新工科背景下工科專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)踐

張晶 王騰飛 王伊培

摘?要：隨著新工科建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件提出了新的要求，當(dāng)前工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地不足和教師缺乏跨學(xué)科知識(shí)機(jī)構(gòu)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以很好地解決工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的困境。同時(shí)，工科專業(yè)課程教學(xué)大綱的改進(jìn)和教師跨學(xué)科研究能力的提升是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的保障。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室?新工科?工科專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1003-9082（2020）10-0-01

2017年2月以來教育部相繼發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等指導(dǎo)性綱領(lǐng)，推進(jìn)新工科建設(shè)。高校結(jié)合企業(yè)需求也提出了“智能+制造”“大數(shù)據(jù)+數(shù)控”“新材料+建工”等新工科人才培養(yǎng)模式，這對(duì)工科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)提出了新的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是一種“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)室模式，以大數(shù)據(jù)和仿真技術(shù)為依托，建立虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中通過人機(jī)交互的方式開展各項(xiàng)預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。狄海廷等學(xué)者認(rèn)為研究認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)資源的有效開放與共享，提高教育投入的使用率和使用效益，是急需解決的重要問題。

一、新工科背景下工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的短板

1.給校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出新的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程都是相對(duì)獨(dú)立的，實(shí)驗(yàn)室針對(duì)某一門或幾門進(jìn)行建設(shè)，每門實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程按照既定的教學(xué)大綱和固定的實(shí)驗(yàn)室完成。如材料成型及控制工程專業(yè)的《材料成形工藝及模具設(shè)計(jì)》課程的實(shí)訓(xùn)，學(xué)院專門設(shè)立了模具設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室來完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。新工科建設(shè)以后，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程體系中將“智能控制”“材料成型及控制工程”融合到一起，《材料成形工藝及模具設(shè)計(jì)》課程的實(shí)訓(xùn)擴(kuò)展到《材料成形模具數(shù)字化設(shè)計(jì)》《材料成形設(shè)備與控制》《材料成形過程數(shù)字化》等三門課程，學(xué)校需要購買價(jià)值近千萬的金屬材料高性能3D打印機(jī)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地提出了更高的要求，導(dǎo)致很多高校缺少足夠資金對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造。

2.對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)老師提出新的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師只要掌握本專業(yè)知識(shí)和操作技能，根據(jù)教學(xué)大綱安排學(xué)生進(jìn)行操作就可以。新工科建設(shè)以后，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)來完成某一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，立足于學(xué)生解決實(shí)踐問題的能力。如車輛工程專業(yè)《汽車構(gòu)造》實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程中，老師根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)原理指導(dǎo)學(xué)生完成模型車輛的組裝，汽車能夠自由駕駛就算達(dá)到了實(shí)訓(xùn)效果。但新工科需要課程教學(xué)大綱含有智能裝配內(nèi)容，學(xué)生需完成組裝以后還要完成智能，才能達(dá)到實(shí)訓(xùn)的需要。因此，需要《汽車構(gòu)造》指導(dǎo)老師掌握人工智能、自動(dòng)化控制、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)知識(shí)，才能勝任實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的指導(dǎo)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能有效解決新工科建設(shè)中實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)難題

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的系統(tǒng)性

新工科對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程提出更高的要求，從系統(tǒng)論的角度看實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)。如“智能+制造”的車輛工程專業(yè)為例，實(shí)驗(yàn)課程及涉及智能控制中的《移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》和《智能制造信息系統(tǒng)開發(fā)》等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，也涉及車輛制造中《液壓技術(shù)》與《汽車結(jié)構(gòu)》等課程。而現(xiàn)在絕大多數(shù)高校智能控制和車輛工程的實(shí)驗(yàn)室是分開的，也沒有成熟的“智能車輛制造”的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱。通過“智能車輛制造”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以通過一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)來完成《移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》《智能制造信息系統(tǒng)開發(fā)》《液壓技術(shù)》《汽車結(jié)構(gòu)》等四門課程的綜合實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)智能控制和車輛制造實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程有效地整合。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室有效地解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地不足的問題

新工科對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備和場(chǎng)地提出新的要求，如“新材料+土木”的土木工程專業(yè)為例，由于是使用新的材料，材料的承受面積、韌性需要重新進(jìn)行驗(yàn)證。《材料力學(xué)》《鋼筋工混凝土肋梁樓蓋設(shè)計(jì)》等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，根據(jù)新工科的要求，需要重新建設(shè)大型風(fēng)洞、標(biāo)準(zhǔn)化的力學(xué)檢測(cè)設(shè)備和防腐蝕等測(cè)量儀器，而這些新的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備十分的昂貴，并且需要重新建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，非工科院校很難有足夠的資金在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。而土木工程材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室只要配備高新性能的電腦和1兆的寬帶，學(xué)生就可以在虛擬的環(huán)境中所有的實(shí)驗(yàn)。有效地解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地不足的瓶頸。

三、 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要注意的問題

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，他是依托相關(guān)理論課程建設(shè)的，其實(shí)驗(yàn)的目是為了更好地掌握好理論知識(shí)，應(yīng)用好理論知識(shí)。

1.更新實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的課程設(shè)計(jì)、推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)的目標(biāo)是幫助學(xué)生消化理論知識(shí)，將知識(shí)轉(zhuǎn)化成為能力。根據(jù)新工科的要求。虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)是多學(xué)科的交叉，因此要開設(shè)相關(guān)的交叉學(xué)科的理論課程，如《材料成形過程數(shù)字化》實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程前，學(xué)生需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)數(shù)字化的相關(guān)軟件和材料物理學(xué)等相關(guān)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中才有理論基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)將不同學(xué)科的理論有效地結(jié)合起來。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程如果離開相關(guān)理論的指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相關(guān)問題只是知其然，而不知其所以然。如材料成形過程的數(shù)字化過程中，如果不知道相關(guān)原理，材料的性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化，學(xué)生就可能無從下手。

2.教師需要不斷充電、上課過程中才能做到放矢

隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且可以獲得很多書本上沒有涉及的交叉學(xué)科的知識(shí)。教師作為教學(xué)的主導(dǎo)，如果不進(jìn)行不斷地充電，學(xué)習(xí)交叉學(xué)科的知識(shí)，就有可能面對(duì)學(xué)生的問題束手無策，這樣會(huì)嚴(yán)重影響教師在學(xué)生心目中的形象。如材料類專業(yè)的老師在掌握好傳統(tǒng)的《材料科學(xué)與工程導(dǎo)論》《納米材料與納米技術(shù)》《功能材料》《材料物理》等本專課程同時(shí)，也要關(guān)注《流體力學(xué)》《建筑材料》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等相關(guān)學(xué)科知識(shí)的發(fā)展，在與學(xué)生交流過程中才能做到有的放矢。如果老師對(duì)相關(guān)知識(shí)不是很掌握，不愿意進(jìn)行交叉學(xué)科的研究，老師的科學(xué)視野必然受到局限，也將影響虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李璐.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論與實(shí)踐研究[D].陜西師范大學(xué)，2009.