虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在材料學(xué)科課程教學(xué)中的設(shè)計(jì)與探索＊

祖 梅，程海峰，尹昌平，王 松，王楠楠，饒立鳳

（國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410000）

1 引言

材料科學(xué)與工程是集基礎(chǔ)性和交叉性為一體的綜合性學(xué)科，是國(guó)防科技創(chuàng)新和武器裝備發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料學(xué)科是國(guó)防科技大學(xué)空天學(xué)科群的核心基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)是信息技術(shù)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等一批工程技術(shù)學(xué)科的支撐學(xué)科，支撐和引領(lǐng)著其他高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，是最具推動(dòng)力的共性基礎(chǔ)學(xué)科。學(xué)生是科學(xué)研究的生力軍，也是創(chuàng)新的主體力量之一。對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力與素質(zhì)的培養(yǎng)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是高素質(zhì)新型人才培養(yǎng)的必然要求。

長(zhǎng)期以來，材料科學(xué)與工程專業(yè)要求學(xué)生在系統(tǒng)掌握材料科學(xué)基本理論的基礎(chǔ)上，還必須通過實(shí)踐訓(xùn)練掌握材料新技術(shù)設(shè)計(jì)、加工的能力，它的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是材料課程教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生不僅能掌握基本理論，善于分析和解決問題，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、驗(yàn)證理論、探索新知識(shí)的能力。利用理論和材料工程的基本技能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，從而起到實(shí)踐創(chuàng)新的培養(yǎng)目的。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，材料學(xué)科新材料技術(shù)的快速發(fā)展，材料學(xué)科教學(xué)面臨嚴(yán)峻形勢(shì)挑戰(zhàn)，往往存在著教學(xué)內(nèi)容滯后和脫離實(shí)際的現(xiàn)象。在有限的實(shí)際操作鍛煉中忽視了對(duì)學(xué)生探索和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，只是單純地讓學(xué)生按照擬定好的操作步驟進(jìn)行操作，學(xué)生既無(wú)法真正掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)涵，又不能與所學(xué)理論進(jìn)行呼應(yīng)。以上種種問題導(dǎo)致學(xué)生在本科階段專業(yè)實(shí)踐技能的鍛煉不夠，進(jìn)入研究生學(xué)習(xí)后難以很快適應(yīng)研究生階段的生活。

電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的“自動(dòng)化”發(fā)展趨勢(shì)，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越趨向于“黑匣子”。在這個(gè)大背景下[1-3]，有必要建立材料學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有針對(duì)性地對(duì)材料專業(yè)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)性地實(shí)踐技能培養(yǎng)。這不僅能夠幫助學(xué)生更好地理論結(jié)合實(shí)踐，強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)，深入理解教育、教學(xué)的目標(biāo)和策略，而且還能極大程度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、探索精神和創(chuàng)新能力。

2 開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)的意義

2.1 提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力

學(xué)生從被動(dòng)地聽、看的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)參與者。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這種完全交互式的模擬，學(xué)生可以在其中執(zhí)行實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)和回答問題，以評(píng)估自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是動(dòng)畫、視頻、感知設(shè)備、高仿真環(huán)境的組合，學(xué)生參與過程并獲得關(guān)鍵信息，可以自主DIY 實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行大膽探索，享受探索和創(chuàng)造的樂趣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會(huì)更加突出研究探索，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力[4]。學(xué)生在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中，往往習(xí)慣于只按操作指南去完成實(shí)驗(yàn)，很少去分析和思考實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)步驟為何如此設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果是否合理。學(xué)生長(zhǎng)期如此學(xué)習(xí)和做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是自主探索意識(shí)進(jìn)一步減弱。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)更加突出學(xué)生的主體地位，手腦并用，更加有助于學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的知識(shí)體系；更加突出觀察思考、綜合設(shè)計(jì)和多元分析結(jié)合，更加有助于提高學(xué)生綜合科學(xué)素質(zhì)；更加突出知、情、意、能的高級(jí)復(fù)合作用，更加有助于學(xué)生德智體美勞全面綜合發(fā)展。

通過使用多媒體技術(shù)，可以非常高效地向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)中的精彩和實(shí)驗(yàn)方法的奇妙之處，使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又便于學(xué)生根據(jù)自己的喜好選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)而提高他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的興趣和積極投入的動(dòng)力，從而提高實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的效果。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)消除了時(shí)間和空間限制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一個(gè)平等的、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法提供的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，因?yàn)樗麄兿藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的所有物理限制。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以讓學(xué)生在不受時(shí)間、資源和空間限制的情況下獲得深層概念領(lǐng)域知識(shí)，并發(fā)揮推理、批判性思維、創(chuàng)新和創(chuàng)造性技能。虛擬實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)多次，且讓學(xué)生更改相關(guān)參數(shù)，便可立即觀察視覺呈現(xiàn)結(jié)果中的效果，接收實(shí)驗(yàn)的反饋。

