示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程的建設(shè)與應(yīng)用

張 勇，賈洪聲，劉惠蓮，鄂元龍

(吉林師范大學(xué) a.物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心;b.物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息技術(shù)構(gòu)建逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，還原再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)操作過程與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決了部分高危險(xiǎn)、高成本、高消耗、大型綜合類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不易開展的難題，有效拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化改革的重要內(nèi)容[1-6]. 國家和省市教育主管部門先后出臺(tái)系列政策文件，從平臺(tái)建設(shè)(虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)到資源建設(shè)(虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目)，再到課程建設(shè)(虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程)，持續(xù)推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，各高校給予了高度重視. 如何開展以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為核心的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源結(jié)構(gòu)、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源使用效率已成為高校實(shí)驗(yàn)課程改革的重點(diǎn).

本文以超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為核心，建設(shè)超硬材料合成與加工專題實(shí)踐課程，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深入細(xì)致、系統(tǒng)化的改革，探索個(gè)性化、智能化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式.

1 課程建設(shè)概述

1.1 課程建設(shè)的必要性

在高壓極端條件下，物質(zhì)中的原子/分子距離將縮短，相互作用顯著增強(qiáng)，從而使物質(zhì)的物相、性能發(fā)生顯著變化，高壓技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)和研究新物態(tài)、新現(xiàn)象、新材料的重要手段. 目前，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的人造金剛石、立方氮化硼等超硬材料的合成就是高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用與材料領(lǐng)域的經(jīng)典案例，合成的超硬材料具有超硬度、超耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工刀具、油氣勘探鉆頭等領(lǐng)域[7-8]. 將相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用引入到本科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅有助于學(xué)生快速掌握高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，理解物理學(xué)前沿成果在社會(huì)生產(chǎn)中應(yīng)用的重要性，而且利于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新精神，提升學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力. 因此，我校物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心對(duì)相關(guān)科研成果進(jìn)行整合，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開設(shè)了“超硬材料合成與加工”專題實(shí)踐課程.

但在實(shí)際教學(xué)中，超硬材料合成所需的高壓物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備——六面頂液壓機(jī)體積龐大，占地近百平，配套測(cè)試分析儀器價(jià)格昂貴，因此難以布置滿足教學(xué)需求的設(shè)備臺(tái)套數(shù)；實(shí)驗(yàn)操作存在一定危險(xiǎn)性，部分儀器設(shè)備的操作要求較高，操作失誤易導(dǎo)致設(shè)備損壞；實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)長、成本消耗較大，受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和經(jīng)費(fèi)限制，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以保證全體學(xué)生都參與操作.

按照“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的指導(dǎo)思想，以超硬材料合成過程為藍(lán)本，開發(fā)高度仿真、互動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，替代難以實(shí)施的實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，再配合實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力.

1.2 課程建設(shè)的思路

從課程特點(diǎn)、課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)需求出發(fā)，開展課程建設(shè)，其建設(shè)思路主要是：

1)理論實(shí)踐相結(jié)合. 高壓物理理論基礎(chǔ)、超硬材料合成理論、實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理與結(jié)構(gòu)、操作安全以及注意事項(xiàng)等理論知識(shí)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同步開展，注重理論聯(lián)系實(shí)踐，突出理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

2)虛擬實(shí)體相結(jié)合. 依托高壓物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以超硬材料合成與分析過程為主線，構(gòu)建超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，為學(xué)生提供“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+實(shí)體實(shí)驗(yàn)”的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)條件.

3)線上線下相結(jié)合. 將線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合、互相補(bǔ)充，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的科技時(shí)效性，豐富教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)考評(píng)、實(shí)驗(yàn)操作量化評(píng)定的智能化.

