基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的工程實(shí)踐

孫君 朱健 戴禮興

摘要：在全面實(shí)施“六卓越一拔尖”計(jì)劃的進(jìn)程中，工程實(shí)踐教學(xué)對(duì)于提高高校理工科學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)尤其重要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，它突破了高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在工程實(shí)踐教學(xué)中優(yōu)勢(shì)明顯。文章主要分析了傳統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性和虛擬仿真在工程實(shí)踐中的優(yōu)勢(shì)，并分析了存在問(wèn)題，提出了解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0219-02

信息技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)高等學(xué)校教學(xué)模式的改變，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》強(qiáng)調(diào)了“加快教育信息化進(jìn)程”的內(nèi)容[1]，應(yīng)用信息化元素的現(xiàn)代化教育模式成為我國(guó)教育發(fā)展的新方向。工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)理工科高素質(zhì)人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，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，不利于具有創(chuàng)新精神的工程人才的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建與真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景等同的操作環(huán)境和測(cè)試對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，具有全新的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，進(jìn)而可以達(dá)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果[2-4]。在全面實(shí)施“六卓越一拔尖”計(jì)劃的進(jìn)程中[5]，為了促進(jìn)“卓越工程師”的培養(yǎng)，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)教學(xué)中心的建設(shè)十分必要。

一、傳統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

1.實(shí)驗(yàn)條件限制。工程實(shí)踐教學(xué)要求具備與實(shí)際生產(chǎn)相同或相近的環(huán)境，使學(xué)生真實(shí)感受和理解實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景，培養(yǎng)學(xué)生“真刀真槍”解決實(shí)際問(wèn)題的能力，如此培養(yǎng)的學(xué)生才能縮短與未來(lái)工作環(huán)境的距離，更能被社會(huì)認(rèn)可與接受。學(xué)校由于場(chǎng)地限制、經(jīng)費(fèi)限制、管理限制等，不可能建一座大型實(shí)驗(yàn)工廠用于實(shí)踐教學(xué)。因此，這個(gè)任務(wù)一般只能在企業(yè)完成。目前的狀況，一是聯(lián)系實(shí)習(xí)企業(yè)難，三十年前一張介紹信關(guān)于實(shí)習(xí)的什么問(wèn)題都可輕松搞定，但如今大部分企業(yè)是民營(yíng)企業(yè)和外資企業(yè)，企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重、安全責(zé)任大，總的來(lái)說(shuō)企業(yè)壓力很大，所以一般情況下企業(yè)都不希望外來(lái)因素干擾正常生產(chǎn)。二是實(shí)習(xí)效果不佳，考慮到企業(yè)存在高溫、高壓、高電壓、輻射等不安全因素和保護(hù)生產(chǎn)順利進(jìn)行不受影響的因素，學(xué)生在工廠實(shí)習(xí)大部分是不能直接動(dòng)手的，只能看、問(wèn)、聽(tīng)，沒(méi)有交互式體驗(yàn)，因此實(shí)習(xí)效果有限。

2.實(shí)驗(yàn)形式單一。如上所述，學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)際上是參觀的形式，按照流程走一遍，容易浮于表面。如帶一個(gè)班去一個(gè)大型聚酯高分子合成車間實(shí)習(xí)，共有五層樓高，從加料到最后聚合物顆粒出來(lái)，都是自動(dòng)化。企業(yè)師傅按流程走一遍大約半小時(shí)，學(xué)生有個(gè)模糊印象，學(xué)生再花半天時(shí)間可以基本把流程走完，但是設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和很多細(xì)節(jié)問(wèn)題看不見(jiàn)摸不著，只能聽(tīng)到一點(diǎn)是一點(diǎn)，光靠那么短實(shí)習(xí)時(shí)間根本不夠。另外，面對(duì)冷酷的機(jī)器更顯枯燥乏味，有不自覺(jué)的學(xué)生趁教師不注意就開(kāi)溜了;學(xué)生年輕，比較愛(ài)動(dòng)手，而實(shí)習(xí)只能看不準(zhǔn)動(dòng)不符合他們的心理，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)積極性，不能達(dá)到我們最初設(shè)想的教學(xué)目的和教學(xué)要求，明顯影響實(shí)習(xí)效果。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)。所以找到一種更有趣味、更豐富表現(xiàn)形式的實(shí)習(xí)方式顯得十分必要。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

