虛擬仿真實(shí)踐在無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 該研究通過分析虛擬仿真實(shí)踐給無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提出了創(chuàng)新教學(xué)模式和實(shí)踐路徑，并進(jìn)一步提出通過虛擬仿真平臺與現(xiàn)有教學(xué)體系的緊密結(jié)合，校企合作共建特色平臺以及校外企業(yè)強(qiáng)化實(shí)踐的三維度全過程深化產(chǎn)教融合協(xié)同育人，旨在提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，為無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)服務(wù)于地方特色產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞 產(chǎn)教融合；教學(xué)改革；虛擬仿真實(shí)踐；企業(yè)實(shí)踐

中圖分類號：G642"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.017

Application of Virtual Simulation Practice in the Teaching of Inorganic

Non-metallic Materials Engineering

YANG Huan， ZHANG Chenyang， LIN Shaomin

（School of Materials Science and Engineering， Hanshan Normal University， Chaozhou， Guangdong 521041）

Abstract This study analyzes the opportunities and challenges brought by virtual simulation practice to the teaching of inorganic non-metallic materials engineering major， proposes innovative teaching models and practical paths， and further proposes to deepen the integration of industry and education through the close integration of virtual simulation platform with existing teaching system， school enterprise cooperation to build a special platform， and the three-dimensional full process of strengthening practice by external enterprises. The aim is to improve students' practical ability and comprehensive quality， and cultivate high-quality applied talents for the inorganic non-metallic materials engineering major to serve local characteristic industries.

Keywords industry-education integration; teaching reform; virtual simulation practice; enterprise practice

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)是一門涵蓋無機(jī)非金屬材料的制備、加工、測試和應(yīng)用等領(lǐng)域的交叉學(xué)科，它不僅關(guān)系到新材料的開發(fā)，還與信息、能源、環(huán)境等多個領(lǐng)域的發(fā)展緊密相連。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，該專業(yè)的教學(xué)主要圍繞理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合進(jìn)行。然而，隨著科技的快速發(fā)展，新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足新時代人才培養(yǎng)的需求。隨著新工科背景下教育改革的不斷深入，無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)面臨著新挑戰(zhàn)，虛擬仿真實(shí)踐作為一種新興的教學(xué)手段[1]，正逐漸被應(yīng)用于該專業(yè)的教學(xué)中，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。本文基于目前高校無機(jī)非金屬材料專業(yè)教學(xué)仍以傳統(tǒng)教學(xué)模式為主的現(xiàn)狀，探討虛擬仿真實(shí)踐在無機(jī)非金屬材料專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，旨在為其教學(xué)改革提供借鑒。

1" 虛擬仿真實(shí)踐給無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1.1" 機(jī)遇分析

首先，虛擬仿真實(shí)踐可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握無機(jī)非金屬材料的制備、加工和檢測等實(shí)驗(yàn)技能。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在模擬環(huán)境下沉浸式地進(jìn)行材料的加工檢測等實(shí)踐操作，既可以有效避免操作過程中可能出現(xiàn)的安全問題，同時又可以直觀地了解材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)原理，從而使實(shí)驗(yàn)背后的原理更為通俗易懂。

其次，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以在模擬環(huán)境中自主探索，發(fā)現(xiàn)問題并嘗試解決這些問題，從而提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)提升。此外，學(xué)生在工廠實(shí)踐中，需要面對各種復(fù)雜的工藝流程和設(shè)備操作，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在模擬環(huán)境中熟悉這些工藝流程和設(shè)備操作，更好地適應(yīng)工廠實(shí)踐環(huán)境。

1.2" 挑戰(zhàn)分析

一是，虛擬仿真的智能技術(shù)水平是影響實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)水平的關(guān)鍵因素。當(dāng)前信息技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)涉及Web" GL、3D仿真、VR和AR等技術(shù)，外加云計算、5G、人機(jī)交互等人工智能技術(shù)的不斷深入融合，虛擬仿真發(fā)展迅猛[2]。與此同時，也對專業(yè)教師的知識更新、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、智能技術(shù)教學(xué)能力等提出了更高的要求，教師能否成功應(yīng)用和駕馭信息技術(shù)面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

