多媒體虛擬仿真技術(shù)在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用

申文竹，王 斌，劉 麗，武 斌，易 鋒

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

伴隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)高等教育的模式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，信息化元素大量的被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，先進(jìn)的多媒體技術(shù)、令人耳目一新的虛擬仿真再加上光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的現(xiàn)代化教育模式成為我國(guó)教育發(fā)展的新方向[1－3]。

材料科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，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)[4－5]。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中存在一些問(wèn)題限制了教學(xué)效果的提高，不利于創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力人才的培養(yǎng)[6]。為了促進(jìn) “卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，充分利用多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬仿真技術(shù)對(duì)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，已然成為目前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一，方法簡(jiǎn)單。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用的教學(xué)方法是以教師為中心，以傳授知識(shí)為主的單向傳遞模式。首先由教師講解，然后學(xué)生照著現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)步驟，按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；或者教師先講解實(shí)驗(yàn)原理，然后學(xué)生觀摩教師演示實(shí)驗(yàn)[7]。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在很大程度上讓學(xué)生 “被動(dòng)”學(xué)習(xí)，不能自主思考，沒(méi)有自己的想法和創(chuàng)意，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2)部分實(shí)驗(yàn)成本較高或者安全隱患高。

部分實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或試劑比較昂貴，考慮到實(shí)驗(yàn)成本，無(wú)法滿足每位學(xué)生的操作需求；材料加工設(shè)備多為大型重裝設(shè)備，占地面積大，設(shè)備價(jià)值高，需要配套設(shè)備多，運(yùn)行費(fèi)用高昂；同時(shí)加工過(guò)程涉及高溫、高壓，甚至有弧電，單獨(dú)用實(shí)物在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料加工類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，存在能耗高、污染大、風(fēng)險(xiǎn)大、安全隱患高等弊端，致使大多材料專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中以參觀實(shí)習(xí)為主，學(xué)習(xí)效果不太理想。

3)基于大型儀器設(shè)備開展的分析測(cè)試類實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期。

大型儀器價(jià)格昂貴，大多臺(tái)套數(shù)只有一兩臺(tái)，而實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，從而導(dǎo)致生均占有率極低，因此在測(cè)試學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的上機(jī)機(jī)會(huì)極為有限，加之大型分析儀器實(shí)驗(yàn)涉及的理論大多抽象難懂，實(shí)驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜繁多，教師只通過(guò)文字和少許圖片的方式講授實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不能把各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的操作方法及技術(shù)要點(diǎn)直觀、生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，同時(shí)在教師進(jìn)行動(dòng)作示范時(shí)，由于學(xué)生觀看角度不同、注意力集中程度不同，一次操作動(dòng)作示范也難以讓學(xué)生很好地掌握全部規(guī)范操作和動(dòng)作要領(lǐng)，最終導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)無(wú)法掌握，學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)。

4)微觀或極端條件下的實(shí)驗(yàn)無(wú)法開展。

像價(jià)電子結(jié)構(gòu)變化對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)而對(duì)性能的影響，材料表界面的吸脫附及化學(xué)反應(yīng)表征，如何根據(jù)材料的應(yīng)用和性能要求從原子和分子層面實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的設(shè)計(jì)，某些材料的制備和加工過(guò)程的真實(shí)實(shí)驗(yàn)很難捕捉到其極端條件下材料特征及行為的變化等諸如此類的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下無(wú)法開展，而與之相關(guān)的理論課程如量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、相圖等往往較為抽象，學(xué)生難以建立公式與應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)，利用傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)與難點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解。

5)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間和空間限制。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到學(xué)時(shí)和地點(diǎn)限制。雖然現(xiàn)階段大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放政策，但是某些大型儀器設(shè)備是由受過(guò)培訓(xùn)的專人操作，除了學(xué)生上課時(shí)間外，都在進(jìn)行各類表征分析測(cè)試，因此，學(xué)生只能在課程進(jìn)行過(guò)程中接觸到實(shí)驗(yàn)儀器，一旦結(jié)束課程離開課堂后，學(xué)生就沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室或接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一類課程，一旦離開實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)感到十分困難與抽象[8]。

2 多媒體虛擬仿真技術(shù)在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 多媒體顯微互動(dòng)系統(tǒng)的金相組織觀察與分析

材料科學(xué)基礎(chǔ)和金屬材料及熱處理課程中開設(shè)的金相實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面對(duì)實(shí)驗(yàn)人數(shù)多、要掌握的樣品種類和組織形態(tài)信息量較大等特點(diǎn)，學(xué)院引入了 “材料顯微組織實(shí)驗(yàn)示教系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過(guò)把金相顯微鏡和電腦連接，將金相顯微鏡下的視野直接投放到電腦屏幕顯示，并用局域網(wǎng)把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的電腦連接在一起，通過(guò)把電腦分為教師端和學(xué)生端實(shí)現(xiàn)不同的功能。教師端利用軟件可以監(jiān)看學(xué)生端，還可以將典型的金相圖譜展示給全班學(xué)生觀看，并進(jìn)行針對(duì)性的講解，從而更好地幫助學(xué)生掌握不同形態(tài)各異的金相組織。學(xué)生端不僅可以采集金相圖像，還可對(duì)金屬平均晶粒度進(jìn)行測(cè)定等。通過(guò)該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、全程監(jiān)控、及時(shí)反饋等功能[9]，也讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和教學(xué)效果都得到了顯著提高。

