工程材料在虛擬仿真實驗教學中的應用探索

尤一泓

摘 要：將工程材料應用到虛擬仿真實驗教學中，可以幫助學生理解、鞏固和提高理論知識，積累實際工作經(jīng)驗。本文分析了工程材料在虛擬仿真實驗教學中應用的現(xiàn)狀及優(yōu)點，并探討了實驗教學的優(yōu)化思路。在課堂上，通過引入虛擬仿真實驗來驗證，可以使學生更好地了解和掌握實驗方法，從而促進學生的自主思維和創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞：工程材料;虛擬仿真;實驗教學

在工程材料課程的教學過程中，利用虛擬仿真模擬軟件，學生能夠通過實驗過程驗證理論知識，同時能夠直觀地了解材料屬性的科學規(guī)律。實驗教學能夠使學生在實踐中獲得較好的理論知識和技能，同時也能夠提高學生對問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。實驗教學在提高學生的科學素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)造性人才方面起著舉足輕重的作用。通過虛擬仿真實驗，幫助學生理解工程材料相關(guān)知識點，在提升學生動手能力、激發(fā)學生學習熱情以及改善學生學習效果方面有積極的作用。本文針對目前工程材料實驗教學中存在的問題，探討了如何將工程材料應用于模擬技術(shù)的實驗教學，并提出了采用模擬技術(shù)進行課堂實驗示范的方法。

一、現(xiàn)行虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀及問題

（一）現(xiàn)行實驗教學概況

實驗教學分為兩個部分：基礎(chǔ)實驗和綜合實驗。工程材料基礎(chǔ)實驗是相關(guān)專業(yè)的重要組成部分，它在工程類學科教育中具有積極意義。在培養(yǎng)學生的基本專業(yè)知識和創(chuàng)造能力的過程中，具有承上啟下、承前啟后的作用。基礎(chǔ)型實驗是以基礎(chǔ)知識為載體，注重基礎(chǔ)知識與技能的培養(yǎng)，加強基礎(chǔ)實驗技能的培養(yǎng)，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力打下堅實的基礎(chǔ)。工程材料綜合實驗是一種增強性的實驗，它需要應用所學到的有關(guān)材料的基本理論和基本實驗操作技能。綜合實驗的重點是鞏固理論知識，設計實驗方案，提高學生的動手能力和團隊合作意識。科學的實驗教學系統(tǒng)有利于學生掌握知識、技能和方法，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)[1]。

（二）試論工程材料在虛擬仿真實驗中應用應注意的幾個問題

（一）工程材料或場所的限制

在實驗教學中，由于工程材料，儀器和場所的限制，無法向?qū)W生清晰地展示實驗儀器和操作過程，造成一些學生對儀器的理解和使用不規(guī)范;甚至在某些情況下，由于操作失誤，導致儀器的使用和工作效率下降，從而對試驗的順利進行造成很大的影響。

（二）實驗教學方法有待豐富

在應用工程材料進行虛擬仿真實驗的教學過程中，實驗教學與理論教學同樣應重視教學方法，好的教學方法能引起學生的思考和解決問題，同時也能加深學生對工程材料基本理論的認知，同時掌握實驗內(nèi)容和方法的認識，有利于今后的工作和學習。在進行虛擬仿真實驗前，通過教學視頻對實驗所涉及的工程材料進行初步介紹，或通過微課的形式，可以在一定程度上解決實驗過程中學生無從下手的問題。因此，我們必須不斷地探索更好、更多樣化的教學方法。

（三）理論和實驗教學的不協(xié)調(diào)

實驗教學應當與理論教學相結(jié)合，在對工程材料的相關(guān)理論講授后再進行實驗，這樣既能保證工程材料理論知識與實驗知識的結(jié)合，又能促進學生的綜合運用，同時也有利于理論和實驗教學。實踐中，工程材料理論課和實驗課常常不能同步，進度也不能很好地統(tǒng)一。對初學專業(yè)基礎(chǔ)知識的一年級學生而言，由于缺乏對工程材料理論知識的了解而難以完成實驗，對實驗的認識和理解存在著諸多問題，缺乏充分的準備和熟練的實驗技巧。

二、虛擬模擬技術(shù)在工程材料實驗教學中的應用及優(yōu)越性

傳統(tǒng)的工程材料實驗教學在資源有限的情況下，很難調(diào)動學生的學習積極性，也很難達到良好的教學效果[2]。隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬模擬技術(shù)在理論課和實驗課上的應用日益廣泛，它的優(yōu)勢和作用體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）將工程材料與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，使實驗操作更加清楚、生動