二是，專業(yè)人才培養(yǎng)體系將發(fā)生重構(gòu)。虛擬仿真需要打造數(shù)字化、信息化、智能化的新型材料工程，對傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)而言，需要突破單一的專業(yè)培養(yǎng)模式，引領(lǐng)材料與計算機(jī)等其他學(xué)科之間的交叉融合建造，擴(kuò)展實(shí)踐課程體系內(nèi)容，因此也給實(shí)驗(yàn)室的軟硬件配備、師資隊伍等重構(gòu)帶來挑戰(zhàn)[3]。而虛擬仿真背景下的新工科也必須改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)的目標(biāo)，改寫人才培養(yǎng)的方案，將能力鍛煉、素質(zhì)養(yǎng)成等有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計與組織，并進(jìn)一步實(shí)踐OBE教學(xué)理念。

2" 虛擬仿真實(shí)踐的無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)模式分析

2.1" 多課程綜合設(shè)計，整合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

多課程知識的綜合應(yīng)用能力，是人才培養(yǎng)的重要維度。在無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)中，為利用虛擬仿真實(shí)踐整合多課程知識，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識的應(yīng)用能力，我們實(shí)施了三個層次的教學(xué)改革[4]。首先，將單門課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)整合，從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計型實(shí)驗(yàn)，如陶瓷的成形、燒結(jié)和表征；其次，跨課程整合實(shí)驗(yàn)，如將材料工程、無機(jī)非金屬材料科學(xué)等課程知識融合，通過實(shí)際運(yùn)用中的工程案例，培養(yǎng)學(xué)生的多課程知識綜合應(yīng)用能力；最后，開設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，如“材料應(yīng)用與實(shí)踐”課程，通過小組合作，讓學(xué)生參與從配方設(shè)計到性能檢測的全過程，以此提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計和團(tuán)隊協(xié)作能力。

2.2" 打造特色虛擬仿真實(shí)踐平臺

材料相關(guān)專業(yè)是研究控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以及將材料加工成人類所需的各種零部件的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科，覆蓋面廣。所以該類專業(yè)經(jīng)常涉及較難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)難的場景，如果結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)演示，可以達(dá)到獲得場景主觀感受和真實(shí)場景演練的雙重目的。

一是建立符合專業(yè)培養(yǎng)要求及與當(dāng)?shù)靥厣a(chǎn)業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)踐平臺，形成以專業(yè)拓展為目標(biāo)，以虛擬技術(shù)為依托的良好發(fā)展態(tài)勢，并以地方特色產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向，最終完成虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的梳理和特色定位。如楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院以“育、訓(xùn)、創(chuàng)、賽、研”為核心理念，采用AR/VR/MR等新技術(shù)，開展沉浸式、分組式、交互式課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，開發(fā)了12個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真資源，服務(wù)于生物技術(shù)、園林工程技術(shù)、畜牧獸醫(yī)等涉農(nóng)專業(yè)，打造智慧農(nóng)業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院的釀酒技術(shù)專業(yè)群虛擬仿真實(shí)踐體系建設(shè)案例，通過服務(wù)四川白酒產(chǎn)業(yè)，聚焦白酒產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，構(gòu)建“三層四類、虛實(shí)交互”的資源體系，實(shí)施“虛實(shí)交互，三階遞進(jìn)”教學(xué)模式改革，解決教學(xué)中的難題，賦能產(chǎn)業(yè)鏈上專業(yè)集群的高質(zhì)量發(fā)展。

