材料成型及控制工程專業虛擬仿真實驗室的建設思路與分析

曹麗梅 付穎 李傳奇

摘要：本文主要探討材料成型及控制工程專業實驗教學中的共性問題，通過建立了軋鋼虛擬仿真系統和軋鋼實訓仿真系統兩個虛擬仿真實驗教學系統設計的可行性以及設計思路。希望讓學生有更多有效時間參與實驗過程。激發學生自主學習的積極性，教學效果明顯。

關鍵詞：材料成型及控制工程;虛擬仿真;軋鋼虛擬仿真系統;軋鋼實訓仿真系統

在材料成型及控制工程專業培養過程中部分實驗項目具有高危、高成本、高消耗等特點，實際操作難度較大，嚴重制約了實驗教學效果，導致學生能力和素質的培養不足，已經成為專業實驗教學中的普遍共性問題，多媒體、計算機、網絡和虛擬現實等技術的迅速發展和普及應用，促進了高等教育教學的深層次變革和多元化發展，也為實驗教學的信息化帶來了契機和挑戰。

一、現階段真實實驗教學存在的問題

結合我校材料成型專業實驗教學實踐，發現真實實驗教學存在一些共性問題，例如材料成型相關的實驗儀器設備昂貴，占用空間大，數量和種類少，學生學習和使用設備時間少。以塑性成形與模具技術方向為例，目前學院實驗室已經擁有了小型冷軋軋機、沖擊試驗機、萬能拉伸實驗機等教學儀器設備，但由于價格較高，普遍數量很少每名學生在開展實驗時實際的上機操作時間很短，且在實驗前需要花費大量時間用于儀器設備操作規程與安全注意事項的講解，導致動手能力的訓練不夠。

材料成型類的實驗材料種類和規格多、消耗大，實驗過程中設備能耗高，實驗總體成本很高。以軋機軋制鉛塊為例，每組學生均需要3個尺寸不等的鉛質試件，而鉛試件的加工制備工序多、難度，且有一定的污染性，外協加工時價格較高。在專業綜合實驗中，設有綜合軋制試驗教學環節，如果對每名學生設計的產品均采用實際加工制造方法開展教學，則加工周期長、原材料需求大，以現有的實驗教學課時無法滿足教學要求。

專業特點使實驗帶有高危險性，并導致一些實驗項目暫時無法開設。如在部分高溫實驗中，為安全起見采取鉛質試件代替鋼試件的加熱環節，但這樣卻使學生無法直觀了解和準確掌握材料成型過程中的加熱實踐知識。此外，冷軋軋機、萬能拉伸試驗機等設備均具有一定的危險性，由于學生對設備不熟悉，缺乏敬畏心，即便在室溫條件下開展實驗，仍可能在一定程度上威脅到學生的人身安全。一旦因學生誤操作導致設備出現故障，設備維修和調試的周期長、費用高，因此部分設備存在不讓用、不敢用、用不起等現實問題，最終導致學生不會用。

二、虛擬仿真實驗室建設的重要意義

近年來，以信息科學和網絡技術為代表的現代科技滲透到社會經濟生活的各個領域，虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫等信息化技術蓬勃發展和日趨成熟，為材料成型及控制工程專業實驗教學的提質增效帶來新的機遇。教育部也加強了對高校實驗教學工作和實驗教學信息化工作的宏觀指導，制定并明確了發展規劃及目標，即推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式。特別是在2013年，教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》拉開了虛擬仿真實驗教學中心建設的序幕，在高校掀起了虛擬仿真實驗資源和教學中心建設的熱潮。綜上可見，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，發展和實現實驗教學的信息化，既是國家對我國高等教育事業發展提出的新要求，也是專業實驗教學模式深入改革的必然途徑。通過開發高水平虛擬仿真實驗教學平臺，形成以真實實驗和虛擬仿真實驗有機結合為特征的完整的專業實驗教學體系，有望提升本專業實驗教學的深度和廣度，拓展實驗教學的空間和時間，增強學生的自主學習能力、工程實踐能力和創新意識，從而適應國家、社會對本專業人才的高素質復合型要求。

