材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)踐

鄭 超, 宋立彬, 王新洪, 欒貽國, 趙國群

(1. 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061； 2. 山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南 250061)

在材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)過程中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有較高的比重,是實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)必不可少的內(nèi)容。然而,該專業(yè)相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有高危、高成本、高消耗等特點(diǎn),實(shí)際操作難度較大,嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,導(dǎo)致學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)不足,已經(jīng)成為專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的普遍共性問題[1-3]。多媒體、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用,促進(jìn)了高等教育教學(xué)的深層次變革和多元化發(fā)展,也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化帶來了契機(jī)和挑戰(zhàn)[4-5]。山東大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)結(jié)合當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)新變化,著力推動(dòng)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密融合,建設(shè)了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。本文以塑性成形與模具技術(shù)方向?yàn)槔?介紹了山東大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)近年來在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的一些探索,以及在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用效果與經(jīng)驗(yàn)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性和可行性

1.1 現(xiàn)階段真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

材料成型及控制工程是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè),實(shí)踐能力培養(yǎng)在本專業(yè)教學(xué)中具有非常重要的地位。該專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主,即學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)試樣,操作儀器設(shè)備,按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn),隨后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理,最終完成并上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過分析國內(nèi)高校同類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀[6-8],結(jié)合我校材料成型專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些共性問題,如：

(1) 材料成型相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備昂貴,占用空間大,數(shù)量和種類少,學(xué)生學(xué)習(xí)和使用設(shè)備時(shí)間少。以塑性成形與模具技術(shù)方向?yàn)槔?目前實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有了加工中心、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、線切割機(jī)床、注塑機(jī)、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等教學(xué)儀器設(shè)備,但由于價(jià)格較高(一般>10萬元/臺(tái)),普遍數(shù)量很少(大部分設(shè)備只有1臺(tái))。與此形成對(duì)比的是實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)較少,每名學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際的上機(jī)操作時(shí)間很短,且在實(shí)驗(yàn)前需要花費(fèi)大量時(shí)間用于儀器設(shè)備操作規(guī)程與安全注意事項(xiàng)的講解,導(dǎo)致動(dòng)手能力的訓(xùn)練不夠。

(2) 材料成型類的實(shí)驗(yàn)材料種類和規(guī)格多、消耗大,實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備能耗高,實(shí)驗(yàn)總體成本很高。以開式?jīng)_孔和環(huán)形件模鍛為例,每組學(xué)生均需要3個(gè)尺寸不等的鉛質(zhì)試件,而鉛試件的加工制備工序多、難度大,且有一定的污染性,外協(xié)加工時(shí)價(jià)格較高。在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中,設(shè)有模具制造教學(xué)環(huán)節(jié),如果對(duì)每名學(xué)生設(shè)計(jì)的產(chǎn)品均采用實(shí)際加工制造方法開展教學(xué),則加工周期長、原材料需求大,以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)無法滿足教學(xué)要求。

(3) “機(jī)械熱加工”的專業(yè)特點(diǎn)使實(shí)驗(yàn)帶有高危險(xiǎn)性,并導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目暫時(shí)無法開設(shè)。如在部分高溫實(shí)驗(yàn)中,為安全起見采取鉛質(zhì)試件代替鋼試件的加熱環(huán)節(jié),但這樣卻使學(xué)生無法直觀了解和準(zhǔn)確掌握材料成型過程中的加熱實(shí)踐知識(shí)。此外,剪板機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)等設(shè)備均具有一定的危險(xiǎn)性,由于學(xué)生對(duì)設(shè)備不熟悉,缺乏敬畏心,即便在室溫條件下開展實(shí)驗(yàn),仍可能在一定程度上威脅到學(xué)生的人身安全。一旦因?qū)W生誤操作導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障,設(shè)備維修和調(diào)試的周期長、費(fèi)用高,因此部分設(shè)備存在不讓用、不敢用、用不起等現(xiàn)實(shí)問題,最終導(dǎo)致學(xué)生不會(huì)用。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要意義