借助該系統(tǒng)，西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生不僅可以通過(guò)大學(xué)生開放性實(shí)驗(yàn)鞏固課內(nèi)知識(shí)，同時(shí)，多次參加全國(guó)金相技能大賽和材料綜合技能大賽等全國(guó)賽事，從2014年參賽以來(lái)，連續(xù)四年獲得一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

2.2 錄制大型分析儀器設(shè)備的操作視頻

材料科學(xué)與工程學(xué)院將價(jià)值在30萬(wàn)以上、使用機(jī)時(shí)數(shù)較高的大型分析儀器的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)錄制成系列視頻，替代教師課上的演示。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師向?qū)W生操作演示的過(guò)程里，部分學(xué)生跟不上、看不清，尤其是對(duì)電腦屏幕界面的參數(shù)設(shè)置和鼠標(biāo)操作不能詳細(xì)記錄，而通常情況下，儀器的操作演示不可逆，一般只進(jìn)行一次，不利于學(xué)生完全掌握儀器的操作流程。

通過(guò)播放錄制好的儀器操作視頻，彈性地增加了學(xué)生測(cè)試實(shí)驗(yàn)的課時(shí)，學(xué)生可以課前提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，同時(shí)，教師在講解過(guò)程中，還可以隨時(shí)暫停視頻，把關(guān)鍵動(dòng)作重復(fù)播放或?qū)⒉僮鬟^(guò)程中的注意事項(xiàng)強(qiáng)調(diào)給學(xué)生，使其對(duì)操作流程細(xì)節(jié)的記憶和理解更加清楚明了。如材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)型碩士培養(yǎng)要求中有一項(xiàng)要求，就是必須掌握一種大精設(shè)備的操作技能，并考取操作證書。通過(guò)錄制的大型儀器操作視頻，學(xué)生可根據(jù)自身專業(yè)方向和興趣愛(ài)好選擇學(xué)習(xí)種類，也可作為課外愛(ài)好鉆研探索。同時(shí)，錄制好的操作視頻，也可以為后期制作的大型儀器設(shè)備虛擬仿真平臺(tái)使用。

2.3 開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或工況環(huán)境，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或工程項(xiàng)目，獲得真實(shí)直觀的實(shí)驗(yàn)效果，展示不可視的結(jié)構(gòu)或原理，同時(shí)具有可控性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能、突破傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間、空間以及實(shí)驗(yàn)條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的重要方向[10－11]。

材料科學(xué)與工程學(xué)院早在2004年就進(jìn)行了相關(guān)研究和探索，在學(xué)校支持下于2005年開展了鑄造成型仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目研究，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等與材料科學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合[12]，開展高壓鑄造成型過(guò)程中流體的流動(dòng)過(guò)程、大型鍛壓件高壓成型過(guò)程以及金屬在模具中的固態(tài)流動(dòng)、鑄造過(guò)程中的溫度與應(yīng)力變化模擬等仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生利用成型仿真軟件完成了液態(tài)成型過(guò)程參數(shù)變化對(duì)液態(tài)充型過(guò)程、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化的影響，預(yù)測(cè)了鑄件缺陷，然后再改變鑄造工藝，修正成型參數(shù)，分析每個(gè)因素對(duì)鑄件成型過(guò)程的影響規(guī)律，結(jié)合 “鋁合金的熔煉與成型” “型砂性能評(píng)定及造型”等實(shí)物試驗(yàn)，加深了對(duì)液態(tài)成型過(guò)程的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維意識(shí)與工程實(shí)踐能力。

2012年開設(shè)了 “材料加工模擬與仿真”課程，進(jìn)行塑性成型模擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的探索，解決了塑性成型過(guò)程難以觀察與復(fù)制、材料成型加工中材料 “四要素”演變的教學(xué)困難。2014年增設(shè)了焊接數(shù)值模擬課程并開設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，可以定量分析焊接過(guò)程中各因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，可以分析焊接熱傳導(dǎo)、焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)、焊接電弧的傳熱傳質(zhì)過(guò)程、焊接變形和殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)等問(wèn)題[13]。

同時(shí)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師指導(dǎo)了相關(guān)學(xué)生的畢業(yè)論文以及課外開放試驗(yàn)，還指導(dǎo)學(xué)生積極參加各類虛擬仿真大賽，拓展了學(xué)生的實(shí)踐空間，增強(qiáng)了對(duì)專業(yè)理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際的了解。

3 結(jié)束語(yǔ)

材料學(xué)科人才的培養(yǎng)，涉及材料的設(shè)計(jì)、制備、加工及性能各個(gè)方面，是典型的理工結(jié)合專業(yè)。既要求學(xué)生有扎實(shí)的基礎(chǔ)、寬闊的知識(shí)面，又要求學(xué)生要有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。而傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)要求，借助于現(xiàn)代多媒體數(shù)值化技術(shù)、虛擬仿真和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將直觀生動(dòng)的圖像和豐富多彩的動(dòng)畫影音運(yùn)用于各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本原理和實(shí)驗(yàn)流程中，可以更加吸引學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的求知欲，同時(shí)規(guī)避能耗高、污染大、風(fēng)險(xiǎn)大、安全隱患高等弊端，讓學(xué)生根據(jù)理論學(xué)習(xí)的知識(shí)，利用加工虛擬仿真技術(shù)，虛實(shí)結(jié)合模擬材料加工過(guò)程行為，實(shí)踐模擬加工中的組織及性能的變化過(guò)程，可以有效提升教學(xué)效果。因此，充分挖掘和發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，可以提升學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解、實(shí)驗(yàn)技能的掌握、動(dòng)手能力的增強(qiáng)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。

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