材料分析測試虛擬仿真實驗課程教學改革初探*

蒲 勇，韓 濤，伍國果

(1 重慶文理學院材料科學與工程學院，重慶 402160；2 重慶文理學院智能制造工程學院，重慶 402160)

目前，國內學界普遍接受如下觀點：國內的高校仍然存在重理論輕實踐的現象，高校畢業生的實踐能力和創新意識仍然不足。隨著電子技術的不斷發展，實驗設備的“自動化”發展趨勢，使得實驗設備越來越趨向于“黑匣子”，在這個大背景下，如何更好地讓學生掌握實驗儀器的工作原理，進而明白實驗中得到的結果，是急需解決的大課題[1-2]。

我校新材料技術研究院成立于2009年，并于當年開始聯合培養碩士研究生，2014年開始獨立培養本科生，現開設有《材料現代分析技術實驗》、《材料實驗技術實驗》和《光電材料測試技術實驗》等材料專業分析測試類實驗課程，該系列課程是材料專業的主修專業課程，是學生學習其他專業課程、進行科研活動的基礎性課程，在材料專業學生的專業知識結構中占有重要地位。該類課程主要涉及一些大型分析測試儀器，因此本文分析了我院在該類實驗教學中存在的問題，初步探索了利用虛擬仿真技術進行相關實驗教學的改革。

1 現有的問題

1.1 實驗條件不足

目前，我院受實驗場地、大型教學儀器數量、安全性和實驗難度的限制，實驗課程教學中多以分組方式進行，學生動手操作時間受限。一些有毒有害的實驗危險程度高，實驗開設風險較大，且部分實驗操作難度大、周期長，極大地限制了學生專業實踐能力的提高。

1.2 設備開放程度不高

材料專業分析測試實驗課程涉及的儀器大多為價格昂貴的大型精密儀器設備，使用和維護成本較高，而且對使用者的操作技術要求也很高，如果廣泛的開放使用，難以保證使用者和設備的安全，因此也不適合在授課時讓大量的學生操作。

1.3 缺乏創新性實驗教學

實驗課程教學方案中學生自主設計訓練的內容欠缺，學生往往只是按照給定的步驟去做，拘泥陳規，缺乏創造性鍛煉。

1.4 現有實驗教學模式不佳

(1)教學理念有待加強

目前，課程按照傳統的素質教育要求，讓學生被動地認識每堂課中涉及到的測試技術的原理、儀器結構和操作方法。顯然，這種傳統的教學理念并不符合培養應用型技術人才的宗旨，沒能有效地將交叉學科的優勢資源應用在課堂教學中，缺乏對學生主觀能動性的培養。

(2)教學大綱有待改善

材料專業分析測試類實驗課程內容涉及面廣、應用性強，要求學生掌握常用的各類材料測試手段，從已實施的各屆排課情況來看，該類課程的教學大綱主要盲目圍繞課程中的實驗部分，側重于各個分析技術手段的演示性操作，導致實驗課程教學教條化、模式化，缺乏學生進行專業理論知識和實際操作的實踐教學環節，會導致學生理論原理掌握不牢，以及實際應用能力得不到有效訓練。

(3)教學方法較為單一

由于我院本科生的培養尚處于起步價段，教學過程中，主要采用實驗室現場教學的方式進行，這樣雖然能增加學生對測試儀器設備和操作的認識，但容易忽略對學生前期理論知識的教學，使得部分學生接受起來困難，積極性不高。

(4)考核方式有待優化

目前，實驗課成績主要由平時成績和期末考核成績組成。平時成績包括出勤、課堂表現、實驗報告完成情況等方面；期末考試主要是考查學生對相關測試技術的掌握情況。由于期末考試內容主要涉及實驗儀器的操作步驟及注意事項等方面的考核，學生可以在選好備考實驗后只針對自己選到的內容進行加強復習，未能很好地考核到學生對課程整體知識的掌握程度。

針對以上問題，現急需尋找一種有效的教學方式。近年來，將虛擬仿真技術引入實驗教學已受到了各大高校的關注，是解決上述問題的一種有效途徑[3-4]。

2 開設仿真實驗的意義[5-6]

