材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)及實(shí)踐

申文竹　王斌　易鋒　劉麗　武斌

[摘 要]為探索學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展的新途徑和新模式，西南石油大學(xué)積極啟動(dòng)了第二課堂建設(shè)工作，以人才培養(yǎng)為中心、以指導(dǎo)教師隊(duì)伍建設(shè)為重點(diǎn)，打造管理規(guī)范、內(nèi)容豐富、實(shí)效性強(qiáng)的第二課堂活動(dòng)，以提升學(xué)生綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)成才。通過材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，整合教師和軟件資源，拓展軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，促進(jìn)教學(xué)科研互動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)內(nèi)容的有效轉(zhuǎn)化；創(chuàng)建貼近實(shí)際的模擬、虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能彌補(bǔ)材料類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)所存在的不足，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有效解決學(xué)生能力培養(yǎng)問題，為應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)創(chuàng)造有利條件。

[關(guān)鍵詞]材料成型；虛擬平臺(tái)；系統(tǒng)仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）05-0072-02

西南石油大學(xué)材料控制與成型專業(yè)是2010年獲批的新辦專業(yè)，由于該專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為大型重裝設(shè)備，占地面積大，設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，運(yùn)行成本高，能耗污染大，加之該專業(yè)社會(huì)需求大，學(xué)生人數(shù)多，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以滿足其培養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)更無法開展。因此，其急需通過數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以低成本、不受限制（時(shí)間和空間）方式，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和補(bǔ)強(qiáng)。[1]

一、平臺(tái)建設(shè)

學(xué)院在建院之初制定本科生培養(yǎng)方案時(shí)，面向全專業(yè)本科生開設(shè)了計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用課程，系統(tǒng)地向?qū)W生介紹了計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用，使學(xué)生初步掌握在材料科學(xué)研究領(lǐng)域中更好地應(yīng)用計(jì)算機(jī)的思路、方法和原理。2004年進(jìn)行相關(guān)調(diào)研和探索后，在學(xué)校支持下，學(xué)院于2005年購置了JS？鄄CAST鑄造成型軟件，組建了鑄造成型仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，2012年和2015年分別購置DEFORM成型軟件和Simufact.welding軟件，相繼開設(shè)了七項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，如表1所示。

2015-2016學(xué)年度參加學(xué)生學(xué)習(xí)人時(shí)數(shù)達(dá)1544人時(shí)數(shù)，較好解決了材料成型過程中的結(jié)構(gòu)性能變化的可視化問題，為工藝方法、工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、缺陷預(yù)測(cè)等奠定了基礎(chǔ)，增加了學(xué)習(xí)的形象性、興趣性，為學(xué)生走上工作崗位、扎根企業(yè)提供了良好的前期準(zhǔn)備基礎(chǔ)。

二、基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的虛擬教學(xué)

（一）第二課堂活動(dòng)

為探索學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展的新途徑和新模式，我校積極啟動(dòng)第二課堂建設(shè)工作，以人才培養(yǎng)為中心、以指導(dǎo)教師隊(duì)伍建設(shè)為重點(diǎn)，打造管理規(guī)范、內(nèi)容豐富、實(shí)效性強(qiáng)的第二課堂活動(dòng)，以提升學(xué)生綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)成才。其中，借助虛擬仿真平臺(tái)，開設(shè)了“材料相圖的仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練”活動(dòng)。該活動(dòng)受到廣泛歡迎，吸引了材料學(xué)院材科、材控、新能源等多個(gè)專業(yè)、不同年級(jí)的本科學(xué)生和研究生參加。該活動(dòng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行了材料相圖基礎(chǔ)知識(shí)的理論培訓(xùn)和相圖計(jì)算軟件的操作應(yīng)用培訓(xùn)；開展了材料相圖的仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析；最后經(jīng)過相應(yīng)的考核，加深學(xué)生對(duì)材料相圖的運(yùn)用及新材料設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。該活動(dòng)影響深刻，取得了圓滿的成功。

（二）專題知識(shí)講座

大學(xué)知識(shí)講座不僅可以擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面，開闊學(xué)生知識(shí)視野，還可以活躍學(xué)術(shù)氛圍，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升、理論研究和學(xué)術(shù)創(chuàng)新具有良好的促進(jìn)作用。依托仿真平臺(tái)，積極開展相關(guān)計(jì)算軟件和虛擬知識(shí)應(yīng)用的專題講座，不僅可以增加學(xué)生對(duì)前沿性的理論知識(shí)的討論，更能發(fā)掘他們的學(xué)術(shù)興趣、增強(qiáng)學(xué)術(shù)功底。

在“基于分子動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行材料微觀結(jié)構(gòu)計(jì)算” 的專題講座中，教師將微觀分子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來，經(jīng)過綜合交互處理，通過結(jié)構(gòu)分析、模擬、數(shù)據(jù)處理一體化技術(shù)，從微觀角度揭示結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，預(yù)報(bào)各種材料學(xué)相關(guān)的現(xiàn)象，解釋材料的微觀至宏觀的各種性質(zhì)，進(jìn)行各種材料如合金、陶瓷、高分子材料的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

