虛擬仿真在金相分析實訓教學中的應用研究

周鵬， 石芬， 崔珊

(西安航空職業技術學院 航空材料工程學院， 西安 710089)

0 引言

“金相分析實訓”課程是高職院校金屬材料與熱處理技術專業中的一門實踐技能訓練課程，其作用不僅讓學生在學習“金屬熱處理原理及工藝”等前置專業理論課程的基礎上，通過認知實訓，理論聯系實際，鞏固和豐富專業知識，進行實踐操作鍛煉，加感性認識，提高觀察問題、分析問題、解決問題的能力，而且對高職學生獲取工藝技能、培養工業實踐能力和創新思維及后續專業課程的學習起到了至關重要的作用，有助于高職學生社會競爭力和實踐能力的提高[1]。

但是，目前大多數高職院校的“金相分析實訓”教學中存在著問題，主要表現為教學方法及模式單一，首先由實訓教師在課堂上對實訓目標、操作方法與步驟等內容進行按部就班地講解，然后是學生按照實訓要求，進行機械性地操作。導致許多不利的實訓結果，一是學生在實訓中缺少積極主動的思考，不利于學生創新思維的培養，二是許多學生最初進行實際操作時還抱著興趣，但隨著實訓時間的延長，學生對這種重復性的操作開始厭倦，從而對實訓操作產生懈怠情緒。

近幾年來，由于計算機虛擬仿真技術所展現的形象的、逼真的實驗場景和互動教學模式，不僅激發學生的學習興趣，還能夠激發學生的創新性思維，有利于學生綜合職業素養的培養。因此計算機虛擬仿真實訓在高職教育中開始得到廣泛的應用，成為實訓教學重要的組成部分和提高教學質量的重要手段[2-3]。根據對學生按照基礎知識扎實、實際能力強等高素養能力培養的要求，西安航空職業技術學院金屬材料與熱處理技術專業對“金相分析實訓”教學模式進行了改革與實踐，在實訓過程采用計算機虛擬仿真技術，以此來改變過去單一傳授專業知識的實訓教學方式。

1 計算機虛擬仿真平臺介紹及使用方法

1.1 計算機虛擬實訓平臺介紹

以參與建立國家級教學資源庫“材料成型與控制技術”為契機，依托西安航空職業技術學院雄厚人才的師資實力和教學資源，大力推進實訓教學改革，創新實訓教學技術與方法，建立有助于培養高職學生創新性思維的實訓教學新模式。2017年金屬材料與熱處理技術專業啟動了金相分析實訓虛擬實訓平臺的建設，本著“虛實結合，能實不虛”的建設原則，結合材料工程各類專業實訓的教學目的和要求，將實踐實訓和虛擬實訓有效地結合，實現“金相分析實訓”教學的創新。

所建立的計算機虛擬仿真金相分析實訓平臺是由三部分組成：

1) 多媒體教學區域；

2) 樣品展示柜區域；

3) 金相分析實訓區域。

1.2 計算機虛擬實訓平臺的使用方法

進入金相分析虛擬仿真漫游界面后，使用者可以在場景里面360度無死角的旋轉走動。在視角右上方顯示小地圖可以幫助用戶確定現在所處的位置以及進入漫游與實訓的按鈕，如圖1所示。

圖1 金相分析虛擬仿真平臺漫游界面

點擊“Play！”按鈕直接進入的就是金相分析虛擬仿真漫游界面或者點擊右上角小地圖旁邊的漫游按鈕，進入金相分析虛擬仿真漫游界面。按“Esc”鍵即可退出系統。

當進入“多媒體教學區域”在場景中找多媒體(投影儀)，點擊多媒體(投影儀)左上角的播放則進入了多媒體(投影儀)中。這時，投影會顯示出授課內容的目錄。目錄主要包括了鐵碳相圖和鐵碳系相的轉變，如圖2所示。

圖2 金相分析虛擬仿真平臺漫多媒體教學區

實訓學生點擊鐵碳相圖目錄時，投影中會出現鐵碳相圖示意圖和相關視頻；點擊“鐵碳系相的形成”目錄時，投影中會出現“冷卻轉變曲線(C曲線)”目錄，以及“奧氏體形成”視頻按鈕和“珠光體形成”視頻按鈕，當點擊目錄時會彈出不同的視頻。

在計算機虛擬仿真實訓平臺的“樣品展柜區域”，當實訓學生將鼠標放在展覽柜的模型上，會出現相對應得模型名稱，如果想查看其的簡介，只需單擊鼠標右鍵即可，如圖3所示。

當點擊右上角小地圖旁邊的“實訓”按鈕，進入金相分析虛擬仿真實訓界面。進入金相分析虛擬仿真實訓界面后，會彈出來一個金相分析實訓流程，實訓學生通過金相分析實訓流程進行實訓仿真，在視角右上方顯示小地圖可以幫助用戶確定現在所處的位置以及進入漫游與實訓的按鈕，如圖4所示。

