(yè)知識的好奇心，為后階段專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。

表1 材料測試虛擬實驗平臺模塊功能分析表

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ExplorationofVirtualExperimentalPlatformofMaterialsTesting

CHEN Bi-bo, YUAN Ding-zhong, HUANG Bin

(SchoolofChemistry,BiologyandMaterialScience,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

By the introduction of modern information technology, we establish the materials testing virtual laboratory. Through this virtual laboratory, we achieve highly simulated virtual environment and virtual objects, expand the dimension and precision of theoretical knowledge and actual experiments, and implement real-time network teaching and distance teaching. Through the man-machine interaction, students’ autonomous learning consciousness and innovation ability are enhanced. The virtual laboratory based on real laboratory resources enriches high-quality teaching resources, and significantly reduces the cost of teaching equipment.

material testing; virtual; experimental platform

G642.0

A

1674-3512(2017)03-0276-03

2017-03-16

東華理工大學(xué)校級教改項目資助。

陳碧波(1978—)，男，湖北仙桃人，講師，工學(xué)碩士，主要從事高分子材料的改性與應(yīng)用研究。

陳碧波，袁定重，黃斌.材料測試虛擬實驗平臺建立探索[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2017，36(3)：276-278.

Chen Bi-bo, Yuan Ding-zhong, Huang Bin.Exploration of virtual experimental platform of materials testing[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2017，36(3)：276-278.