新工科背景下《材料工程基礎》虛擬仿真實驗教學模式探索與實踐

馮 銳，張愛娟，杜慶洋，畢建波

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255000)

復旦共識、天大行動和北京指南，構成了新工科建設的“三部曲”，奏響了人才培養主旋律，開拓了工程教育改革新路徑。教育部提出針對“新工科”建設的指導性意見，指明了“新工科”背景下工程人才培養的方向[1]。改變和提升當前傳統工科專業工程人才教育質量現狀的一個重要途徑是在讓學生牢固掌握專業理論知識的基礎上，面向產業發 展、行業需求以及學生興趣，設計和改革現有教學方法體系，尤其是實驗教學體系，充分鍛煉和提升學生的動手操作能力和實踐創新能力。虛擬仿真技術的目的，就是通過虛實融合，模擬現實教學環境，使學習者獲得真實的情境體驗，進而有效地促進學生認知結構的形成和發展。虛擬仿真教學模式將虛擬仿真技術與教學內容相互結合，虛實結合，相互補充，在虛擬現實中鍛煉了學生的動手和實踐能力，實現“新工科”人才培養的目標和要求。

《材料工程基礎》作為材料科學與工程專業的核心專業課程，主要講授金屬、無機非金屬、高分子和復合材料等各種類型材料制備與加工方面的基本理論、技術方法和生產工藝過程[2]。由于涉及相對較多的材料制備及加工工藝，相對抽象，學生存在一定的理解難度。因此，如何借助虛擬仿真技術，實現以《材料工程基礎》為代表的材料類專業課程的虛擬仿真教學，對“新工科”人才的培養具有重要意義。本論文以《材料工程基礎》課程為例，提出了“新工科”背景下《材料工程基礎》虛擬仿真實驗教學模式，通過該教學模式的探索與實踐，為材料類專業課程的虛擬仿真建設提供新的思路。

1 課程教學現狀

《材料工程基礎》作為我校材料科學與工程專業的核心專業課程，前期已進行了信息化和“小班授課”教學模式探索與實踐，并獲得了良好的教學效果。但是，在前期的教學過程中，也發現一些存在的問題。首先，課程涉及相對較多的材料制備及加工工藝，較為抽象，由于學生尚未進行認識實習和生產實習，普遍反映存在一定的理解難度；另外，課程涉及一些難以在實驗室進行的實驗項目，比如金屬液的高溫熔融、流動充型和冷卻結晶等，以及無機非金屬材料的干燥和焙燒等，而這些內容往往是重點和難點內容。而簡單的播放相關教學視頻進行講解，很難激起學生的求知興趣，已與時代脫節。基于此，為服從國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，為實現新工科背景下人才培養質量的提升，《材料工程基礎》虛擬仿真實驗教學模式的探討與實踐勢在必行。

2 虛擬仿真教學模式探討

新工科背景下，對學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力以及理論聯系實際能力要求逐漸提升，如何將學生實驗過程中無法看到的實驗現象和實驗原理呈現出來，一直是實驗教學的難點和關鍵[3]。虛擬仿真實驗教學模式正是在新工科背景下發展起來的一種教學模式，也是目前國內外教育學界正在逐漸探索和實踐的一種教學模式，虛擬仿真實驗教學模式的探索和實踐具有極為重要的理論意義和現實意義。

虛擬仿真教學模式通過建立起沉浸式的環境來提高學習體驗，增強學生的參與性和互動性，已經成為高等學校教育教學改革的重要內容。近期，教育部發布《關于開展虛擬仿真實驗教學項目的建設工作》的通知，以進一步推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間。可見，虛擬仿真實驗教學必將成為助推高等教育教學質量變軌超車的重要工具。

