虛擬仿真在無機非金屬材料實踐教學中的應用

王 靜, 楊金萍, 王春梅

(1. 華北理工大學 材料科學與工程學院, 河北 唐山 063009；2. 河北省無機非金屬材料重點實驗室, 河北 唐山 063009)

虛擬仿真技術探索與實踐

虛擬仿真在無機非金屬材料實踐教學中的應用

王 靜1,2, 楊金萍1,2, 王春梅1,2

(1. 華北理工大學 材料科學與工程學院, 河北 唐山 063009；2. 河北省無機非金屬材料重點實驗室, 河北 唐山 063009)

論述了將虛擬仿真教學引入無機非金屬材料專業實踐教學的必要性,為克服傳統實踐教學存在的局限性,結合虛擬仿真技術建立了虛擬實踐教學平臺,以提高學生主動思考和動手能力,促進無機非金屬材料專業本科虛擬仿真實踐教學發展。

虛擬仿真； 實踐教學； 創新教學

伴隨著現代產業的發展,培養學生的創新能力和工程能力已成為理工類院校近年來教育的重點[1]。創新型和工程型人才以具有創造意識、創新精神、創新能力和實踐動手能力為特征,而培養創新型和工程型人才的方法、途徑則呈現多樣化[2-4]。隨著虛擬技術、多媒體技術、數據庫技術和網絡通信技術的發展,越來越多的計算機技術應用到教學中,促進了傳統教學模式和教學方法的改變,為創新型、工程型人才的培養開辟了新渠道[5-7]。虛擬仿真技術克服了實踐教學中一些固有的缺點,在實踐教學方面得到了越來越多的關注,促進了虛擬仿真在實踐教學中的大規模應用[8-11]。

1 建設實踐教學虛擬仿真平臺的必要性

無機非金屬材料學科的理論與實踐結合得非常緊密,實踐教學是培養無機非金屬材料學科高素質人才的重要環節。實驗室和實習工廠是培養創新型和工程型人才的基地和搖籃,實踐教學項目和教學手段是人才培養的有效載體,實踐基地管理體制與運行機制是實現人才培養的根本保障。但是許多材料專業的實習工廠的實習崗位都具有一定的危險性(例如高溫、高壓、高速運轉的設備,常見的地坑等),從工廠運營和學生管理兩方面都無法真正實現大批學生長期參與性的學習和鍛煉,實習工廠只能成為學生短期參觀性學習的場所[12]。

唐山是我國北方水泥和陶瓷的生產基地,而地處唐山的華北理工大學材料學院作為培養無機非金屬材料人才的地方院校,致力于培養具有工程設計、工程實踐和工程創新能力的專業技術人才。因此,我學院自建校以來非常重視實踐教學的建設與發展，本科畢業生的去向主要是水泥、陶瓷、玻璃等工業企業。無機非金屬材料工業從原料加工到產品出廠需經歷數十個工序,工藝流程復雜,設備體積龐大且內部結構復雜,學生若要系統了解全部工藝流程比較困難,特別是對設備結構和工作原理以及燒成窯內物理化學變化的學習更是困難。燒成車間在物料煅燒過程中,有較高的噪聲和粉塵,并有有一定的危險性。另外,現有實習工廠逐漸遠離市區,交通不便。因此,實習環節一般進行參觀性實習,不可能進行現場實訓和工藝操作,實踐效果并不理想。

為改善學校的實驗條件,培養專業基礎扎實,能勝任現代無機非金屬材料制備、材料結構與性能表征、材料應用等領域科學研究、技術創新、工藝設計和設備研發工作的高層次、高素質人才,落實“卓越工程師教育培養計劃”,建設無機非金屬材料專業虛擬仿真實驗室是必要的,也是緊迫的。