二是依托學(xué)校專業(yè)特色，充分利用校內(nèi)相關(guān)教學(xué)資源，并積極響應(yīng)國家新工科建設(shè)的相關(guān)政策。如中國傳媒大學(xué)的影游融合交互敘事創(chuàng)作虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室依托中國傳媒大學(xué)動畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，推動數(shù)字藝術(shù)學(xué)科教學(xué)研究創(chuàng)新，并結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的新方法、新技術(shù)，修改和補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及項目，加強(qiáng)特色實(shí)踐體系項目建設(shè)，同時使用VR眼鏡進(jìn)行相應(yīng)的場景模擬，做到“身臨其境”動手操作實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)感官認(rèn)識，形成虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互相補(bǔ)充，解決參觀式學(xué)習(xí)中鍛煉少和體驗(yàn)感差的問題。

2.3" 校外企業(yè)強(qiáng)化實(shí)踐

新工科人才培養(yǎng)要求將課程中的知識應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，“實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，校內(nèi)綜合實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)踐不能完全代替企業(yè)真實(shí)實(shí)踐，教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐來源于企業(yè)，最終也必須要回到企業(yè)實(shí)踐中去應(yīng)用，參加企業(yè)實(shí)踐的目的主要是提升創(chuàng)新能力、檢驗(yàn)專業(yè)知識和培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神。在開展綜合實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)踐平臺學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生帶著問題去相關(guān)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，在工廠實(shí)習(xí)期間，學(xué)生將專注于企業(yè)的多個關(guān)鍵領(lǐng)域，包括生產(chǎn)與管理、制備工藝及其原理、性能的檢測與分析。特別是在生產(chǎn)工藝這一環(huán)節(jié)，學(xué)生將設(shè)計并面對一系列綜合性問題，以此來深化對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用[5]。學(xué)生根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行輪崗實(shí)習(xí)，全面了解產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，有助于在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)際動手能力，以及分析問題和解決問題的能力。

3" 虛擬仿真實(shí)踐在無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)中的實(shí)施路徑

3.1" 虛擬仿真平臺與現(xiàn)有教學(xué)體系的結(jié)合

一是整合學(xué)院資源，優(yōu)化一級學(xué)科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，針對實(shí)驗(yàn)教師短缺的現(xiàn)狀，選定一批教師，讓他們在教學(xué)中專注于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這些教師將作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心力量，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，確保學(xué)生能夠接受高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練。二是充分利用學(xué)校的硬件設(shè)施，通過整合一級學(xué)院擁有的國家級、省級先進(jìn)陶瓷等研究中心，省級重點(diǎn)學(xué)科，省級材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺的支撐，充實(shí)無機(jī)非金屬材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)。三是強(qiáng)化教學(xué)方法的融合。提供必要的技術(shù)支持和培訓(xùn)，幫助教師和學(xué)生熟悉虛擬仿真平臺的操作，確保虛擬仿真平臺能夠無縫對接現(xiàn)有的教學(xué)管理系統(tǒng)。運(yùn)用虛擬仿真平臺進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)真實(shí)案例，并鼓勵跨學(xué)科的資源共享，促進(jìn)不同專業(yè)之間的交流和合作交叉教學(xué)，讓更多的學(xué)生接觸到先進(jìn)的儀器設(shè)備，從而加強(qiáng)學(xué)生對不同專業(yè)的認(rèn)識以及新興前沿技術(shù)的使用，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和問題解決能力。