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)

超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是超硬材料合成與加工專題實(shí)踐課程的核心資源之一. 項(xiàng)目以立方氮化硼超硬材料合成工藝流程為主題，建立三維虛擬實(shí)驗(yàn)空間，呈現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)8種主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行高仿真度的建模、仿真，通過虛擬操作完成實(shí)驗(yàn)原料的稱量、熱處理、壓塊、組裝、高溫高壓合成、測(cè)試分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在接近真實(shí)的視聽感受中掌握工藝流程和設(shè)備操作.

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的運(yùn)行架構(gòu)如圖1所示，采用B/S架構(gòu)，教師和學(xué)生根據(jù)分配的賬號(hào)登錄到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái). 教師用戶能夠?qū)Π嗉?jí)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一管理，上傳課程教學(xué)資源，查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)成績(jī)，維護(hù)題庫，創(chuàng)建線上考試，開展線上輔導(dǎo)答疑. 學(xué)生用戶能夠查閱課程學(xué)習(xí)資料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，運(yùn)行仿真軟件，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看自己的學(xué)習(xí)記錄、考試記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及學(xué)習(xí)提問等.

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行架構(gòu)

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)綜合訓(xùn)練為目的，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容劃分為3個(gè)階段性仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)：粉體原料預(yù)處理、高溫高壓合成立方氮化硼燒結(jié)體、立方氮化硼樣品性能測(cè)試分析.

任務(wù)1：粉體原料預(yù)處理. 如圖2所示，使用虛擬電子天平根據(jù)組分設(shè)計(jì)稱量所需的微納米立方氮化硼(cBN)、粘結(jié)劑等粉體原料，并進(jìn)行混合研磨. 在充分混合后，使用真空管式爐對(duì)粉體原料進(jìn)行熱處理，去除表面吸附雜質(zhì)，形成高壓燒結(jié)所需的粉體材料. 該任務(wù)重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生掌握超硬材料組分的設(shè)計(jì)和使用真空管式爐.

圖2 原料稱量與預(yù)熱處理

任務(wù)2：高溫高壓合成立方氮化硼燒結(jié)體. 首先，使用四柱液壓機(jī)對(duì)預(yù)熱處理后的粉體原料進(jìn)行預(yù)壓成型(圖3)；隨后，將預(yù)壓成型的樣品塊與石墨加熱管、絕緣堵頭、石墨片、銅片、鋼帽、葉臘石復(fù)合塊組裝成高壓實(shí)驗(yàn)所需的合成塊(圖4)；最后，將合成塊置于六面頂液壓機(jī)中，設(shè)置高溫高壓合成條件，制備立方氮化硼燒結(jié)體(圖5). 該任務(wù)重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生掌握高壓合成工藝控制.

圖3 四柱液壓機(jī)預(yù)壓成型

圖4 高壓腔體組裝材料

(a)六面頂液壓機(jī)

任務(wù)3：立方氮化硼樣品性能測(cè)試分析，該任務(wù)包括對(duì)合成樣品的3方面性能進(jìn)行分析.

樣品物相結(jié)構(gòu)XRD表征流程如圖6所示：?jiǎn)?dòng)X射線衍射儀和循環(huán)水預(yù)熱；將樣品放入卡槽后關(guān)閉工作艙門；設(shè)置X射線衍射儀控制參量，獲得樣品數(shù)據(jù)曲線.

(a)實(shí)物測(cè)試

樣品硬度測(cè)量流程如圖7所示：將樣品置于載物臺(tái)上，操作控制軟件建立連接；轉(zhuǎn)動(dòng)升降裝置調(diào)整清晰度；運(yùn)行設(shè)備獲得方形壓痕，測(cè)量計(jì)算樣品硬度數(shù)據(jù).

(a)實(shí)物測(cè)試

樣品斷裂韌性測(cè)試流程如圖8所示：?jiǎn)?dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)；將樣品置于壓具上，控制壓頭置于樣品塊上方2～3 mm；設(shè)置儀器參量，運(yùn)行測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果.