虛擬仿真實驗教學模式的關鍵在于教學設計，如何通過合理的教學設計達到理想的教學效果是虛擬仿真探索與實踐的關鍵和難點[4]。以金屬型鑄造為例，合理的金屬鑄型設計，尤其是澆口和冒口設計是保證零件澆注成功的關鍵。在日常的實驗教學過程中，教師往往是以慣性思維完成澆注和凝固的實驗教學，一般是以理論講授輔以視頻形式完成，學生無法體會澆道、冒口和冷鐵設計對金屬型鑄造的重要性。而在虛擬仿真教學過程中，教師通過Anycasting、Procasting等鑄造軟件設計相應的鑄型空腔，改變澆道、冒口和冷鐵位置，觀察金屬液的充型過程體會三者對鑄造的重要作用。再以高溫燒結過程為例，介紹虛擬仿真教學模式的探討過程，高溫燒結由于溫度高、實驗時間長，同時難以觀察內部組織結構的變化規律，一直是學生理解的難點。采用虛擬仿真實驗教學模式后，教師通過軟件實現高溫燒結過程的再現，尤其是燒結過程中原料的干燥和物理化學變化過程，讓學生深入理解自由水、吸附水等水分的排除和高溫燒結的熱分解、氧化分解、熔融等物理化學過程。

3 虛擬仿真實驗教學模式實踐

受新冠肺炎疫情的影響，學生無法正常返校，理論部分可以線上進行，但是如何在保證實驗教學質量的前提下，完成實驗教學進行成為面臨的新挑戰。《材料工程基礎》經過前期的虛擬仿真建設，已經建立典型實驗項目的虛擬仿真模型，經過不斷的優化調整已經可以滿足虛擬仿真實驗教學的需要。在本學期的虛擬仿真實驗教學過程中，學生通過在電腦上改變實驗工藝參數，可以直觀形象的觀察到實驗現象的變化規律，深刻領悟關鍵工藝參數對產品性能的影響規律；另外，原本實驗室中無法觀察的材料內部微觀組織結構的變化規律，也清晰的呈現出來，有助于學生對復雜抽象問題的形象化理解。

虛擬仿真實驗教學模式經過一學期的試運行，學生普遍反映教學效果良好，雖然是線上教學，但是學生表現出較高的學習積極性。學生通過點擊鼠標，將自身融入實驗教學過程中，獨立思考，積極回答問題，觀察到了實驗室中無法觀察的實驗現象，增進了對材料內部微觀組織結構和物理化學過程的理解。

為了實現虛擬仿真實驗教學模式的逐步優化，同時適應新工科建設的需要，為繼續深入挖掘課程中涉及的關鍵知識點和理解難點，以及考慮安全因素而無法在實驗室中展現的實驗教學環節，或者材料內部微觀組織結構的呈現，《材料工程基礎》教學團隊將持續優化虛擬仿真教學內容，跟上知識更新的步伐。

虛擬仿真實驗教學模式運行一個學期后，發現學生的實驗教學參與程度明顯提高，在教學質量評價中，97%以上的同學對實驗授課方式表示滿意。為了對虛擬仿真實驗教學效果進行檢驗，我們選取2017級和2018級學生，即未實施虛擬仿真實驗教學和實施虛擬仿真實驗教學的兩個教學班，共80位學生的實驗報告情況進行對比。結果表明，采用虛擬仿真實驗教學模式后，學生對實驗過程、實驗數據分析與處理掌握更加扎實，實驗報告完成質量明顯提升。

4 結論

山東理工大學《材料工程基礎》虛擬仿真實驗教學模式經過新冠肺炎疫情期間的探索與實踐，已經形成了一套完整的實驗教學模式，結合前期的積累與開發，逐漸建立了該課程實驗教學虛擬仿真平臺，學生通過實驗前預習、實驗課堂上的動手操作、獨立思考與分析、課后思考題鞏固與復習等實驗教學環節，鍛煉了學生的分析問題和解決問題的能力以及理論聯系實際的能力，獲得了良好的教學效果。在今后的實驗教學過程中，通過不斷優化實驗教學設計和程序優化，必將形成一套切實可行、教學效果良好的虛擬仿真實驗教學模式。