著名機(jī)械工程專家楊叔子院士曾指出先進(jìn)制造方法的發(fā)展趨勢,即“數(shù)”“自”“集”“網(wǎng)”“智”。而虛擬仿真技術(shù)是數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)、控制和制造中貫穿始終的必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。近年來,以信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展和日趨成熟,為材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的提質(zhì)增效帶來新的機(jī)遇。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中把“加快教育信息化進(jìn)程”單獨(dú)作為一部分進(jìn)行了專門闡述[9]。教育部也加強(qiáng)了對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo),制定了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》,明確了發(fā)展規(guī)劃及目標(biāo),即推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合,創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[10]。教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》也明確提出,要強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié),提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[11]。特別是在2013年,教育部《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》拉開了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的序幕,在高校掀起了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源和教學(xué)中心建設(shè)的熱潮[12-14]。

綜上可見,構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,發(fā)展和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化,既是國家對(duì)我國高等教育事業(yè)發(fā)展提出的新要求,也是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式深入改革的必然途徑。通過開發(fā)高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),形成以真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合為特征的完整的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,有望提升本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度,拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間和時(shí)間,增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí),從而適應(yīng)國家、社會(huì)對(duì)本專業(yè)人才的高素質(zhì)復(fù)合型要求。因此,結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱的要求,積極發(fā)展可靠、經(jīng)濟(jì)、安全、內(nèi)容豐富、受益面廣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,能夠有效克服真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的諸多限制,有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可行性

我校材料成型及控制工程專業(yè)是國家級(jí)高等學(xué)校特色專業(yè)、“卓越工程師教育培養(yǎng)試點(diǎn)”專業(yè)、教育部“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”專業(yè),也是學(xué)校國際化建設(shè)專業(yè)。擁有材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東省塑性成形仿真與模具工程技術(shù)研究中心及山東省現(xiàn)代焊接工程技術(shù)研究中心等科研平臺(tái)。擁有教師61人,其中教授(級(jí))27人,副教授(級(jí))24人,講師(級(jí))10人。專任教師絕大多數(shù)有博士學(xué)位，有企業(yè)工程經(jīng)歷、有國際焊接工程師證書或參與企業(yè)研發(fā)經(jīng)歷。本專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是山東省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——材料科學(xué)與工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要組成部分,實(shí)驗(yàn)室面積達(dá)3 000多m2,現(xiàn)有儀器設(shè)備1 000多臺(tái)套,價(jià)值4 200多萬元。上述基礎(chǔ)條件為實(shí)現(xiàn)學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了有力支撐和條件保障。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)概況

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路

結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展方向,堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想,以“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”為基本原則,以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心,以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能為建設(shè)任務(wù),涵蓋鍛壓、焊接、鑄造三大專業(yè)培養(yǎng)方向,建立材料成型及控制工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室,形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式,從而滿足本科教學(xué)大綱要求,實(shí)現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

由于本專業(yè)培養(yǎng)方向多、信息量大、涉及面廣,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中,確立了分專業(yè)方向、分期重點(diǎn)建設(shè)的思路。以學(xué)生培養(yǎng)需求為中心,選擇真實(shí)實(shí)驗(yàn)問題突出、建設(shè)要求迫切、教學(xué)資源基礎(chǔ)較好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目予以優(yōu)先建設(shè)。每建設(shè)一批項(xiàng)目,及時(shí)地將該部分內(nèi)容應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生反饋,總結(jié)教學(xué)過程中存在的問題及需進(jìn)一步完善的功能,從而對(duì)已建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)改進(jìn),最大程度提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)內(nèi)容

材料成型及控制工程專業(yè)塑性成形與模具技術(shù)方向聯(lián)合山東山大華天軟件有限公司,先后建立了模具虛擬裝配和模具虛擬制造兩個(gè)較為成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)由前臺(tái)部分和后臺(tái)部分組成。前臺(tái)部分包括實(shí)驗(yàn)性質(zhì)與目的、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)場景分布、實(shí)驗(yàn)操作圖片或視頻、虛擬交互實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容；后臺(tái)部分包括教學(xué)班級(jí)與學(xué)生管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容管理、實(shí)驗(yàn)成績管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱與管理等內(nèi)容。

2.2.1 模具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

結(jié)合專業(yè)教學(xué)與企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn),先后建設(shè)了包括單工序模、復(fù)合模、級(jí)進(jìn)模和汽車覆蓋件模具等多種模具的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。借助該系統(tǒng),學(xué)生能夠應(yīng)用三維交互技術(shù)模擬典型沖壓模具的拆卸與安裝過程。此外,學(xué)生還可以導(dǎo)入自己設(shè)計(jì)的模具零件三維數(shù)模,手動(dòng)安裝與拆卸零件,從而不斷豐富虛擬仿真教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的持續(xù)完善。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均按照實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)練習(xí)、實(shí)驗(yàn)考核流程進(jìn)行,并最終完成和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。圖1所示為模具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的操作界面。

