利用虛擬實驗技術(shù)提升材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)的有效性

摘要：材料工程專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)。然而，由于實驗條件和資源的限制，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在諸多不足。探討了虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，闡述了虛擬實驗的特點和優(yōu)勢，論證了虛擬實驗技術(shù)能夠有效提升材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。通過實例分析，闡明虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用，為推動材料工程實驗教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗技術(shù);材料工程;基礎(chǔ)實驗;教學(xué)效果

材料工程專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)。然而，由于實驗條件和資源的限制，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在諸多不足，如實驗項目單一、學(xué)生動手機(jī)會少、實驗教學(xué)效果不理想等。虛擬實驗技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些問題提供了新的思路和方法。本文將探討虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，論證其在提升教學(xué)效果方面的可行性和必要性。

1材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限性

傳統(tǒng)的材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)模式存在一定局限性。第一，實驗項目相對固化，難以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求。第二，教師難以針對每個學(xué)生進(jìn)行個性化指導(dǎo)，學(xué)生容易產(chǎn)生依賴心理，缺乏主動性和創(chuàng)造力。第三，受時空限制，學(xué)生難以重復(fù)實驗操作，對實驗原理和過程的理解不夠深入。第四，一些高風(fēng)險、高成本、不可逆的實驗無法真實開展，限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍和深度［1］。這些局限性影響了實驗教學(xué)效果，需要引入新的教學(xué)模式和技術(shù)手段來解決。

1.2實驗教學(xué)資源不足的問題

許多高校的材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)面臨資源不足的問題。一方面，實驗儀器設(shè)備更新滯后，部分設(shè)備老化，無法滿足現(xiàn)代材料工程實驗需求。另一方面，實驗材料消耗大，成本高，難以保證實驗教學(xué)的持續(xù)性和規(guī)?；?。此外，實驗場地空間有限，難以同時容納大量學(xué)生，影響了實驗教學(xué)效率。實驗教學(xué)資源不足限制了學(xué)生的實踐機(jī)會，也給教師的教學(xué)組織和管理帶來挑戰(zhàn)。為解決這一問題，需要學(xué)校加大投入，優(yōu)化資源配置，同時引入虛擬實驗等新技術(shù)，緩解資源不足的壓力。

1.3學(xué)生實踐能力培養(yǎng)面臨的挑戰(zhàn)

材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面面臨挑戰(zhàn)。首先，實驗教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實際和科研前沿脫節(jié)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，實驗教學(xué)方式單一，以驗證性實驗為主，學(xué)生缺乏設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實驗訓(xùn)練。再者，實驗教學(xué)考核評價體系不完善，過于強調(diào)結(jié)果而忽視過程，難以全面評估學(xué)生的實踐能力。學(xué)生實驗學(xué)時有限，動手機(jī)會不足，難以獲得充分的實踐鍛煉。這些問題導(dǎo)致學(xué)生實踐能力培養(yǎng)效果不理想。為應(yīng)對挑戰(zhàn)，需要改革實驗教學(xué)內(nèi)容和方法，加強學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，完善評價體系，提供更多實踐機(jī)會，全面提升學(xué)生的實踐能力。

2虛擬實驗技術(shù)的特點與優(yōu)勢

2.1虛擬實驗技術(shù)的內(nèi)涵與發(fā)展

虛擬實驗技術(shù)是利用計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在虛擬環(huán)境中模擬真實實驗過程和現(xiàn)象，讓學(xué)生通過交互式操作獲得與真實實驗相似的體驗和學(xué)習(xí)效果。虛擬實驗技術(shù)源于20世紀(jì)90年代，隨著計算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗技術(shù)不斷完善和成熟，在教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，虛擬實驗技術(shù)已經(jīng)涵蓋了物理、化學(xué)、生物、材料等多個學(xué)科領(lǐng)域，形成了豐富的虛擬實驗資源庫和應(yīng)用案例。虛擬實驗技術(shù)正在向高度仿真、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，為實驗教學(xué)提供了新的技術(shù)支撐和手段。

2.2虛擬實驗的特點與優(yōu)勢

與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗具有獨特的特點和優(yōu)勢。首先，虛擬實驗突破了時空限制，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行實驗，重復(fù)實驗過程，深入理解實驗原理。其次，虛擬實驗可以模擬真實實驗環(huán)境，讓學(xué)生在安全的條件下進(jìn)行高風(fēng)險、高成本、不可逆的實驗操作，拓展了實驗教學(xué)的范圍和內(nèi)容。再者，虛擬實驗提供了豐富的交互方式和實時反饋，學(xué)生主動參與實驗過程，及時獲得實驗結(jié)果和指導(dǎo)，提高了學(xué)習(xí)效率和效果［2］。虛擬實驗節(jié)約實驗資源，降低實驗成本，提高實驗教學(xué)的靈活性和可擴(kuò)展性。