2 虛擬仿真技術應用于實踐教學的優勢

虛擬仿真技術在改善實踐教學方面有明顯的優勢：

(1) 可以實現無機非金屬材料工程領域各種生產設備與工藝流程、生產工藝參數、產品性能等的展示與實驗,提高實驗教學的系統性；

(2) 虛擬仿真實踐教學平臺占用的實驗面積小,功能強,克服了傳統實驗教學受時間和地點限制的弊端,既節省時間、資金,涵蓋范圍又廣；

(3) 三維動畫模型及豐富的色彩和音樂,使得教學環境更能激發學習興趣,是對傳統實驗教學的補充和擴展,幫助學生提高工程能力；

(4) 在有限的實驗室面積和豐富的軟件資源條件下,虛擬仿真實踐平臺可為社會提供更多的培訓服務。

3 我校虛擬仿真實驗室的建立與發展

華北理工大學材料科學與工程學院建設中的虛擬實踐教學平臺按照構建創新型和工程型人才培養模式的要求進行設計。在現有的實踐教學基礎上,完善虛擬實踐教學平臺建設,將學生課外科技活動及工程技術性活動計劃與人才培養方案相結合,使創新和工程類活動成果成為認定學生畢業學分的一部分,推進我校創新型和工程型人才的培養。

材料學院目前擁有與冀東水泥集團有限責任公司等多家企業聯合建設的河北省重點實驗室,現有綜合熱分析儀、壓汞法孔結構測定儀、激光粒度分析儀等先進的大型、精密儀器設備230多臺套,基本具備了開展無機非金屬材料粉碎、混合、成型、煅燒、化學分析、熱分析及物理性能檢測等方面的能力。實驗中心現有實驗室面積800多m2,可為儀器設備提供良好的安裝、維護和保養,為虛擬實驗教學的開展提供場所。

為了進一步改善實踐環節的效果、充分利用網絡教學資源,2014年,學院利用本校數字化網絡基礎平臺及現有實驗場地和設備,先后投入近200萬元用于資源開發、設備購置和網絡平臺建設,逐步完善了無機非金屬材料科學與工程多媒體教學系統和虛擬交互學習系統,并進一步將網絡虛擬系統與生產實習、專業課程教學結合起來,開展大學生創新性實驗計劃。

虛擬實踐教學平臺建成后,可以模擬真實的實踐環境、完成預定的實踐項目、獲得直觀真實的實踐效果、展現不可視的材料結構或科學原理,從而快速響應教學實踐的需求,既可滿足創新人才的培養,又能滿足工程技術能力的提高。

通過虛擬仿真實踐平臺的建立,不但能達到接近現場實體的實踐效果,且無危險、無污染,實現綠色實踐教學。例如通過對水泥廠生產工藝和陶瓷廠生產工藝進行數值模擬,學生可以了解生產工藝流程以及設備運行情況,通過外部參數的設定來控制生產線的運行,掌握溫度、壓力等參數對無機非金屬材料物理化學變化的影響,增強了學生對專業課及專業基礎課理論的理解,使理論知識與實踐操作融會貫通,形成從專業認知到交互學習、從工程實踐訓練到創新能力培養的系統化的實踐教學體系。虛擬仿真實踐平臺將成為無機非金屬材料學科人才培養的重要實踐教學基地。

本中心建成后,還將組織學生進行課外科技活動、學科競賽等第二課堂活動,整合形成“大學生創新和工程能力訓練體系”,該體系包含工藝類課程、材料類科研課題、虛擬生產線的工藝參數調整等方面的訓練。

4 結束語

虛擬實踐教學平臺將實現課內與課外教學活動的有機互動,為培養大學生的工程能力和創新能力創造良好的條件,把工業工程在產業中的應用貫穿到理論教學與實踐教學的每一個環節,形成“知識點教學—課程綜合應用—專業知識綜合應用”環環相扣、逐步加強的應用型教學內容體系。同時,虛擬實踐教學平臺以學生研究項目為載體、以教師科研助手為手段,構建與教學內容體系互動的學生課外創新體系,成為師生創新的平臺。

References)

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Application of virtual simulation technology in practice teaching of Inorganic Non-matallic Material specialty

Wang Jing1,2, Yang Jinping1,2, Wang Chunmei1,2

(1. School of Materials Science and Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, China; 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials,Tangshan 063009, China)

The necessity of virtual simulation technology in inorganic non-metallic material specialty’s practice teaching is researched. Aiming at the disadvantages of traditional teaching,the virtual practice teaching platform is established to improve the active thinking and practical ability of students,which can promote the development of virtual simulation technology in the inorganic non-metallic material specialty.

virtua1 simulation； practice teaching； innovative teaching

2015- 03- 18

河北省高等學校科學技術研究項目(ZD20131036)；河北聯合大學教育教學改革研究項目(Y1453-11；Y1447-05)

王靜(1972—),女,河北保定,博士,副教授,主要從事新能源材料的研究.

E-mail：wangj2004@heuu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2015)7- 0107- 02