下面以實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)環(huán)節(jié)為例,說明該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的功能。在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),系統(tǒng)提供了沖模零件(包括工作零件、定位零件、壓料/推件/卸料零件、導(dǎo)向零件、固定零件、緊固零件等)基本信息。每類零件用二維圖、三維圖或?qū)嵨飯D展示,通過文字或圖片方式說明每類零件的功能、常用材料、設(shè)計(jì)方法和選用原則。應(yīng)用內(nèi)置的華天軟件自主研發(fā)的SView瀏覽器展現(xiàn)模具結(jié)構(gòu),可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等視圖操作,支持零件移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、刪除等功能。在實(shí)驗(yàn)練習(xí)環(huán)節(jié),通過錄制拆裝動(dòng)畫、提供提示信息等生動(dòng)形象的方法方式來指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與進(jìn)行模具拆裝。學(xué)生按照預(yù)設(shè)的拆裝步驟手動(dòng)依次拆卸或安裝每個(gè)零件,拆裝練習(xí)過程不受時(shí)間限制。通過反復(fù)練習(xí),達(dá)到熟悉模具結(jié)構(gòu)、熟知零件功能、熟練拆裝操作的教學(xué)目的。圖2和圖3分別展示了模具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)環(huán)節(jié)。

圖2 模具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

圖3 模具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)練習(xí)環(huán)節(jié)

2.2.2 模具虛擬制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

該教學(xué)系統(tǒng)采用山東山大華天軟件有限公司開發(fā)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)SVMAN-M軟件。借助于該軟件,教師可以建立三維機(jī)加工藝樣例,學(xué)生可以學(xué)習(xí)、練習(xí)零件的機(jī)加工藝過程。該軟件主要包括工藝項(xiàng)目、特征提取、毛坯設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)4個(gè)功能模塊。工藝項(xiàng)目主要用來進(jìn)行零件的導(dǎo)入與屬性維護(hù)、工藝模型的打開與存儲(chǔ)。特征提取是指分析哪些面是加工面,并對(duì)這些加工面進(jìn)行加工方法的選擇設(shè)計(jì)。在完成加工方法鏈的設(shè)計(jì)之后,根據(jù)被加工特征的余量進(jìn)行毛坯模型的形狀和尺寸設(shè)計(jì)；毛坯類型支持棒料、方料、鑄鍛件快速創(chuàng)建,另外也支持外部毛坯模型的導(dǎo)入。工藝設(shè)計(jì)是安排加工順序,設(shè)計(jì)工藝過程,確定各工序工步的詳細(xì)加工工藝參數(shù)。

以下模座虛擬制造為例說明模具虛擬制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能。學(xué)生首先導(dǎo)入下模座零件三維數(shù)模,借助“零件屬性”可以查看零件的管理信息、生產(chǎn)信息、工藝信息等。在加工特征學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生學(xué)習(xí)查看下模座的哪些特征為加工特征,哪些特征為非加工特征,從而對(duì)零件的加工需求有較為全面的了解,為后續(xù)加工方法鏈的選擇設(shè)計(jì)和工藝過程的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。在加工方法鏈學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生根據(jù)下模座圖紙的技術(shù)要求,如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及其他技術(shù)要求等,對(duì)照學(xué)習(xí)加工方法的選擇設(shè)計(jì)。在毛坯設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)習(xí)各種毛坯的導(dǎo)入和創(chuàng)建方法,以及對(duì)設(shè)計(jì)的毛坯進(jìn)行相關(guān)編輯操作。在工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)下模座零件從毛坯到成品的制造全過程,通過交互式工藝設(shè)計(jì)過程詳細(xì)了解各機(jī)加工工步的工藝參數(shù)快速設(shè)計(jì)、編輯與修改方法,從而熟悉模具零件的制造過程。圖4所示為下模座虛擬制造的工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

圖4 下模座虛擬制造的工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

2.2.3 實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理

材料成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還具備實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理功能,如添加和管理教師、學(xué)生信息；通過用戶、角色、組三層結(jié)構(gòu)定義和維護(hù)組織結(jié)構(gòu)；采用規(guī)則授權(quán),可以對(duì)不同的組織、角色、用戶、數(shù)據(jù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型等設(shè)置不同權(quán)限,從而建立完善的權(quán)限管理；教師可以查詢和批閱每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并能夠按照學(xué)號(hào)進(jìn)行排序及導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告；教師可以按照學(xué)號(hào)、姓名、成績分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序,查看所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績,對(duì)成績進(jìn)行平均分計(jì)算統(tǒng)計(jì),并能夠以Excel表格導(dǎo)出成績等。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成效