多媒體教學在現(xiàn)代教學中的應用日益廣泛，利用工程材料相關(guān)圖片、教學錄像等教學手段，結(jié)合實際的實驗儀器進行教學，可以達到很好的教學效果。通過虛擬仿真技術(shù)，可以對實驗裝置進行形象且較為直觀地模擬工程材料實驗過程，清楚地顯示操作過程，增強儀器操作的規(guī)范化，極大地提高了實驗的效率，在激發(fā)了學生的興趣的同時，提高了學習效果，并且增強了基礎(chǔ)實驗的教學效果。

（二）對技能培訓有積極意義

1.突破現(xiàn)有的實驗儀器和設備，擴大試驗的范圍

在傳統(tǒng)的工程材料課程實驗教學中，由于實驗條件、安全等諸多因素的制約，因此，虛擬實驗可以很好地解決這些問題。利用三維模型，可以直觀地顯示工程材料封閉裝置的內(nèi)部或較復雜的結(jié)構(gòu)，模擬工程材料內(nèi)部的工作原理，拓展教學內(nèi)容，加深對儀器的認識，拓寬視野，促進工程技術(shù)的進步。

2.擴大試驗的時間和空間

由于傳統(tǒng)的實驗場地和實驗器材有限，所以很難在有限的時間和空間上進行，而虛擬模擬實驗則可以用電腦和相應的模擬軟件來完成，這就大大擴展了學生的實驗時間和地點。此外，虛擬模擬技術(shù)還可用于工程材料實驗學習系統(tǒng)的開發(fā) [3]。

三、在工程材料虛擬仿真試驗中應用的優(yōu)化思路

（一）工程材料虛擬仿真多元化教學試驗示范

在實驗教學中，使用工程材料虛擬模擬技術(shù)進行模型和動畫演示相結(jié)合是最常見的一種;也可以將仿真試驗的數(shù)據(jù)過程量制作成教學視頻，使得學生能夠更加直觀地了解試驗參數(shù)的變化過程與變化規(guī)律。例如，洛氏硬度儀的模擬模型利用常用的模擬軟件，可以把硬度計的全過程模擬得栩栩如生，將所有硬度數(shù)據(jù)中間結(jié)果進行統(tǒng)計，制作動態(tài)曲線的視頻供學生參考學習，以提升教學效果，有助于幫助學生更加仔細地觀察工程材料的各種屬性。在工程材料相關(guān)課程實驗教學中采用虛擬仿真演示與多媒體教學的形式，可以有效地激發(fā)學生對虛擬仿真技術(shù)的興趣和對實驗操作的興趣，促進他們的自主思維，從而提高工程材料實驗的效果。此外，虛擬仿真技術(shù)還可以進行一些實驗室沒有的儀器和實驗內(nèi)容的擴充，以拓寬學生的視野。

（二）研究開發(fā)基于實驗虛擬仿真實驗平臺

通過根據(jù)實際教學需要，研制出能滿足學生實驗預習、操作和答疑的工程材料虛擬實驗室。借助虛擬實驗室;構(gòu)建工程材料實驗模擬平臺;以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，服務于課程實驗，使其充分運用于工程材料虛擬仿真實驗室之中，從而不斷補充和完善實驗系統(tǒng)的整體建設。

四、結(jié)論

本文對工程材料實驗教學的現(xiàn)狀和問題進行了分析，闡述了虛擬仿真實驗教學的功能和優(yōu)越性，并將其引入到工程材料實驗中，進行了深入探討。通過教學實踐，在工程材料課堂上引入虛擬仿真實驗，可以加深對實驗方法的認識，改善實驗教學效果，有利于培養(yǎng)學生的自主性思維和創(chuàng)造精神。

參考文獻：

[1]馮銳，張愛娟，杜慶洋，畢建波.新工科背景下《材料工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實驗教學模式探索與實踐[J].山東化工，2020，49（18）：184-185.

[2]梁李敏，陳學廣，劉哲，何珺，范佳薇.材料科學與工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學改革與探索[J].科教導刊（上旬刊），2020（10）：65-66.

[3]王士凡，堵錫華，董黎明，宮貴貞.高分子材料與工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學的探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（42）：132-133.