材料科學與工程實踐學習對虛擬實驗平臺的需求

龍杰靈

【摘 要】現代信息技術在材料科學與工程實踐專業中的融入，為材料科學與工程實踐專業學習提供了材料網上虛擬實驗室。借助此實驗室可以更為形象直觀的虛擬出材料科學與工程實踐實驗過程，進而更為準確科學的展示材料科學與工程實踐專業相關知識的實際應用效果。文中以材料科學與工程實踐學習對虛擬實驗平臺的需求為分析對象，探討虛擬實驗平臺對打破實體實驗室資源局限的作用與意義。

【關鍵詞】材料科學與工程實踐學習；虛擬實驗平臺；需求

早在20世紀90年代，已有學者開始使用現代信息技術來研究虛擬實驗室，并將其納入到教學中作為輔助工具加以使用。在近些年來，虛擬實驗室已經成為遠程教學和國內外實驗教學研究的熱點。虛擬實驗室對材料科學與工程實踐專業而言，其價值不僅限于更為形象直觀的虛擬出材料科學與工程實踐實驗過程，還包括可以幫助學生完成各項無法實驗的疑題，進而幫助學生內化專業知識。因此，虛擬實驗平臺對材料科學與工程實踐學習但學習而言極為重要。

1 材料科學與工程實踐專業中虛擬實驗平臺應用的必要性

虛擬實驗平臺是以計算機網絡作為核心，運用虛擬現實技術創造出各種虛擬實驗環境，學習者按照實驗要求和實驗過程，僅使用鼠標拖動和點擊，就可以在微機上將各類虛擬儀器組裝成完整的實驗系統，繼而在此系統中實時所有的實驗的一種平臺。虛擬實驗平臺不僅包含數據采集、實驗條件的改變、結果分析以及實驗模擬，還可以為實驗者展示出真實環境中預定實驗項目完成的過程及結果。材料科學與工程實踐學習中引入虛擬實驗平臺，不僅可以幫助該專業學生在節約實驗成本的基礎上，隨時隨地構建出符合其需要的模型，還可以幫助學生答疑解惑，并借助虛擬實驗平臺所具有的資源共享性、高度開放性、低成本、操作安全性和可擴展性特征，展示出通過現實實驗無法看到的結構原理，或者仿真實訓不可重組的精密設備。虛擬實驗平臺的此類特性和優勢，可培養材料科學與工程專業學生的儀器維護能力、操作能力和檢修能力，其能快速響應教學實驗需求的特性，是傳統實驗教學無法比擬的。

2 材料科學與工程模擬實驗室的設計方式

2.1 整理需求，規劃材料虛擬實驗室設計步驟

按照材料科學與工程專業的日常學習和實踐要求，材料虛擬實驗室的構成需要覆蓋該專業二級學科平臺課程和一級學科平臺課程的重點教學實驗。在第一階段可建立4個實驗室和11個虛擬實驗。在建設目標設定方面，需要保持實驗過程的形象和直觀，因此需要以3D的形式來構建，表達方式，可借助特技和聲效等多媒體形象來代為表現。儀器需要具備可調節性和可操控性，以便保障提升學生實驗學習過程中的交互感、沉浸感和臨場感，使學生在動手操作的過程中，容器人時感受到儀器的變化，使之進一步明確并掌握操作要求。為保障知識表達的準確和科學性。在實驗室設計時必須提供具有可視化的實驗過程和實驗空間。為保障實驗系統的靈活性以及實驗內容的擴展性和更新性，在前期設計時可導入部分知識內容的設計要求，留出可更新和可修改的空間，以便學生隨時更新和補充知識。

2.2 明確基本表現形式，確定各級應用標準

虛擬實驗系統的基本表現形式是以Web的服務器或瀏覽器作為基礎，用戶通過瀏覽器來訪問材料科學網上虛擬實驗平臺。瀏覽器和支持IE5.5版本。使用XML文檔及XLS文件存儲交換信息。在XLS對象發送時，基于交互式FLASH技術，可通過Socket將XLS對象發送出去，從服務器接收數據。系統編碼使用JANA語言，客戶支持系統運用SQL server數據庫。

3 材料科學與工程模擬實驗室的網絡管理

材料科學與工程模擬實驗室的網絡管理平臺設計必須包含內容發布和管理、成果發布、實驗預約、實驗課程維護、系統維護和即時通信等功能。需要實現與多媒體虛擬實驗場景的數據交互、應用管理和統計分析功能，進而為實驗室的教學開展提供有力的數據支撐。在以上各類功能的實現要求下，建議深化實驗室人員管理功能，這是確保材料科學與工程模擬實驗室良好運作的先決條件。

除以上之外，在構建材料科學與工程模擬實驗室的網絡管理平臺時，還需要考慮如何使其作為實驗教學的深化與補充。如何充分發揮其作為材料科學國家級實驗課程或者學習的知識詮釋能力等。通過建立材料科學實驗室，提供形象直觀的虛擬實驗過程，學生可藉此獲得交互式的個性化學習方式，此種學習方式是可打破實體實驗室資源的局限，使學生可以共享優質的教學資源，從而保障知識內化的更為準確科學。但是，為保障材料科學與工程模擬實驗室的網絡管理成效，建議學生或者教師定期進行材料科學與工程模擬實驗室的問題排查及相關信息的存儲和知識更新。

【參考文獻】

[1]于鴻.虛擬網絡實驗室網絡管理設計[D].電子科技大學，2014.

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[責任編輯：朱麗娜]