材料科學(xué)與工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

梁李敏 陳學(xué)廣 劉 哲 何 珺 范佳薇

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300401）

0 引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革相結(jié)合的創(chuàng)新目標(biāo)和產(chǎn)物。國(guó)家《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高[2012] 4 號(hào)）中提出了強(qiáng)調(diào)實(shí)踐育人的措施，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》也指出，建設(shè)仿真實(shí)訓(xùn)基地等信息化教學(xué)實(shí)施，建設(shè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等關(guān)鍵領(lǐng)域的管理信息系統(tǒng)，建設(shè)支撐學(xué)生、教師和員工自主學(xué)習(xí)的科學(xué)管理的數(shù)字化環(huán)境，是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。

1 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的必要性

材料科學(xué)與工程專業(yè)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體技術(shù)構(gòu)建仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生自主地在開(kāi)放的虛擬仿真平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能，可以有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。[1-5]材料科學(xué)與工程專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在一些普遍性的問(wèn)題，一些專業(yè)實(shí)驗(yàn)要求在高溫、高壓、高危險(xiǎn)等極端條件下操作，一些物理化學(xué)類的實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中使用到有毒或易爆的原料或化學(xué)藥品，[6,7]一些微觀尺度的實(shí)驗(yàn)，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段來(lái)觀察。一些涉及大型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)，受到實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)的限制，無(wú)法滿足學(xué)生的動(dòng)手要求。[8,9]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展可以有效地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)周期長(zhǎng)、投入大、設(shè)備功能缺乏等問(wèn)題，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中人力、物力和財(cái)力的投入，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，保障實(shí)驗(yàn)有效地正常開(kāi)展。另外，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)更具有開(kāi)放性，可以打破時(shí)間和空間的限制，可以根據(jù)專業(yè)、興趣和愛(ài)好自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析評(píng)價(jià)等。學(xué)生由傳統(tǒng)的被動(dòng)地接受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)變到主動(dòng)地參與和掌控實(shí)驗(yàn)過(guò)程，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要根據(jù)專業(yè)情況和人才培養(yǎng)方案來(lái)制定，材料科學(xué)與工程專業(yè)有金屬材料、材料成型、材料物理、功能材料和無(wú)機(jī)非金屬材料五大專業(yè)，學(xué)生的專業(yè)課程設(shè)置主要分為專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程和實(shí)習(xí)類課程三大類。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須本著“虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充，能實(shí)不虛”的原則，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃，開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)課程。根據(jù)對(duì)材料專業(yè)特點(diǎn)、培養(yǎng)計(jì)劃和培養(yǎng)目標(biāo)的綜合考慮，我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要分為微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真、材料檢測(cè)虛擬仿真、極端條件專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真和實(shí)習(xí)實(shí)踐虛擬仿真模塊四大部分。

2.1 微結(jié)構(gòu)材料虛擬仿真模塊

在開(kāi)設(shè)專業(yè)課程之前，材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能和材料物理性能等專業(yè)基礎(chǔ)課程是材料學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。在這些課程中，晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)和分析，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料物理化學(xué)性能的影響都是課程教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。將虛擬仿真技術(shù)與微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將抽象和微觀的晶體幾何形態(tài)和點(diǎn)陣用三維模型在虛擬平臺(tái)上可視化，從而建立晶體結(jié)構(gòu)與材料物性的直觀連接。微結(jié)構(gòu)虛擬仿真模塊主要可以分為兩個(gè)方面：一是微結(jié)構(gòu)材料理論模型的建立，材料結(jié)構(gòu)的理論模型可以根據(jù)材料的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)材料體系的空間尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。材料結(jié)構(gòu)的建?？梢圆捎每梢暬缑娴慕＼浖aterial studio 和MAPS 等，學(xué)生能根據(jù)需要搭建不同維度不同尺寸的結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)加深對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的了解。二是材料物理性質(zhì)分析的虛擬模塊，在建立結(jié)構(gòu)材料模型的基礎(chǔ)上，利用material studio, MAPS, MedeA 等計(jì)算軟件包中的分子動(dòng)力學(xué)方法模塊、蒙特卡洛方法模塊和第一型原理計(jì)算模塊對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)搜索，執(zhí)行物理性能的模擬計(jì)算。學(xué)生在執(zhí)行物理性能模擬計(jì)算的過(guò)程中，可以設(shè)置通過(guò)的參數(shù)，得到不同的結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對(duì)材料物性的理解，為學(xué)生提供基本的科研訓(xùn)練和研究手段。