模具虛擬裝配和模具虛擬制造兩個(gè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建立后,已連續(xù)在三屆材料成型及控制工程專業(yè)卓越工程師試驗(yàn)班和模具班使用,從教學(xué)過程和課后學(xué)生反饋來看,取得了很好的教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,要求學(xué)生單獨(dú)列出一節(jié),說明自己參與實(shí)驗(yàn)的體會(huì)及對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程的建議。通過匯總發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的認(rèn)可度較高,對(duì)于這一種新的教學(xué)模式充滿興趣,主動(dòng)參與積極性明顯提升。學(xué)生普遍認(rèn)為,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了更多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和操作機(jī)會(huì),對(duì)于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的理解更加深入,對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握更為牢固。另外,通過預(yù)先開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠更加清楚自己需要做什么、怎么做、為什么做,遇到問題時(shí)能夠通過個(gè)人思考、小組討論等方式嘗試解決,鍛煉了分析問題和解決問題的能力。顯然,實(shí)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,能夠有效克服真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多局限,更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的興趣,實(shí)驗(yàn)過程效率高,教學(xué)效果極為顯著。

本專業(yè)多年的教學(xué)實(shí)踐表明,采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足,實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能,使一些之前做不了、做不上、做不好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠順利開設(shè),彌補(bǔ)并提升了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,且在一定程度上延伸了課堂理論教學(xué)的功能。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)踐,進(jìn)一步總結(jié)了在材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢,如表1所示。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的持續(xù)改進(jìn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展,充分發(fā)揮了信息技術(shù)在高等教育教學(xué)中的作用,為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了生機(jī)和活力。然而,在教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn),作為一種新的教學(xué)模式,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在一些問題,亟需在建設(shè)和發(fā)展過程中予以重視和解決：

表1 材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬

(1) 在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中,教師與學(xué)生始終在一起,能夠?qū)崟r(shí)觀察和評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程,這為學(xué)生思想上重視實(shí)驗(yàn)、順利完成實(shí)驗(yàn)提供了保障。而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,由于學(xué)生可以隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn),師生可以線上進(jìn)行交流,因此教師與學(xué)生并不一定在一起。此時(shí),如何確保學(xué)生有足夠的實(shí)驗(yàn)投入時(shí)間,如何監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程,如何對(duì)虛擬教學(xué)結(jié)果進(jìn)行恰當(dāng)評(píng)價(jià)等,成為制約實(shí)驗(yàn)效果的重要因素。

(2) 目前我校材料成型及控制工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要在大四上學(xué)期開展,此時(shí)正逢學(xué)生找工作、準(zhǔn)備考研的關(guān)鍵時(shí)期,不可避免地存在時(shí)間上的沖突。如何在滿足教學(xué)大綱要求、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的前提下,探索更為靈活高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法,設(shè)計(jì)更具吸引力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)教案,形成更為合理的虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的教學(xué)方案,是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)面臨的重要課題。

(3) 2017年開始,教育部啟動(dòng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作,針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新要求和新標(biāo)準(zhǔn)。特別指出需高度重視項(xiàng)目的開放共享,搭建具有開放性、擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目運(yùn)行平臺(tái),滿足不同區(qū)域、不同層次、不同類型學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的需求。因此,以新時(shí)期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī),改進(jìn)和完善已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,以開放共享為目標(biāo)積極推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的在線可持續(xù)運(yùn)行,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員必須高度重視和著力落實(shí)的一項(xiàng)工作。

3 結(jié)語

材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn),教師能夠在虛擬環(huán)境中管理實(shí)驗(yàn),達(dá)到了優(yōu)化教育資源、有效提高教學(xué)質(zhì)量的目的,實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合。材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)一步強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),豐富已有的兩個(gè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)涵,積極開發(fā)新的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng),涵蓋更廣泛的專業(yè)內(nèi)容,面向更多學(xué)生開放,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展成為高素質(zhì)、創(chuàng)新型材料科學(xué)人才培養(yǎng)的重要平臺(tái)。