同時(shí)，通過拓展遠(yuǎn)程教育的領(lǐng)域，讓實(shí)驗(yàn)可以通過網(wǎng)絡(luò)不受時(shí)空限制地利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，和其他實(shí)驗(yàn)者共享資源，實(shí)現(xiàn)合作實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等。虛擬實(shí)驗(yàn)將學(xué)生的學(xué)習(xí)場(chǎng)域從有限場(chǎng)突破到無(wú)限場(chǎng)、虛擬場(chǎng)。虛擬實(shí)驗(yàn)豐富和完善了現(xiàn)有教學(xué)手段，消除了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)盲點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高了學(xué)習(xí)興趣，從而提升了教學(xué)質(zhì)量。在此過程中，學(xué)生可以“無(wú)成本”地改變各種實(shí)驗(yàn)條件，檢驗(yàn)自己構(gòu)建的模型的合理性及有效性，并預(yù)期實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究過程中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而優(yōu)化實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及效率[5]。

許多實(shí)驗(yàn)開設(shè)條件苛刻，成本很高，但若不涉及這部分內(nèi)容，又會(huì)遠(yuǎn)離前沿研究，無(wú)法體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的趨勢(shì)。而且，若不開展這類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，則課程體系將存在不完整的遺憾。為了彌補(bǔ)以上缺陷，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必由之路。同時(shí)，錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻能夠更好地有助于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在材料學(xué)科中的一點(diǎn)探索與實(shí)踐

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，偽裝技術(shù)是作戰(zhàn)保障的重要內(nèi)容。偽裝隱身材料是指能消除、減小、改變或模擬目標(biāo)與背景之間光電信號(hào)差別的材料。正確地實(shí)施偽裝，不僅能隱蔽作戰(zhàn)意圖，達(dá)成作戰(zhàn)行動(dòng)的突然性，而且能降低敵方殺傷兵器的命中率，減少己方人員、工事和兵器的毀傷，提高部隊(duì)的生存能力，爭(zhēng)取戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)[6]。

數(shù)字化迷彩偽裝設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共分三個(gè)模塊，分別為動(dòng)物偽裝效果判讀（模塊一）、迷彩偽裝設(shè)計(jì)（模塊二）、迷彩偽裝效果判讀（模塊三）。其中模塊一是以自然界中動(dòng)物的偽裝現(xiàn)象引入主題，讓學(xué)生找出圖片中隱藏的目標(biāo)，通過發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)間來反映偽裝效果，以游戲的形式直觀地體驗(yàn)人眼判讀法的偽裝效果評(píng)估方式，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生主動(dòng)操作，可更直觀地感受偽裝的形式。

模塊二包括作戰(zhàn)場(chǎng)景認(rèn)知和迷彩偽裝設(shè)計(jì)2 個(gè)場(chǎng)景。場(chǎng)景1 為作戰(zhàn)場(chǎng)景認(rèn)知。偽裝隱身材料應(yīng)用的作戰(zhàn)場(chǎng)景主要有林地、荒漠、雪地三種背景。圖1～圖3 分別為林地背景、荒漠背景、雪地背景。利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的建模仿真，還原真實(shí)作戰(zhàn)場(chǎng)景，將學(xué)生的學(xué)習(xí)場(chǎng)域從有限場(chǎng)突破到無(wú)限場(chǎng)、虛擬場(chǎng)，并通過偵察無(wú)人機(jī)的巡游探測(cè)，感受偵察、目標(biāo)的對(duì)抗關(guān)系，深刻體會(huì)偽裝的重要性。學(xué)生通過操作鼠標(biāo)可移動(dòng)視角及切換角度，圖4 為不同觀察距離下的視覺切換，可顯著增強(qiáng)學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)感與參與感。模塊二中的場(chǎng)景2 為迷彩偽裝設(shè)計(jì)模塊，讓學(xué)生直觀地學(xué)習(xí)偽裝設(shè)計(jì)的流程及要素，從背景采集、背景處理到迷彩偽裝設(shè)計(jì)，掌握設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，直觀感受目標(biāo)的不同作戰(zhàn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的偽裝形式以及在不同作戰(zhàn)背景下偽裝圖案對(duì)偽裝效果的影響。

圖1 林地背景

圖2 荒漠背景

圖3 雪地背景

圖4 不同偵察距離下拍攝的目標(biāo)處于背景中的圖片

模塊三為迷彩偽裝效果判讀。該模塊與模塊一形成前后呼應(yīng)，即將自然中動(dòng)物的偽裝原理運(yùn)用到重要目標(biāo)的軍事作戰(zhàn)中，使學(xué)生體會(huì)偽裝技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)的重要性。圖5 為目標(biāo)偽裝前后的視覺效果對(duì)比。通過比較可以看出實(shí)施偽裝后的圖片中，目標(biāo)與背景融合效果甚好，可降低目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。由此可見，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加入虛擬仿真模擬場(chǎng)景，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)偽裝技術(shù)的積極性和參與實(shí)驗(yàn)操作的主動(dòng)性，并促使學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立思考的習(xí)慣，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

圖5 目標(biāo)偽裝前與偽裝后的效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了空天科學(xué)學(xué)院材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與存在的主要問題，闡述了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用與優(yōu)勢(shì)，并將虛擬仿真技術(shù)引入材料學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索了虛擬仿真技術(shù)在材料學(xué)科“數(shù)字化迷彩偽裝設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用模式，通過引入虛擬仿真輔助教學(xué)技術(shù)，開展了相關(guān)課程在教學(xué)內(nèi)容、方法和考核評(píng)價(jià)方式上的改革探索，為進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)防科技大學(xué)材料學(xué)科教學(xué)課程的深化改革奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。