材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立

丁懷平　韓民　劉飛

摘 要 材料科學(xué)與工程作為一門實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)科，需要進(jìn)行大量的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，才能使學(xué)生對一些材料的結(jié)構(gòu)與形成原理有清楚的了解，然而材料科學(xué)的實(shí)驗(yàn)往往需要一定的特殊環(huán)境條件，這些條件限制了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體驗(yàn)，產(chǎn)生昂貴的教學(xué)費(fèi)用，同時(shí)加大了安全隱患。通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，不僅使學(xué)生能夠更好地學(xué)習(xí)材料的結(jié)構(gòu)與原理，而且實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)約、安全可靠和可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

關(guān)鍵詞 材料科學(xué)與工程；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）08-0011-02

1 前言

近年來，以自身的科研與教學(xué)需求為依據(jù)，國內(nèi)外很多高校對材料科學(xué)與工程的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了開發(fā)，并建設(shè)起相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室這一概念最早是由美國學(xué)者William Wolf（1989）提出的，它是理論與實(shí)驗(yàn)之外的另一種形式與設(shè)計(jì)方式。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員利用對真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的模擬，對多種僅局限于構(gòu)思層面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目予以完成，這有利于真實(shí)直觀實(shí)驗(yàn)效果的獲取，賦予原理與結(jié)構(gòu)可視化的特征，能夠在很大程度上對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求進(jìn)行快速響應(yīng)與滿足。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢在于其有著高效率、高擴(kuò)展性、高安全性、高開放性、高資源共享性以及低成本等特征。通過此種教學(xué)，學(xué)生可以更好地進(jìn)行自我訓(xùn)練，這有利于強(qiáng)化其創(chuàng)新意識，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的虛實(shí)互補(bǔ)。因此，材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)逐漸發(fā)展為高校建設(shè)工作的一個(gè)重要努力方向。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容

作為一門有著較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)性特征的學(xué)科，材料科學(xué)與工程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對于高素質(zhì)人才的培養(yǎng)來說必不可少。隨著材料科學(xué)與工程的發(fā)展，微結(jié)構(gòu)的分析手段使用越來越頻繁，在納米—微米空間尺度，原子、分子和電子的層次上來解析材料的結(jié)構(gòu)與物理、化學(xué)過程。這些材料的微觀過程，在儀器測量中通常不能夠直接感知，所以在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生很難將實(shí)際與理論知識結(jié)合起來；許多材料的制備成本和實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，不能夠做到大量配置；還有部分實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間，同時(shí)包含許多的內(nèi)容需要精細(xì)調(diào)節(jié)；一些學(xué)生以前沒有接觸過實(shí)驗(yàn)裝置，所以調(diào)整實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)參數(shù)浪費(fèi)大量時(shí)間，很難確保在實(shí)驗(yàn)課規(guī)定時(shí)間中完成；部分部件，如原子力顯微鏡探針等，安裝時(shí)很容易損壞，且更換費(fèi)用很高。

綜上所述的實(shí)際限制，在往常的實(shí)驗(yàn)課程中，教師通常先完成相關(guān)硬件調(diào)試部分，學(xué)生只進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的獲取。這樣往往導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)達(dá)不到預(yù)定的教學(xué)效果，在一定程度上限制了學(xué)生訓(xùn)練獨(dú)立操作的能力。通過材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立，可以在規(guī)定的時(shí)間以及適當(dāng)?shù)某杀痉秶拢箤W(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)設(shè)備有更直觀的了解，并通過更系統(tǒng)的訓(xùn)練，大大提高學(xué)生的實(shí)際動手能力和對實(shí)驗(yàn)原理的深刻理解，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)裝置的利用率。

針對高危實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 在材料科學(xué)工程中，部分實(shí)驗(yàn)會涉及一些放射性的內(nèi)容，例如：在放射性的環(huán)境中對材料性能的改變進(jìn)行觀察與分析；跟蹤一些由放射性的元素構(gòu)成的材料所經(jīng)歷的擴(kuò)散、相變以及重新組織的過程等。在這些特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件下，學(xué)生能夠更好地把握材料組織與演變的規(guī)律，但其危險(xiǎn)性很強(qiáng)，全國高校因?yàn)榇祟悓?shí)驗(yàn)出現(xiàn)安全事故的例子也比較多，現(xiàn)階段，很多高校明令禁止讓學(xué)生進(jìn)行此類危險(xiǎn)系數(shù)極高的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。這就對計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)提出要求，借助于放射性實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，對原子的擴(kuò)散、相變和組織形成等實(shí)驗(yàn)過程予以展現(xiàn)。