圖3 金相分析虛擬仿真平臺展樣品柜區域

圖4 金相分析虛擬仿真平臺實訓流程界面

在所構建的計算機虛擬仿真實訓平臺中，金相分析虛擬實訓主要由七個步驟流程構成，具體如下所示：

流程一，金相試樣的選取。在虛擬場景中材料貨架展現出多個零件，使用者可用鼠標點擊選取零件，在每個選取零件的側方回出現該零件的詳細內容：包括材質、熱處理狀態及用途，如圖5所示。

圖5 金相分析虛擬實訓平臺的試樣選取界面

流程二，金相試樣的切割。在虛擬場景中展現出切割機的外觀形貌，以及“臺式砂輪切割機”的操作過程和運行狀態，如圖6所示。

圖6 金相分析虛擬實訓平臺的試樣切割界面

流程三，在金相試樣的鑲嵌區域，在虛擬場景中展現出熱鑲嵌機的外觀形貌及其操作過程，如圖7所示。

流程四，在試樣的研磨區域，在虛擬場景中展現金相試樣的整個手動研磨(磨平、磨光)過程，如圖8所示。

流程五，在試樣的拋光區域，在虛擬場景中展現金相試樣的拋光過程，如圖9所示。

圖7 金相分析虛擬實訓平臺的試樣鑲嵌界面

圖8 金相分析虛擬實訓平臺的試樣研磨界面

圖9 金相分析虛擬實訓平臺的試樣拋光界面

流程六，在試樣的浸蝕區域，在虛擬場景中展現金相試樣的侵蝕過程，如圖10所示。

流程七，在試樣的顯微組織觀察區域，在虛擬場景中展現金相組織觀察過程，如圖11所示。

圖10 金相分析虛擬實訓平臺的試樣浸蝕界面

圖11 金相分析虛擬實訓平臺的顯微觀察界面

2 金相分析虛擬實訓平臺的教學實施

2.1 課前預習

在學生進行金相分析實訓前，已經過金屬材料相關理論學習，具備不同金屬材料的特征認知，課前可提供給學生有關不同金屬材料典型顯微組織特征的相關資料，以及金相制備技術的相關理論知識。此時，學生可根據不同金相材料的特點及其金相試樣制備要求，擬好自己感興趣的問題，以便通過實訓尋求答案。

2.2 虛擬實訓平臺教學

學生在個人電腦、iPad等設備上安裝虛擬實驗軟件，方可進入虛擬金相分析實訓平臺，學習時限為6個小時，學生自主安排學習。虛擬實訓平臺提供虛擬工作場景，對實訓工作流程虛擬化；學生在虛擬工作場景中完成與真實工作場景中相同或相似的工作任務。

學生在限定的學時內要完成虛擬金相分析實訓平臺的所有模塊的練習，并對不同金屬材料的金相試樣制備過程和顯微組織分析要有充分的了解及掌握，包括：金相分析實訓的布置、實驗設備的工作原理和操作視頻的學習；鋼鐵材料、有色金屬材料等金相試樣制備各工序的注意事項及操作要點；不同金屬材料的顯微組織特征等內容。

通過虛擬仿真金相分析實訓平臺的使用，可使學生的理論學習、虛擬訓練和實際操作實訓有機結合，系統地了解金屬材料金相制備技術以及顯微組織分析，盡快地掌握金相分析技術的工作流程，為學生打下寬厚、扎實的金相分析技能基礎。

2.3 學習效果評價

針對學生完成金相分析虛擬仿真實訓情況，借鑒已有的經驗，主要通過自我評價、小組評價和教師評價對學生的實訓結果進行科學合理地評價[4]。通過這三種評價方式，可以客觀真實地反映出計算機虛擬仿真實訓對提高學生的職業素質和職業技能的作用。同時，通過觀察發現，與傳統實訓課相比，在計算機虛擬仿真金相分析實訓教學中，學生的注意力更加集中，學習興趣明顯提升，也能提出更多深刻問題。

3 總結

通過對3D模型、圖像、視頻、聲音等相關資源的導入，運用“屏幕仿真技術”來呈現立體、逼真的漫游環境、場景和目標物畫面。學生可通過對鼠標、鍵盤的規范操作，實現對計算機屏幕畫面的操作與控制，并以第一人視覺進入畫面實施漫游，達到實地、親臨的現場學習效果。這不僅可以能夠滿足金屬材料與熱處理專業教學實訓的要求，而且是對真實環境中的實操實訓起到了一定的補充作用，能夠提高實訓教學質量，促進學生職業素質和職業技能的提升。于此同時，學生在課余時間也可以自主使用該虛擬仿真實訓平臺進行知識學習和技能練習。