虛擬仿真在“材料研究方法與測試技術(shù)”中的應用

于美燕 張玥 陳守剛

[摘 要] “材料研究方法與測試技術(shù)”是材料科學與工程專業(yè)的核心課程，其教學內(nèi)容理論性強，晦澀難懂，且實踐教學匱乏，使得學生的學習積極性不高，教學效果不理想，導致課程目標與畢業(yè)能力要求的達成度存在差距。通過對虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)理論教學相融合的教學模式進行探討，結(jié)果表明，新教學模式極大地調(diào)動了學生的學習熱情，在促進學生對理論知識掌握的同時，提高了學生的動手能力，也激發(fā)了學生對科研和創(chuàng)新的興趣，為培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型、復合型人才打下堅實基礎。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;材料科學;復合型人才

[基金項目] 2019年度中國海洋大學本科教育教學研究項目“材料研究方法與測試技術(shù)傳統(tǒng)教學和虛擬仿真教學相融合的探討”（2019JY58）

[作者簡介] 于美燕（1975—），女，山東濰坊人，博士，中國海洋大學材料科學與工程學院副教授，主要從事功能陶瓷材料及海洋防污材料研究;張 玥（1972—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，中國海洋大學材料科學與工程學院副院長，教授，主要從事納米復合材料及聚合物基復合材料研究;陳守剛（1974—），男，山東臨沂人，博士，中國海洋大學材料科學與工程學院副院長，教授，主要從事海洋防污防腐材料及微生物腐蝕與防護研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0169-04? ? [收稿日期] 2020-08-24

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，推進信息技術(shù)與教學相融合，利用信息技術(shù)提供的優(yōu)質(zhì)教育資源，探索建立以學生為中心的教學新模式，成為培養(yǎng)基礎厚、素質(zhì)高的創(chuàng)新型人才，具有較強實踐能力的應用型人才和具有國際視野、能參與國際競爭的復合型人才所必需的?！安牧涎芯糠椒ㄅc測試技術(shù)”是材料科學與工程本科專業(yè)的核心課程，在整個材料學知識體系中起著舉足輕重的作用。本課程主要介紹了現(xiàn)代材料研究分析與測試技術(shù)的相關(guān)基礎理論知識，包括X射線衍射分析（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子能譜分析（AES、XPS、STM）、電子衍射（ED、LEED）、熱分析（TG、DTA、DSC）、有機波譜分析（UV、IR、NMR）等測試技術(shù)的基本原理、儀器構(gòu)造、工作原理、譜圖數(shù)據(jù)分析及其在材料科學中的應用。該課程的目標是在掌握基礎理論和實驗技能的基礎上，具備收集、分析、判斷、選擇國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)信息的能力和解決復雜工程問題的能力。因此，改革現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學模式，使理論教學與實踐教學相融合，是對“材料研究方法與測試技術(shù)”課程教學改革的首要任務[1-3]。本文分析了“材料研究方法與測試技術(shù)”課程教學中存在的問題，探索了虛擬仿真技術(shù)在該課程教學中的應用。在虛擬仿真教學的輔助下，理論教學效果達到了教學要求和教學目標，學生的綜合能力也更好地達到了畢業(yè)要求。

一、“材料研究方法與測試技術(shù)”教學中存在的問題

“材料研究方法與測試技術(shù)”涵蓋了材料學科及與它相關(guān)的許多分支學科、邊緣學科和交叉學科的基本理論與技術(shù)，因此，課程內(nèi)容具有知識面覆蓋廣、理論性強、枯燥抽象等突出特點。同時，“材料研究方法與測試技術(shù)”是一門理論與實踐相結(jié)合的課程。該課程實踐性很強，它要求在理解、掌握理論知識的基礎上，培養(yǎng)學生應用這些測試技術(shù)解決實際問題的能力。然而，由于目前對于實驗室建設經(jīng)費的投入并不能完全滿足教學需要，尤其是實驗中的中、大型實驗儀器設備價值昂貴，使用和維護成本較高，對操作技術(shù)要求很高，同時設備數(shù)目難以滿足每一名學生的動手操作需求，學生在實驗課堂上的參與感不強，在一定程度上制約了學生創(chuàng)新能力和實踐應用能力的培養(yǎng)。

針對教師“講到底，滿堂灌”的傳統(tǒng)教學模式，在教學方法上進行了相應的改革，如授課過程中加入了動畫教學、視頻教學和模型教學等，這些教學手段的加入，在一定程度上引起了學生的學習興趣，改善了課堂教學效果。但是，在經(jīng)歷過幾個教學周期后，對教學目標的達成度進行了統(tǒng)計分析（見圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)不管動畫、視頻還是模型教學的加入，只是在課堂上短暫地調(diào)動了學生的聽課積極性，而那些枯燥抽象的工作原理和復雜煩瑣的精密儀器結(jié)構(gòu)對學生來說依舊晦澀難懂，難以掌握;同時，由于缺乏實踐教學，學生對所學知識的理解仍然浮于表面，沒有達到理論與實踐的真正融合，無法培養(yǎng)學生的動手能力和應用能力，使得學生對所學知識的“可用性”仍然存在疑問，漸漸喪失了對該課程學習的積極性和信心，無法達到既定的教學目標和要求。

綜上所述，“材料研究方法與測試技術(shù)”教學過程中存在著基礎知識理論性強、實踐教學缺乏等弊端，使得學生對該課程的學習興趣不高，缺乏主動性和創(chuàng)造性。為了適應新時代創(chuàng)新型人才發(fā)展的需求，提高學生的動手能力和操作能力，就需要開發(fā)一種新的教學模式，讓學生在掌握理論知識的基礎上，培養(yǎng)他們的科研創(chuàng)新能力，把虛擬仿真技術(shù)融合到“材料研究方法與測試技術(shù)”的教學過程中恰好滿足這一要求[4]。