2.1 提高學生自主學習和探索的能力

學生在實驗過程中，往往習慣于只按操作指南去完成實驗，很少去分析和思考實驗系統、實驗步驟為何如此設計，實驗數據結果是否合理。學生長期如此學習和做實驗的結果是：自主探索意識的進一步減弱。如何在明白了體系已知特性的理論基礎之后，再去深入地探究更多的未知特性，這些實際上都是創新工作的基礎。為了讓學生在更深入理解的基礎上，明明白白地做實驗，我們很有必要開展“虛擬仿真實驗教學”，這不僅讓學生明白運用模型的重要性，也明白了模型構建過程中模型的適用范圍，在此過程中，學生可以“無成本”地改變各種實驗條件，檢驗自己構建的模型的合理性及有效性，并預期實際實驗研究過程中可能出現的問題，進而優化實際進行實驗的設計及效率。

2.2 提高學生對實驗課程的興趣和動力

通過使用多媒體技術，可以非常高效地向學生展示實驗中的精彩和實驗方法的奇妙之處，使用網絡技術又便于學生根據自己的喜好選擇自己感興趣的實驗內容，進而提高他們對實驗課程學習的興趣和愿意積極投入的動力，從而提高實驗訓練的效果。

2.3 加深學生對實驗的理解

材料分析測試類實驗的內容是表針各種材料在不同的條件下的結構、形貌、力學性能、光電性能等性能，許多實驗開設條件苛刻，成本很高，但若不涉及這部分內容，又會遠離前沿研究，無法體現實驗內容與時俱進的趨勢；而且，若不開展這類教學實驗，則課程體系有不完整的遺憾。為了彌補以上缺陷，虛擬仿真實驗教學是必由之路。同時，錄制實驗教學視頻能夠更好地有助于學生掌握實驗內容和實驗技術。

3 體系構建與教學改革探索

3.1 虛擬仿真體系的構建

(1)以我院材料學科和相應交叉學科實驗課程為基礎，聯合技術企業，充分整理完善課程的數字化實驗教學資源，利用高水平軟件構建共享資源，提高實驗教學能力，拓展專業實踐領域，開展綠色實驗教學。

(2)對于所擁有的虛擬仿真實驗課程的各種資源建立相應的管理平臺，以便于高效地管理，實現教學資源共享，滿足交叉學科實驗教學的需求，并探索校企協同育人共建共管的新模式和新途徑。

(3)建設一支以任課教師為主的相對穩定，教學和科研基礎扎實，人員結構合理的實驗教學團隊，為虛擬仿真實驗教學資源的開發和應用提供人員支撐。

(4)建立有助于提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制。

3.2 實驗課程教學改革探索

通過對我院開設的《材料現代分析技術實驗》、《材料實驗技術實驗》和《光電材料測試技術實驗》等實驗課程進行深入分析，探索與其他材料實驗項目一起建立一套完整、可靠、安全和經濟的實驗教學改革體系(見圖1)，教學改革探索主要包括以下幾個方面：

圖1 虛擬仿真實驗教學改革體系Fig.1 Virtual simulation experiment teaching reform system

(1)通過對現有課程的大綱進行修訂，優化實驗教學的方式，增強課堂教學效果，擴大學生的專業知識面。

(2)通過增加多媒體教學激發學生的學習興趣，引導學生自學課程，讓學生成為課堂的主體，根據材料專業特點和研究方向講授相關教學內容，并把教學情況納入到平時成績，以提升課堂講授效果。

(3)通過教學系統的引入，優化考核方式，強化考核力度，嚴格要求平時成績中實驗報告質量，增加期末考核中實踐考核比例，構建可測可控的多重考核體系。

(4)整理完善我院現有材料類分析測試實驗課程的專業培養方案、課程體系的實施方案、優化后的課程教學大綱；設計課程的授課PPT、課后練習及參考答案；開發課程的微課視頻，將教學資源共享在相關平臺。

4 結 語

我院堅持利用自身科研優勢和學科特色，在新的實驗教學形勢下，為創新人才的培養提供改革條件。本文針對目前材料類分析測試實驗教學中存在的問題，在傳統的教學方法上，探索引入虛擬仿真輔助教學技術，進行相關課程在教學內容、方法和考核評價方式上的改革探索，可為今后虛擬仿真實驗教學的有效開展打下基礎。