3.2" 校企合作共建虛擬仿真教學(xué)平臺

一是堅持以產(chǎn)教融合理念建設(shè)虛擬仿真項目，基于以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)理念，明確提升學(xué)生的實(shí)踐能力、解決企業(yè)實(shí)際問題等合作目標(biāo)。二是整合資源及技術(shù)，共同開發(fā)虛擬仿真項目。首先是依托校企實(shí)踐基地、校企共建產(chǎn)學(xué)研基地等平臺，搭建校內(nèi)虛擬仿真實(shí)踐平臺，包含但不限于陶瓷材料（日用陶瓷）生產(chǎn)加工虛擬仿真工廠、陶瓷檢測實(shí)驗(yàn)室、陶瓷薄片流延成型法生產(chǎn)虛擬仿真工廠、陶瓷熱壓成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、碳化硅材料生產(chǎn)加工虛擬仿真工廠等虛擬仿真實(shí)踐系統(tǒng)。接著是學(xué)生線上實(shí)訓(xùn)，進(jìn)入模擬的陶瓷企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，在這個過程中深入理解并掌握陶瓷材料的制造技術(shù)。三是建立雙向的評價和反饋機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，評價體系將基于學(xué)生操作的規(guī)范性、行為的正確性以及安全性等多個維度，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)進(jìn)行全面考核，學(xué)生的實(shí)踐過程得到精確細(xì)致的量化評價分析，系統(tǒng)不僅生成是否達(dá)標(biāo)的報告，還提供個性化的改進(jìn)建議，幫助學(xué)生提高操作技能并積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。而教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生被鼓勵通過系統(tǒng)對教學(xué)體驗(yàn)進(jìn)行評價，指出遇到的問題并反饋至系統(tǒng)，為教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供直接反饋。教師則利用這些反饋和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的深入分析，全面了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)技能的掌握情況，評估實(shí)驗(yàn)項目的難易度，并綜合評價整個教學(xué)過程與技能目標(biāo)的匹配程度，進(jìn)一步制定下一輪校企合作實(shí)踐教學(xué)的修訂方案，包括教學(xué)內(nèi)容、方法和考核體系的優(yōu)化，以確保教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際需求相符，提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

3.3" 虛擬仿真教學(xué)平臺與校外實(shí)訓(xùn)產(chǎn)教融合

鑒于該專業(yè)與地方行業(yè)的特殊關(guān)聯(lián)，特別是與傳統(tǒng)和先進(jìn)陶瓷企業(yè)的緊密聯(lián)系，實(shí)踐性教學(xué)顯得尤為重要。學(xué)生需要親身步入生產(chǎn)現(xiàn)場，接觸真實(shí)的工作流程。為此，建立長期穩(wěn)定的校外企業(yè)實(shí)習(xí)基地，深化產(chǎn)教融合，覆蓋從陶瓷原料的選擇、制備、改性到成型加工的全產(chǎn)業(yè)鏈，是實(shí)現(xiàn)校企深度合作的關(guān)鍵。這樣的合作模式不僅促進(jìn)了教學(xué)與企業(yè)實(shí)際需求的緊密結(jié)合，而且通過一線工程師與校內(nèi)教師的聯(lián)合授課，確保了教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性和前瞻性，有助于運(yùn)用高級思維技能，以具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的方式解決復(fù)雜的工程問題。此外，將實(shí)訓(xùn)中的經(jīng)驗(yàn)和反饋帶回校內(nèi)，有助于進(jìn)一步優(yōu)化綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)踐平臺。通過這種方式，學(xué)校能夠不斷調(diào)整和完善課程內(nèi)容，確保教學(xué)與企業(yè)實(shí)際需求同步，真正實(shí)現(xiàn)教育與產(chǎn)業(yè)的無縫對接，為學(xué)生提供一個全面、實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。

4" 結(jié)論

本研究聚焦于新工科背景下無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的教學(xué)改革，旨在通過虛擬仿真實(shí)踐產(chǎn)教融合模式探索，提出三維度的教學(xué)改革方案，強(qiáng)調(diào)多課程綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)的整合，地方特色虛擬仿真實(shí)踐平臺的建設(shè)以及校外企業(yè)實(shí)踐的強(qiáng)化，為無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的教學(xué)改革提供一種創(chuàng)新的路徑，以適應(yīng)快速發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)需求。

基金項目：韓山師范學(xué)院教學(xué)改革項目（E22064）；韓山師范學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項目（E23047）；韓山師范學(xué)院一流課程《材料工程基礎(chǔ)》建設(shè)項目（E23168）；廣東省教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目（HSGDJD-KCJ22822、HSGDJG22783）。

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