二、虛擬仿真技術(shù)在“材料研究方法與測試技術(shù)”教學中的應用

“材料研究方法與測試技術(shù)”是一門理論與實踐并重的課程，實踐性很強，課程教學中存在的問題，各個高校都不同程度地存在，也都在通過探索不同的方法以期解決。一般情況下，都是開設實驗課，探討和研究實驗教學輔助理論教學，但是實驗教學的效果不很理想。根據(jù)對相關(guān)儀器分析課程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，應用虛擬仿真技術(shù)是解決這一教學難題的有效辦法[5-8]。

（一）作為理論教學輔助手段，促進學生鞏固和拓寬課堂所學理論知識

在計算機上建立與真實儀器設備完全相同的虛擬仿真系統(tǒng)進行教學，學生通過操作虛擬仿真儀器設備，可以獲得與操作真實儀器設備一樣的豐富經(jīng)驗，比傳統(tǒng)多媒體教學更加靈活，與學生的互動性更強，可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富、生動逼真的學習環(huán)境和實驗內(nèi)容。教師可以把枯燥的理論知識和復雜的操作流程用動態(tài)虛擬的形式形象直觀地展現(xiàn)給學生，促進學生感性地理解課堂教學理論，促進學生對儀器設備的熟悉和原理的理解，激發(fā)學生興趣，調(diào)動其學習積極性。將虛擬仿真技術(shù)教學與傳統(tǒng)的理論教學模式相結(jié)合，相輔相成，有利于提高“材料研究方法與測試技術(shù)”課程的教學質(zhì)量和教學效果。

（二）促進理論與實踐一體化教學，訓練學生運用理論知識的能力

“材料研究方法與測試技術(shù)”作為一門材料科學與工程專業(yè)的核心課程，更注重于對學生實際應用能力的培養(yǎng)，但是，該課程涉及的大型儀器設備受到資金或場地的影響，很難達到該課程的教學目的。虛擬仿真教學克服了學生只能看、不能動手操作的不足，可以使每個學生都能利用仿真系統(tǒng)進行模擬操作，復習掌握學習內(nèi)容，形象理解理論知識，使理論知識與實際操作有機結(jié)合，在訓練學生靈活運用理論知識的同時，提高了學生的實際應用能力。

（三）補充實驗教學模式，培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力

利用虛擬仿真技術(shù)可以模擬實驗過程，從而對現(xiàn)有實驗教學模式進行補充，進而提高學生的工程創(chuàng)新能力。模擬仿真實驗中，學生根據(jù)實驗要求，靈活地設計實驗方案，以各種形式輸出結(jié)果并實時分析，培養(yǎng)學生的動手能力，滿足實踐應用的需求，有利于調(diào)動學生學習的主動性和積極性，提高學生實踐能力和創(chuàng)新能力。對虛擬仿真技術(shù)教學方法的教學目標達成度進行了統(tǒng)計分析（見圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)虛擬仿真教學模式的加入，使得學生在掌握理論知識的基礎上，更加生動地掌握了基本實驗技能，具備了分析測試能力和解決實際工程問題的能力，達到了課程學習的畢業(yè)要求。

（四）教學方式靈活，安全性高，便于學生學習

虛擬仿真實驗是建立在網(wǎng)絡基礎上，不受時間、空間和實驗次數(shù)的限制，學生可以隨時隨地多次訪問操作，如果操作不對，可重復操作演練，從而不斷強化實驗知識。而且，學生在仿真實驗中不必擔心由于操作失誤而引起人身傷害和設備損害，可以大膽、獨立地進行學習和練習，鍛煉他們解決問題和分析問題的能力。

（五）減少教學支出，減輕學校負擔

虛擬仿真教學投資較少，仿真系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡在不同的計算機上運行，因此，學生在校園內(nèi)任何一臺計算機上都可完成相關(guān)儀器操作和實驗內(nèi)容，無維護費用。另外，學生利用仿真軟件進行模擬練習后，再到真實儀器上操作，大大減少了失誤，降低了對藥品的浪費和對儀器的損壞，從而降低了教學成本。

三、結(jié)語

本文探討了虛擬仿真技術(shù)在“材料研究方法與測試技術(shù)”理論教學中的應用。虛擬仿真教學與傳統(tǒng)理論教學相結(jié)合，促進了學生對抽象理論知識的理解和掌握，訓練了學生對課堂知識的靈活運用，提高了學生的動手能力和創(chuàng)新能力，最大限度地激發(fā)了學生的學習興趣，提高了“材料研究方法與測試技術(shù)”的課堂教學效果和教學質(zhì)量，達到了專業(yè)人才培養(yǎng)方案所要求的教學效果與教學目標，學生的綜合能力得到大幅度提高，更好地達到了畢業(yè)要求。

參考文獻

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Application of Virtual Simulation in the Course of Materials Research Methods and Testing Technology

YU Mei-yan， ZHANG Yue， CHEN Shou-gang

（School of Materials Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao， Shandong 266000， China）

Abstract： Materials Research Methods and Testing Technology is the core course of material science and engineering major. The content of this course is theoretical， obscure and difficult to understand， and the practice teaching is insufficient， which makes students learning enthusiasm is not high and the teaching effect is not ideal， so there is a gap between the achievement of course objectives and the graduation ability requirements. This paper discusses the new teaching model which combines the virtual simulation and traditional theory teaching method. The results show that the new teaching model has greatly aroused students enthusiasm for learning， promoted students mastery of theoretical knowledge， improved students practical ability， and stimulated students interest in scientific research and innovation， which lays a solid foundation for the cultivation of innovative， applied and compound talents.

Key words： virtual simulation; materials science; compound talents