1.突破時(shí)空限制。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如前面提到，聚酯合成實(shí)踐環(huán)節(jié)不可能讓學(xué)生動(dòng)手操作，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)工藝了解不夠透徹，無(wú)法很好地將理論與實(shí)踐相融合，更談不上掌握工藝和管理工藝。因此，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，模擬聚酯聚合生產(chǎn)。虛擬仿真一大優(yōu)勢(shì)是可以不受時(shí)間、空間限制方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以用幾分鐘時(shí)間走完實(shí)際車間半小時(shí)走完的流程。由于軟件的逼真效果，意味著學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)入合成車間去配料、測(cè)產(chǎn)物分子量、查看設(shè)備等，給予學(xué)生完全不同的實(shí)習(xí)體驗(yàn)。除正規(guī)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間外，學(xué)生可以利用空余時(shí)間隨時(shí)進(jìn)行無(wú)數(shù)次的實(shí)習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提供開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生全天候開(kāi)放。學(xué)生不受時(shí)間和空間的約束，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣能更好地培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣能起到正面的激發(fā)作用。

2.突破實(shí)驗(yàn)條件限制。在工程實(shí)踐教學(xué)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者便可以身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以反饋給學(xué)生，這種實(shí)驗(yàn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可反復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果，有效地解決了實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。工程實(shí)踐生產(chǎn)線投資大、占地廣、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)校要建設(shè)這樣的裝置幾乎是不可能的，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)可以給出完美的解決方案。如建設(shè)一個(gè)大型聚酯合成企業(yè)，投資要以數(shù)十億計(jì)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以比較容易地將真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境逼真模擬出來(lái)，將整個(gè)生產(chǎn)流程和復(fù)雜的設(shè)備細(xì)節(jié)完美呈現(xiàn)，學(xué)生除了很好的認(rèn)知體驗(yàn)外，還有良好的交互體驗(yàn)，且運(yùn)行和維護(hù)成本均較低，取得了以有限的投資給予學(xué)生無(wú)限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的效果，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。隨著仿真技術(shù)和軟件的連續(xù)更新發(fā)展，仿真系統(tǒng)還可以加入一些新的設(shè)備和元件，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以方便對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行更新迭代，快速適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展，使得學(xué)生能隨時(shí)追蹤新技術(shù)和新設(shè)備，對(duì)學(xué)生的知識(shí)視野開(kāi)闊起到了非常積極的作用。

3.生動(dòng)的實(shí)習(xí)體驗(yàn)。三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室界面友好，內(nèi)容豐富。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件，將音樂(lè)、動(dòng)畫(huà)、聲效按照學(xué)生的生理、心理特點(diǎn)并結(jié)合富有新意的操作界面，制作出身臨其境的動(dòng)態(tài)效果。如我們按照某高分子大型企業(yè)制作的聚酯合成虛擬仿真項(xiàng)目，效果逼真，給學(xué)生一種熟悉、自然、真實(shí)的感覺(jué)和體驗(yàn)，包含了儀器結(jié)構(gòu)的介紹和展示，配料，設(shè)備操作及數(shù)據(jù)處理等模塊，同時(shí)具有操作步驟提示，錯(cuò)誤扣分、基本知識(shí)問(wèn)答等功能。允許學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)置工藝參數(shù)、安裝和調(diào)節(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器操作設(shè)備，如果出現(xiàn)半成品和成品指標(biāo)不合格，學(xué)生可以繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還包含了理論課學(xué)習(xí)模塊，使學(xué)生能夠預(yù)習(xí)或者復(fù)習(xí)鞏固理論基礎(chǔ)，提升對(duì)實(shí)驗(yàn)的理性認(rèn)識(shí)。另外，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還創(chuàng)造性地增加了儀器維護(hù)維修模塊，使學(xué)生能學(xué)習(xí)處理日常儀器故障。因此，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入極大地?cái)U(kuò)展了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性。

三、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)踐中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，無(wú)法獲得實(shí)際的動(dòng)手能力，因此只能作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充、輔助手段，以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”為原則，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到最佳的效果。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，鍛煉創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract：In the process of fully implementing the "six excellence and one top-notch plan" program，engineering practice teaching is especially important for improving the professional quality of science and engineering students in universities.The virtual simulation experiment is the product of the deep integration of professional and information technology.It breaks through the traditional experimental teaching mode of universities，and has obvious advantages in engineering practice teaching.This paper mainly analyzes the limitations of traditional engineering experiment teaching and the advantages of virtual simulation in engineering practice，and analyzes the existing problems and proposes solutions.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;engineering practice