針對高成本實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 在材料工程的專業(yè)課程中，有些實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行是以一定實(shí)驗(yàn)材料的消耗為前提的。但是，重復(fù)性的消耗會加劇實(shí)驗(yàn)的成本，這在一定程度上限制一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的持續(xù)發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對綠色節(jié)約理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)予以實(shí)現(xiàn)，例如：在進(jìn)行“三維晶體結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)之時(shí)，利用Materials Studio軟件構(gòu)建形態(tài)多變的晶體結(jié)構(gòu)；在“工藝過程仿真”“材料加工”這些實(shí)驗(yàn)中，利用FA-STAR軟件觀察研究對象的逐漸成形過程。通過學(xué)習(xí)模擬仿真軟件，高校學(xué)生能夠理解材料制造中的傳熱過程、充型流動、微觀組織、應(yīng)力應(yīng)變和缺陷形成的知識點(diǎn)。這一仿真實(shí)驗(yàn)中心的建立大大節(jié)約了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的成本，而且體現(xiàn)了綠色環(huán)保的理念。

針對極端條件下的實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺 材料科學(xué)與工程有些實(shí)驗(yàn)材料的制備是需要在特定的條件下才能完成的，如高溫、高壓等極端環(huán)境條件，然而真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)這樣的條件，而且這樣的環(huán)境在真實(shí)中也存在很大的安全隱患。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺則可以將這些實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)嶋H觀察到的實(shí)驗(yàn)。如在“高分子自組裝過程”實(shí)驗(yàn)中，利用分子動力學(xué)對高分子的自動組裝進(jìn)行模擬與演示，這樣能夠加深學(xué)生的理解，使其掌握分子與原子的運(yùn)動過程，從而更好地掌握在這些極端條件下的實(shí)驗(yàn)。

3 打造卓越的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)師資力量

材料科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中心的建立從層次、結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及學(xué)科分布等環(huán)節(jié)把握，要求對有著高教學(xué)與管理能力的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍進(jìn)行建設(shè)，主要的師資應(yīng)包括主講教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)員以及助教等。

主講教師主要負(fù)責(zé)高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，包括實(shí)驗(yàn)操作過程中的一些規(guī)范操作和安全注意事項(xiàng)。主講教師主要是一些從事多年相關(guān)專業(yè)教學(xué)的教授、副教授和科研一線人員等，他們通過一些國家重大內(nèi)容的訓(xùn)練，積累了豐富的基礎(chǔ)知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠清楚地把握材料科學(xué)的發(fā)展方向，并推動實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行更新與改革，最終將教學(xué)工作真正融入科研環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員通常對實(shí)驗(yàn)的課前準(zhǔn)備、過程指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理以及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等負(fù)責(zé)。材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中心的建立以發(fā)展與提高為宗旨，在多種形式的開展中對技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)予以提升，如開辦學(xué)術(shù)會議和課題組會，并做好學(xué)習(xí)報(bào)告與交流等。此外，對優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員頒發(fā)獎金，鼓勵(lì)其對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)進(jìn)行積極探索，這能夠在一程度上推動研究能力強(qiáng)、教學(xué)方法好以及管理經(jīng)驗(yàn)足的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)助教的組成人員通常為在讀的碩士生或博士生。實(shí)驗(yàn)助教需要通過學(xué)校崗前的培訓(xùn)，主要要求對學(xué)科專業(yè)有很清楚的了解，對實(shí)驗(yàn)操作流程很明確，實(shí)驗(yàn)中要求注意的事項(xiàng)也了如指掌，平時(shí)要協(xié)助實(shí)驗(yàn)主講教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，以及做好學(xué)生的輔導(dǎo)和考核。實(shí)驗(yàn)助教在相關(guān)領(lǐng)域有較長時(shí)間的學(xué)習(xí)，可以開闊實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的思路，同時(shí)為師生的互動提供很好的紐帶。

4 結(jié)語

為建立材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，需要面向高校工科專業(yè)開設(shè)30多門相關(guān)課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心通過吸收擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的卓越師資團(tuán)隊(duì)，制定出一套高效率的管理方法與實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行機(jī)制，通過對精品課程進(jìn)行設(shè)置，配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色穩(wěn)步推進(jìn)師資隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果和實(shí)踐合作等項(xiàng)目，使得高校以外的實(shí)踐基地成為綜合型的多功能教育教學(xué)、社會實(shí)踐和服務(wù)的重要基地。

這一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建立強(qiáng)化培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，鍛煉了創(chuàng)新思維，正確處理了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的結(jié)合，深化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。這是一項(xiàng)系統(tǒng)的建設(shè)工程，需要不斷努力探索和研究，不斷推進(jìn)教育事業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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