三、虛擬仿真實驗室的建設思路

結合材料成型及控制工程專業培養目標和學科發展方向，科學的進行規劃，突出教學重點，堅持可持續發展，以實際操作和虛擬模擬相符相城的原則，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，涵蓋加熱、熱軋、冷軋、成品收集等專業知識面，建立材料成型及控制工程軋制虛擬仿真實驗室，形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結合的教學模式，從而滿足本科教學大綱要求，實現專業培養目標。由于本專業培養方向多、信息量大、涉及面廣，在虛擬仿真實驗室建設過程中，確立了分專業方向、分期重點建設的思路。以學生培養需求為中心，選擇真實實驗問題突出、建設要求迫切、教學資源基礎較好的實驗項目予以優先建設。每建設一批項目，及時地將該部分內容應用于本科實驗教學中。通過教學實踐和學生反饋，總結教學過程中存在的問題及需進一步完善的功能，從而對已建設的虛擬仿真實驗教學內容進行持續改進，最大程度提升實驗教學效果。

四、虛擬仿真實驗室的建設內容

材料成型及控制工程專業建立了軋鋼虛擬仿真系統和軋鋼實訓仿真系統。教學系統由前臺部分和后臺部分組成。前臺部分包括實驗性質與目的、實驗原理、實驗儀器與設備、實驗材料、實驗場景分布、實驗操作圖片或視頻、虛擬交互實驗操作、實驗考核、實驗報告等內容;后臺部分包括教學班級與學生管理、實驗項目與內容管理、實驗成績管理、實驗報告評閱與管理等內容。

五、虛擬仿真實驗室的建設成效

軋鋼虛擬仿真系統和軋鋼實訓仿真系統建立后，已連續在材料成型及控制工程專業班使用，從教學過程和課后學生反饋來看，取得了很好的教學效果。在之前的教學環節中，實驗報告中要求學生單獨列出一節，說明自己參與實驗的體會及對于實驗課程的建議。通過匯總能夠得出學生對虛擬仿真實驗室教學的認可度較高，對于這一種新的教學模式充滿興趣，主動參與積極性明顯提升。學生普遍認為，虛擬仿真實驗教學的開展提供了更多的實驗時間和操作機會，對于實驗項目內容的理解更加深入，對相關知識點的掌握更為牢固。另外，通過預先開展虛擬仿真實驗，再到實驗室以及之后的學生們的生產實習中進行實際操作和實際參觀，學生能夠更加清楚自己需要做什么、怎么做、為什么做，遇到問題時能夠通過個人思考、小組討論等方式嘗試解決，鍛煉了分析問題和解決問題的能力。顯然，實行虛擬仿真實驗與真實實驗和生產實習相結合的實驗教學模式，能夠有效克服真實實驗教學中的諸多局限，更能激發學生學習相關知識的興趣，實驗過程效率高，教學效果極為顯著。本專業多年的教學實踐表明，采用虛擬仿真實驗教學能夠很好地彌補現有真實實驗的不足，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，使一些之前做不了、做不上、做不好的實驗項目能夠順利開設，彌補并提升了真實實驗的教學效果，且在一定程度上延伸了課堂理論教學的功能。通過虛擬仿真實驗室的教學實踐，進一步總結了在材料成型及控制工程專業實驗教學中采用虛擬仿真實驗教學的優勢。

結束語

虛擬仿真實驗教學的開展，充分發揮了信息技術在高等教育教學中的作用，為高校實驗教學注入了生機和活力。然而，在教學實踐過程中發現，作為一種新的教學模式，虛擬仿真實驗教學仍存在一些問題，亟需在建設和發展過程中予以重視和解決。

參考文獻：

[1]安國升，周蘭，馮力， 等.材料成型及控制工程專業生產實習現狀分析與改革探索[J].大學教育，2018，（10）：41-45，50.

[2]許建文，顧永華，朱來發.材料成型及控制工程專業生產實習的探索[J].科教文匯，2020，（25）：89-91，94.

[3]劉發，趙洪運，于靜泊， 等.材料成型及控制工程專業實驗課程改革研究[J].高教學刊，2019，（23）：136-138，142.

[4]陳澤中，李生娟.面向智能制造的材料成型及控制工程升級探索[J].教育教學論壇，2020，（27）：220-221.