(a)實(shí)物測(cè)試

3 課程教學(xué)實(shí)施及教學(xué)效果

3.1 教學(xué)方法

針對(duì)不同教學(xué)環(huán)節(jié)，分階段綜合運(yùn)用了多種教學(xué)方法.

1)引導(dǎo)演示、案例教學(xué). 以圖片、動(dòng)畫、3D模型、文檔等多種形式將教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)上，配合以引導(dǎo)視頻、操作案例、實(shí)體演示、教師講解，使學(xué)生能夠快速了解實(shí)驗(yàn)、激發(fā)參與愿望，并為實(shí)驗(yàn)操作做好必要知識(shí)準(zhǔn)備.

2)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué). 在實(shí)驗(yàn)操作過程中，以明確的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，允許學(xué)生在一定范圍內(nèi)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參量、合成條件，通過不斷地正確性驗(yàn)證和容錯(cuò)式操作，查找問題、解決問題，最終形成對(duì)實(shí)驗(yàn)工藝流程、儀器設(shè)備操作的正確認(rèn)識(shí)和對(duì)超硬材料合成原理的深度理解，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究問題、解決問題的能力.

3)線上線下相結(jié)合的研討教學(xué). 線上的仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在高度逼真的虛擬仿真環(huán)境中體驗(yàn)和學(xué)習(xí)合成工藝和設(shè)備操作，并可通過平臺(tái)與教師進(jìn)行交互；線下組織無領(lǐng)導(dǎo)小組討論，加強(qiáng)學(xué)生之間的互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.

3.2 考核評(píng)價(jià)

構(gòu)建集診斷性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)于一體的階段式評(píng)價(jià)體系.

實(shí)驗(yàn)前，開展診斷性評(píng)價(jià). 對(duì)學(xué)生自身具有的認(rèn)知、技能方面進(jìn)行自我診斷、評(píng)價(jià).

實(shí)驗(yàn)中，以形成性評(píng)價(jià)為主. 在操作過程中通過提示、反饋等功能，監(jiān)督和引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，將各步實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成作為評(píng)價(jià)依據(jù).

實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià). 學(xué)生通過線上線下討論、協(xié)作學(xué)習(xí)、提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，最終對(duì)實(shí)驗(yàn)形成整體認(rèn)識(shí).

得益于虛擬仿真平臺(tái)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和交互策略，使得課程考核評(píng)測(cè)自動(dòng)完成，實(shí)驗(yàn)過程全程記錄，為階段式評(píng)價(jià)體系的建立提供了保障.

3.3 教學(xué)效果

通過對(duì)“超硬材料合成與加工”課程的學(xué)習(xí)，特別是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的引入，激發(fā)了學(xué)生對(duì)高壓物理實(shí)驗(yàn)的興趣，基于課程內(nèi)容的國家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目不斷立項(xiàng)，其中2項(xiàng)高壓物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)項(xiàng)目分別入選第10、第12屆全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會(huì)展示項(xiàng)目. 學(xué)生以高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)為支撐，組建創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，從事超硬材料開發(fā)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)青春”“挑戰(zhàn)杯”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中取得了優(yōu)異成績(jī). 超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目通過“實(shí)驗(yàn)空間”平臺(tái)向?qū)W校及社會(huì)開放訪問及使用，獲批成為國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目.

4 結(jié)束語

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化改革的重要發(fā)展方向. 本文以“超硬材料合成與應(yīng)用”課程建設(shè)為例，通過虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)超高壓物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，解決了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的人數(shù)多、設(shè)備少、空間小、能耗大、可能存在危險(xiǎn)等教學(xué)問題. 通過構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的多維混合式教學(xué)模式，為學(xué)生提供靈活自由的在線實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，借助完善的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核、評(píng)價(jià)的閉環(huán)管理. 課程全景展現(xiàn)了高壓物理在社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用，高壓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度得以拓展，為提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)提供了有利支撐.