材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建立

丁懷平　韓民　劉飛

摘 要 材料科學與工程作為一門實驗性較強的學科，需要進行大量的實際操作實驗，才能使學生對一些材料的結構與形成原理有清楚的了解，然而材料科學的實驗往往需要一定的特殊環境條件，這些條件限制了實驗的教學體驗，產生昂貴的教學費用，同時加大了安全隱患。通過建立虛擬仿真實驗教學中心，不僅使學生能夠更好地學習材料的結構與原理，而且實現綠色節約、安全可靠和可視化的虛擬仿真實驗教學平臺。

關鍵詞 材料科學與工程；虛擬仿真實驗室；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：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需求為依據，國內外很多高校對材料科學與工程的仿真實驗項目進行了開發，并建設起相應的虛擬仿真實驗室。虛擬仿真實驗室這一概念最早是由美國學者William Wolf（1989）提出的，它是理論與實驗之外的另一種形式與設計方式。實驗的設計人員利用對真實實驗場景的模擬，對多種僅局限于構思層面的實驗項目予以完成，這有利于真實直觀實驗效果的獲取，賦予原理與結構可視化的特征，能夠在很大程度上對實驗教學的要求進行快速響應與滿足。

虛擬仿真實驗教學的優勢在于其有著高效率、高擴展性、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，學生可以更好地進行自我訓練，這有利于強化其創新意識，最終實現實驗教學工作的虛實互補。因此，材料科學與工程虛擬仿真實驗室建設逐漸發展為高校建設工作的一個重要努力方向。

2 虛擬仿真實驗室建設內容

作為一門有著較強實驗性特征的學科，材料科學與工程的實驗教學環節對于高素質人才的培養來說必不可少。隨著材料科學與工程的發展，微結構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構與物理、化學過程。這些材料的微觀過程，在儀器測量中通常不能夠直接感知，所以在實驗中學生很難將實際與理論知識結合起來；許多材料的制備成本和實驗設備昂貴，不能夠做到大量配置；還有部分實驗耗費時間，同時包含許多的內容需要精細調節；一些學生以前沒有接觸過實驗裝置，所以調整實驗過程和實驗參數浪費大量時間，很難確保在實驗課規定時間中完成；部分部件，如原子力顯微鏡探針等，安裝時很容易損壞，且更換費用很高。

綜上所述的實際限制，在往常的實驗課程中，教師通常先完成相關硬件調試部分，學生只進行一些參數的設置、數據的獲取。這樣往往導致學生實驗達不到預定的教學效果，在一定程度上限制了學生訓練獨立操作的能力。通過材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建立，可以在規定的時間以及適當的成本范圍下，使學生對實驗操作和實驗設備有更直觀的了解，并通過更系統的訓練，大大提高學生的實際動手能力和對實驗原理的深刻理解，同時提高實驗裝置的利用率。

針對高危實驗的虛擬仿真實驗教學平臺 在材料科學工程中，部分實驗會涉及一些放射性的內容，例如：在放射性的環境中對材料性能的改變進行觀察與分析；跟蹤一些由放射性的元素構成的材料所經歷的擴散、相變以及重新組織的過程等。在這些特定的實驗環境與條件下，學生能夠更好地把握材料組織與演變的規律，但其危險性很強，全國高校因為此類實驗出現安全事故的例子也比較多，現階段，很多高校明令禁止讓學生進行此類危險系數極高的真實實驗。這就對計算機虛擬仿真實驗的出現提出要求，借助于放射性實驗的虛擬仿真，對原子的擴散、相變和組織形成等實驗過程予以展現。

針對高成本實驗的虛擬仿真實驗教學平臺 在材料工程的專業課程中，有些實驗的進行是以一定實驗材料的消耗為前提的。但是，重復性的消耗會加劇實驗的成本，這在一定程度上限制一般實驗教學工作的持續發展。虛擬仿真實驗對綠色節約理念的實驗教學予以實現，例如：在進行“三維晶體結構”實驗之時，利用Materials Studio軟件構建形態多變的晶體結構；在“工藝過程仿真”“材料加工”這些實驗中，利用FA-STAR軟件觀察研究對象的逐漸成形過程。通過學習模擬仿真軟件，高校學生能夠理解材料制造中的傳熱過程、充型流動、微觀組織、應力應變和缺陷形成的知識點。這一仿真實驗中心的建立大大節約了真實實驗中的成本，而且體現了綠色環保的理念。

針對極端條件下的實驗的虛擬仿真實驗教學平臺 材料科學與工程有些實驗材料的制備是需要在特定的條件下才能完成的，如高溫、高壓等極端環境條件，然而真實的實驗環境很難實現這樣的條件，而且這樣的環境在真實中也存在很大的安全隱患。采用虛擬仿真實驗教學平臺則可以將這些實驗轉變為能夠實際觀察到的實驗。如在“高分子自組裝過程”實驗中，利用分子動力學對高分子的自動組裝進行模擬與演示，這樣能夠加深學生的理解，使其掌握分子與原子的運動過程，從而更好地掌握在這些極端條件下的實驗。

3 打造卓越的虛擬仿真實驗師資力量

材料科學虛擬仿真實驗室中心的建立從層次、結構、數量以及學科分布等環節把握，要求對有著高教學與管理能力的實驗教師隊伍進行建設，主要的師資應包括主講教師、實驗技術員以及助教等。

主講教師主要負責高校學生實驗課程的教學，包括實驗操作過程中的一些規范操作和安全注意事項。主講教師主要是一些從事多年相關專業教學的教授、副教授和科研一線人員等，他們通過一些國家重大內容的訓練，積累了豐富的基礎知識與實踐經驗，能夠清楚地把握材料科學的發展方向，并推動實驗課程進行更新與改革，最終將教學工作真正融入科研環節。

實驗技術人員通常對實驗的課前準備、過程指導、實驗設備管理以及實驗室建設等負責。材料科學與工程虛擬仿真實驗室中心的建立以發展與提高為宗旨，在多種形式的開展中對技術人員的專業素質予以提升，如開辦學術會議和課題組會，并做好學習報告與交流等。此外，對優秀實驗技術人員頒發獎金，鼓勵其對實驗教學的創新與設計進行積極探索，這能夠在一程度上推動研究能力強、教學方法好以及管理經驗足的專業實驗教師團隊的建設。

實驗助教的組成人員通常為在讀的碩士生或博士生。實驗助教需要通過學校崗前的培訓，主要要求對學科專業有很清楚的了解，對實驗操作流程很明確，實驗中要求注意的事項也了如指掌，平時要協助實驗主講教師的實驗教學任務，以及做好學生的輔導和考核。實驗助教在相關領域有較長時間的學習，可以開闊實驗教學設計的思路，同時為師生的互動提供很好的紐帶。

4 結語

為建立材料科學與工程虛擬仿真實驗中心，需要面向高校工科專業開設30多門相關課程。虛擬仿真實驗中心通過吸收擁有豐富經驗的卓越師資團隊，制定出一套高效率的管理方法與實驗教學運行機制，通過對精品課程進行設置，配合實驗教學特色穩步推進師資隊伍建設、實驗教學成果和實踐合作等項目，使得高校以外的實踐基地成為綜合型的多功能教育教學、社會實踐和服務的重要基地。

這一虛擬仿真實驗中心的建立強化培養了學生實踐創新能力，鍛煉了創新思維，正確處理了實驗教學與理論教學的結合，深化了實驗教學的改革與創新。這是一項系統的建設工程，需要不斷努力探索和研究，不斷推進教育事業發展，培養創新型人才。

參考文獻

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