2.2 材料檢測(cè)虛擬仿真模塊

現(xiàn)代材料分析方法是材料科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，課程開(kāi)設(shè)的目的是讓學(xué)生掌握現(xiàn)代材料的各種測(cè)試方法，了解測(cè)試設(shè)備的基本原理、結(jié)構(gòu)和圖譜數(shù)據(jù)分析方法等，為大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打好基礎(chǔ)?，F(xiàn)代材料分析方法實(shí)驗(yàn)課程自開(kāi)設(shè)以來(lái)也存在著一些問(wèn)題。對(duì)于材料科學(xué)工程學(xué)院來(lái)說(shuō)，不同的專業(yè)所學(xué)材料的種類不同，因此材料的測(cè)試方法也存在著差異。另外，現(xiàn)代材料分析方法實(shí)驗(yàn)課程涉及的設(shè)備都是大型精密儀器設(shè)備，設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備的臺(tái)套數(shù)只有一臺(tái)，無(wú)法滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)際操作要求。學(xué)生幾乎沒(méi)有獨(dú)立操作設(shè)備的機(jī)會(huì)，學(xué)生對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)停留在書(shū)面知識(shí)上，缺少實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，一定程度上影響了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合各學(xué)科各專業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)，搭建大型分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，虛擬仿真測(cè)試樣品數(shù)據(jù)庫(kù)里不僅要包含各專業(yè)典型材料的測(cè)試參數(shù)及圖譜，同時(shí)也要將一些當(dāng)前科技發(fā)展前沿的材料納入數(shù)據(jù)庫(kù)中。不僅可以增加學(xué)生對(duì)微觀分析技術(shù)的興趣，同時(shí)加深了學(xué)生對(duì)各種檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用的了解，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，對(duì)學(xué)生以后從事新材料相關(guān)的生產(chǎn)和研究有極大的幫助。

2.3 極端條件下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

對(duì)于材料專業(yè)類的學(xué)生來(lái)說(shuō)，專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)比較齊全，這些專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)不虛，讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。但是專業(yè)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生不能全程參與到實(shí)驗(yàn)中，無(wú)法觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。例如：鋼鐵冶金課程中的煉鋼實(shí)驗(yàn)，材料成型專業(yè)中的液態(tài)金屬澆注實(shí)驗(yàn)等。由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)安全性等條件的限制，目前這些實(shí)驗(yàn)課程都是采用演示觀摩的方式進(jìn)行授課。對(duì)于這些極端條件下的實(shí)驗(yàn)課程，可以搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，模擬材料制備加工過(guò)程的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)需求改變實(shí)驗(yàn)條件，如：改變實(shí)驗(yàn)原材料的添加，改變實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度，改變樣品成型的模具等，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程的調(diào)試，達(dá)到學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。同時(shí)，原有的演示觀摩實(shí)驗(yàn)也不能取消，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和目前的實(shí)驗(yàn)授課方式虛實(shí)結(jié)合，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

2.4 虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)習(xí)模式

實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)于材料專業(yè)人才的培養(yǎng)必不可少，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)在大學(xué)的課程中占了重要比例。但是工廠企業(yè)為了學(xué)生的安全考慮，原有的知識(shí)應(yīng)用與生產(chǎn)實(shí)踐變成了走馬觀花式的觀摩過(guò)程，學(xué)生無(wú)法深入地了解整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，以及生產(chǎn)過(guò)程中涉及的科學(xué)問(wèn)題，從而制約了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)習(xí)模式就是要構(gòu)建實(shí)訓(xùn)數(shù)字化資源體系的實(shí)踐場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)“虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程觀摩，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)習(xí)訓(xùn)練”三位一體的現(xiàn)代實(shí)習(xí)訓(xùn)練教學(xué)模式。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)要與專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)相結(jié)合，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件應(yīng)主要包括實(shí)訓(xùn)環(huán)境三維虛擬仿真、工藝設(shè)備的展示和工藝流程的自動(dòng)仿真演示等。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真訓(xùn)練與生產(chǎn)實(shí)習(xí)相結(jié)合，虛實(shí)并進(jìn)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的三維虛擬，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行瀏覽，對(duì)主要的工藝過(guò)程進(jìn)行三維虛擬，進(jìn)行工藝操作參數(shù)的選擇和主要工藝過(guò)程的仿真操作。因此，加強(qiáng)校企合作數(shù)字化虛擬資源的建設(shè)，將虛擬實(shí)訓(xùn)和專業(yè)實(shí)習(xí)相結(jié)合的模式，發(fā)揮虛擬實(shí)訓(xùn)參與方式靈活和學(xué)生參與度的覆蓋面，更好的促進(jìn)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

材料學(xué)科是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，為了培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在向“基礎(chǔ)性、綜合性、實(shí)踐性、創(chuàng)新型”的新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過(guò)渡。從我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)際出發(fā)，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的不足，制定了適合我校材料專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。希望借助多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)率和學(xué)生的參與率，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，促進(jìn)創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。