在“Materials Studio計(jì)算軟件和CASTEP模塊簡(jiǎn)介”講座中，教師介紹了Materials Studio軟件的CASTEP模塊程序包的用途和使用方法。通過該種計(jì)算軟件，可以計(jì)算具有周期性結(jié)構(gòu)的材料對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)等。通過第一性原理開展的材料電子行為的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)講座，教師形象地講解了量子力學(xué)、固體物理與半導(dǎo)體物理中的理論知識(shí)，將抽象的公式形象化、具體化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入原子和電子的微觀領(lǐng)域，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

（三）學(xué)科競(jìng)賽和科技創(chuàng)新等活動(dòng)

學(xué)院調(diào)研了虛擬仿真各項(xiàng)全國賽事，積極組織學(xué)生參與相關(guān)賽事和挑戰(zhàn)杯等，通過課賽結(jié)合、以賽促學(xué)的育人模式，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力。[2]2016年，學(xué)院首次組織了2組6名學(xué)生參加基于JSCAST的“永冠杯”第七屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽，獲優(yōu)勝獎(jiǎng)和參與獎(jiǎng)各一項(xiàng)。雖然沒有獲得較好的成績(jī)，但是參賽學(xué)生紛紛表示，參加這次大賽，提高了他們對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)的感知和對(duì)鑄造的熱愛，也增加了他們對(duì)鑄造的專業(yè)理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際的了解。

為了使學(xué)生盡快融入科學(xué)研究的氛圍，我院鼓勵(lì)教師將最新的研究成果傳授給學(xué)生并增設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生參與到科研課題中，同時(shí)，很多學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目都來源于教師科研項(xiàng)目。我院于2010年申請(qǐng)建立油氣田材料四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室并獲批，再次推動(dòng)了我院工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。近三年來，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，我院完成虛擬類各類大學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)14余項(xiàng)，執(zhí)行省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目15余項(xiàng)，近三年參加虛擬項(xiàng)目開放基金的學(xué)生達(dá)120余人次，完成虛擬類畢業(yè)設(shè)計(jì)94人，科技創(chuàng)新活動(dòng)受益面廣。

三、進(jìn)一步研究與實(shí)踐的思路

經(jīng)過幾年的研究實(shí)踐，材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)初見成效：擁有了兩臺(tái)服務(wù)器、31臺(tái)終端電腦、各類大型專業(yè)軟件等軟硬件設(shè)施齊全的獨(dú)立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室；探索了一套“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及模式；建設(shè)了一支技術(shù)過硬，滿足虛擬仿真人才培養(yǎng)要求的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍；建立了滿足自主開放實(shí)驗(yàn)要求的管理制度等。2013年獲得了“材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)”校級(jí)重點(diǎn)教改項(xiàng)目的資助；2014年獲得了校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心培養(yǎng)項(xiàng)目資助。但是，虛擬仿真技術(shù)涉及大量的動(dòng)畫、影像資料的制作和處理，還要有較高的程序代碼識(shí)別和編寫能力，具有較高的前期制作成本和深厚的計(jì)算機(jī)編程功底，現(xiàn)階段仍處于起步階段。

下一階段我們將結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際，擴(kuò)大虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍，將材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功經(jīng)驗(yàn)滲透到材料學(xué)科其他專業(yè)，整合教師科研資源，分別搭建材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、材料設(shè)計(jì)計(jì)算仿真平臺(tái)和材料力學(xué)與工程仿真平臺(tái)。三大平臺(tái)的共同構(gòu)建可以滿足材料學(xué)科“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”四要素的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)難題，實(shí)現(xiàn)一些實(shí)體實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化，有效降低實(shí)驗(yàn)成本，使“投入大、能耗高、風(fēng)險(xiǎn)大、安全隱患大”等實(shí)際問題得以解決，使一些條件不具備的實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形象性及吸引力，提升教學(xué)效果。

首先，開設(shè)更多的基于虛擬仿真的專業(yè)探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)精品課程和虛擬實(shí)驗(yàn)教材的建設(shè)；開設(shè)更多的與之相關(guān)的第二課堂和相關(guān)軟件使用的專題講座和學(xué)術(shù)報(bào)告，鼓勵(lì)更多學(xué)生參與到虛擬仿真開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中。

其次，大型分析測(cè)試儀器是高等學(xué)校的寶貴實(shí)驗(yàn)資源，代表了先進(jìn)的測(cè)試水平和發(fā)展方向。但是由于大型分析測(cè)試儀器價(jià)值昂貴，臺(tái)套數(shù)少，并且需經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)后才可以操作使用，因此，探索虛擬仿真技術(shù)在大型儀器設(shè)備上的開發(fā)和應(yīng)用，搭建大型儀器設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也成為很多高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的重要方向。

再次，要構(gòu)建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)化的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。可以將虛擬實(shí)驗(yàn)室和開放式實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，使學(xué)生能夠利用自己的時(shí)間通過預(yù)約的方式進(jìn)行有效的仿真實(shí)驗(yàn)，并通過虛擬設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

四、結(jié)語

我校通過材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，整合教師和軟件資源，拓展軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，促進(jìn)教學(xué)科研互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)內(nèi)容的有效轉(zhuǎn)化；創(chuàng)建貼近實(shí)際的模擬、虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，彌補(bǔ)材料類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)所存在的不足，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有效解決學(xué)生能力培養(yǎng)問題，為應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)創(chuàng)造有利條件。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（2）：5-8.

[2] 游磊，淡艷，張志強(qiáng).以科技競(jìng)賽為核心搭建多維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的研究[J].教育與教學(xué)研究，2014（8）：86-88.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]