2.3虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用價值

虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價值。首先，虛擬實驗技術(shù)豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，提供多樣化的實驗項目和學(xué)習(xí)資源，滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。其次，虛擬實驗技術(shù)可優(yōu)化實驗教學(xué)方法，突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的局限性，實現(xiàn)師生互動、生生協(xié)作，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探究創(chuàng)新。再者，虛擬實驗技術(shù)可改進(jìn)實驗教學(xué)評價，通過過程數(shù)據(jù)分析和智能評估，客觀全面地評價學(xué)生的實驗?zāi)芰蛯W(xué)習(xí)效果。虛擬實驗技術(shù)還可服務(wù)于科研創(chuàng)新和社會實踐，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行科研訓(xùn)練和項目實踐，提升綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識。

3虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用3.1虛擬實驗項目的設(shè)計與開發(fā)

在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬實驗技術(shù)，首先需要進(jìn)行虛擬實驗項目的設(shè)計與開發(fā)。教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，選擇適合虛擬仿真的實驗項目，如材料拉伸試驗、金相組織觀察等。教師與虛擬實驗開發(fā)團(tuán)隊合作，確定實驗項目的功能需求、交互方式、界面設(shè)計等，編寫實驗?zāi)_本和故事板。開發(fā)團(tuán)隊利用虛擬現(xiàn)實建模、物理引擎、人機(jī)交互等技術(shù)，將實驗項目轉(zhuǎn)化為虛擬實驗系統(tǒng)［3］。在開發(fā)過程中，教師提供材料工程專業(yè)知識和實驗細(xì)節(jié)，確保虛擬實驗的真實性和準(zhǔn)確性。開發(fā)完成后，教師對虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行測試和改進(jìn)，確保其滿足教學(xué)需求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。例如，在材料拉伸試驗虛擬實驗項目中，學(xué)生可選擇不同的材料樣品、加載速度和力傳感器，通過鼠標(biāo)拖動或手勢交互來進(jìn)行樣品夾持、加載和測量，觀察材料變形過程和應(yīng)力應(yīng)變曲線，并與理論知識相結(jié)合進(jìn)行分析討論。

3.2虛擬實驗教學(xué)的實施與管理

虛擬實驗項目開發(fā)完成后，教師需要合理安排虛擬實驗教學(xué)的實施與管理。教師根據(jù)教學(xué)計劃和學(xué)生人數(shù)，制定虛擬實驗教學(xué)方案，包括實驗時間、地點、分組、任務(wù)等。教師為學(xué)生提供虛擬實驗操作指南和注意事項，指導(dǎo)學(xué)生正確使用虛擬實驗系統(tǒng)。在實驗過程中，教師通過屏幕廣播、遠(yuǎn)程控制等方式，實時監(jiān)控學(xué)生的實驗進(jìn)度和操作，給予必要的指導(dǎo)和幫助。學(xué)生通過登錄虛擬實驗平臺，按照實驗步驟開展操作，并與教師和其他學(xué)生進(jìn)行在線交流和討論。實驗結(jié)束后，學(xué)生提交實驗報告，教師進(jìn)行批閱和反饋。教師需要對虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新，確保其穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)安全。例如，在金相組織觀察虛擬實驗教學(xué)中，教師將學(xué)生分為若干小組，每組學(xué)生通過虛擬實驗平臺，選擇不同的材料樣品和制備工藝，模擬金相試樣的制備過程，并利用虛擬金相顯微鏡觀察材料組織結(jié)構(gòu)，識別不同的組織類型。教師通過在線巡視和答疑，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗任務(wù)，并組織學(xué)生進(jìn)行小組討論和總結(jié)。

3.3虛擬實驗教學(xué)效果的評價與反饋

為保證虛擬實驗教學(xué)質(zhì)量和持續(xù)改進(jìn)，需要對虛擬實驗教學(xué)效果進(jìn)行評價與反饋。教師通過多種評價方式，全面考查學(xué)生的實驗?zāi)芰蛯W(xué)習(xí)效果。一方面，教師對學(xué)生的實驗報告、在線測試、操作記錄等進(jìn)行評分，重點評估學(xué)生對實驗原理的理解、操作技能的掌握和數(shù)據(jù)分析的能力。另一方面，教師通過課堂觀察、問卷調(diào)查、面談等方式，收集學(xué)生對虛擬實驗教學(xué)的反饋意見，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和建議。教師通過與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的對比分析，評估虛擬實驗教學(xué)的優(yōu)勢和不足。根據(jù)評價與反饋結(jié)果，教師與開發(fā)團(tuán)隊共同優(yōu)化和改進(jìn)虛擬實驗項目，提高虛擬實驗教學(xué)的有效性和吸引力［4］。

4虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中應(yīng)用的案例分析4.1案例一：金相實驗虛擬仿真項目

某高校材料工程專業(yè)開發(fā)了金相實驗虛擬仿真項目。學(xué)生通過虛擬仿真平臺，模擬金相試樣的制備過程，包括切割、鑲嵌、打磨、拋光等步驟。學(xué)生選擇不同的材料樣品和制備參數(shù)，通過鼠標(biāo)操作和菜單選擇，完成試樣制備。然后，學(xué)生使用虛擬金相顯微鏡，調(diào)整放大倍數(shù)和光源條件，觀察材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，如晶粒大小、析出相分布等。學(xué)生進(jìn)行圖像處理和分析，測量晶粒度、相分?jǐn)?shù)等參數(shù)。通過虛擬金相實驗，學(xué)生掌握了金相試樣制備和金相組織觀察的基本技能，加深了對材料組織結(jié)構(gòu)特征的理解。

4.2案例二：材料力學(xué)性能試驗虛擬仿真項目

某高校材料工程專業(yè)引入了材料力學(xué)性能實驗虛擬仿真項目，包括拉伸、壓縮、彎曲、沖擊等多個實驗?zāi)K。以拉伸實驗為例，學(xué)生在虛擬仿真平臺上，選擇不同的材料樣品，如金屬、陶瓷、聚合物等，設(shè)置實驗參數(shù)，如加載速度、溫度等。然后，學(xué)生通過鼠標(biāo)拖動或鍵盤控制，模擬樣品夾持、加載和斷裂的過程，觀察材料的變形和斷裂行為，獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)性能參數(shù)，如屈服強度、抗拉強度、延伸率等。學(xué)生可以進(jìn)行多組實驗，對比不同材料和工藝條件下的力學(xué)性能差異。通過虛擬仿真實驗，學(xué)生掌握了材料力學(xué)性能測試的原理和方法，加深了對材料力學(xué)行為的認(rèn)識。

4.3案例三：材料熱處理實驗虛擬仿真項目

某高校材料工程專業(yè)開發(fā)了材料熱處理實驗虛擬仿真項目。學(xué)生通過虛擬仿真平臺，模擬不同材料的熱處理工藝過程，如退火、正火、淬火、時效等。學(xué)生選擇不同的材料樣品，設(shè)置熱處理工藝參數(shù)，如加熱溫度、保溫時間、冷卻速率等。通過動畫演示和數(shù)據(jù)曲線，學(xué)生觀察材料在熱處理過程中的組織結(jié)構(gòu)演變和性能變化，如奧氏體化、析出相溶解、晶粒長大等［5］。學(xué)生通過虛擬硬度計、虛擬拉伸試驗機(jī)等，測試熱處理后材料的硬度、強度等性能參數(shù)。通過對比不同工藝參數(shù)下的組織性能變化，學(xué)生優(yōu)化熱處理工藝，掌握了材料熱處理的基本原理和方法，提高了工程實踐能力。

4結(jié)語

虛擬實驗技術(shù)在材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，能夠有效補充和完善傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足，提供更加豐富多樣的實驗項目和學(xué)習(xí)資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。虛擬實驗技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)勢互補，是提升材料工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)質(zhì)量和效果的重要途徑。高校應(yīng)加強虛擬實驗技術(shù)的研究與應(yīng)用，不斷探索創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，為培養(yǎng)高素質(zhì)材料工程專業(yè)人才提供有力支撐。

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基金項目：海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究項目“‘材料工程基礎(chǔ)’課程思政設(shè)計與創(chuàng)新實踐”（Hnjg2024—23）;海南大學(xué)2023年度校級課程思政教育研究專項項目“‘材料工程基礎(chǔ)’課程思政設(shè)計與創(chuàng)新實踐”（hdsz2311）;海南大學(xué)2024年度校級課程思政教育研究專項項目“‘材料工程基礎(chǔ)’課程思政設(shè)計與創(chuàng)新實踐”（djy2429）

作者簡介：王哲，男，河北人，講師，博士，研究方向：無機(jī)非金屬材料。