思維可視理念下《材料科學基礎》的改革實踐*

冀盛亞，徐 珂, 鄭先鋒, 王衛東

(河南工學院, 河南 新鄉 453003)

1 《材料科學基礎》課程的重要性及其特點

《材料科學基礎》這門課程是根據1996年12月全國高校材料工程類專業指導委員會會議精神，為了培養跨世紀人才及國家專業調整與改革而設置的[1]。該課程全面系統地闡述了金屬材料的基本理論，并以此為基礎，將復合材料、無機非金屬材料、高分子材料的相關基礎理論融合在一起，實現了學科之間的相互交叉和知識點之間的相互滲透。該課程遵循熟悉材料個性、把握材料共性的學習漸進規律。通過學習材料的成分-工藝-組織-性能之間的相互關系及制約規律，使學生樹立工藝決定組織并最終得到使用性能的基本理念。

該課程是材料類專業本科學生必修的一門重要的專業基礎課程，也是該專業碩士研究生入學考試的專業課程[1]，在該專業的教學環節中發揮著承上啟下的作用。該課程不但要求學生能夠熟練掌握材料的各種基本理論，以便為相關的后續專業課程打下良好的理論基礎，還要求學生能逐步掌握探索未知領域，分析和解決問題的能力。

該課程具有“四多”的特點。首先，課程原理規律多(涉及原理規律幾十個)，概念定義多，理論性過強導致教學內容抽象、繁雜而難于理解和掌握。傳統教學形式單一，手段陳舊，脫離不開具體的概念術語，不利于學生去理解并掌握那些晦澀難懂的基礎理論，不利于培養學生宏觀的空間思維想象能力。此外，該特點也在一定程度上降低了學生學習的積極性，被動的學習狀態嚴重制約了課堂教學效果，成為困擾該課程教學任務圓滿完成的因素之一。

其次，課程涵蓋信息廣，知識點繁多(晶體結構與缺陷、合金相圖、擴散與凝固、回復與再結晶、強化與韌化、復合材料、無機非金屬材料、高分子材料等)，知識點之間的相互關聯多。傳統教學不能實時化地演示知識點之間的交叉與滲透, 課堂信息容量小，不利于學生的融會貫通，不利于調動學生的積極性，嚴重制約了學生的主動性與創造性，已不能滿足信息化時代教育教學的發展趨向。如何在有限的課時內實現學生系統化融合相關理論知識，以便為后續專業課程打下良好的理論基礎，成為這門課程教學改革的首要任務。

2 VR與教育融合發展的優勢及現狀

近年來，VR(Virtual Reality)技術及設備趨于成熟，具備大范圍推廣的基礎。國內外已有大量VR技術與學科相融合的教學系統及平臺、經驗和案例可以借鑒[2-6]。由于VR技術在交互性、存在性、多感知性等方面的優秀品質[2-6]，其作為一種新的教學手段越來越被各個高等學校的學科部門所重視，其思維可視化的教學理念已得到眾多學者的青睞。目前，國內各高校VR技術在材料工程學科的開發和應用已取得一定的成績，但各個高校的VR虛擬平臺之間相對獨立，且以實驗教學為主，缺乏對材料科學某一課程的系統開發[7-10]。

基于VR的思維可視化理念下《材料科學基礎》課程的開發和應用，不僅能引發學習者的探究欲望,培養其觀察思考問題、分析問題、解決問題的能力，還能為培養高層次應用型人才目標的實現闖出一條新路。

3 基于VR的思維可視化理念下《材料科學基礎》課程的教學改革

如何采用先進教學手段和教學理念來充實和完善現有的基礎理論課程是擺在每一個高等教育工作者前面的迫切任務。

從教學效果角度講，可視化的教學內容，有利于學生去理解并掌握那些抽象又晦澀的基礎理論。情境化的教學環境具有較強的帶入效果，調動了學生主動參與的積極性，有利于培養學生宏觀的空間思維想象能力，提高課堂教學效果。同時，VR技術支持下的《材料科學基礎》課程以學生為中心，強調學生的個性化與主動性，引發了學生的探究欲望，培養了學生獨立觀察、思考和解決問題的能力。而課程的開放性也為學生學習時間、學習地點的隨機性和學習內容的可重復性提供了保證。

從教學資源利用效率角度講，在網絡環境下，VR技術支持下的《材料科學基礎》課程的開發可以有效地整合圖書信息資源、教學資源、科研服務資源，實現資源共享和最大化的使用，因此，VR技術支持下的《材料科學基礎》課程的開發和應用是十分必要的。

《材料科學基礎》課程VR教學系統的構建包括四個主要環節：

(1)VR技術軟硬件系統的設計與搭建

一套完整的VR教學系統主要由VR系統開發軟件、高性能計算機和輸入輸出設備組成。VR系統開發軟件承擔著運用3D技術構建虛擬三維圖形場景和應用功能的二次開發。高性能計算機負責相應數據的接受、處理、生成虛擬的教學環境及人與虛擬教學環境的交互功能。輸入輸出設備主要包括動作捕捉、手勢及語音識別并反饋的交互設備，是實現學習者交互、沉浸感的重要技術設備。

(2)堅持工學結合，以工程實際應用為導向優選教學內容

教材是課程教學內容的載體。自該課程設立以來，各個高等院校依據自身的辦學環境、人才優勢、文化優勢、學科特色及人才培養總體目標，陸續編寫出版了不同版本的《材料科學基礎》課程教材。據統計，目前已出版《材料科學基礎》命名的教材已達到20余種，而突出不同專業方向的材科類教材(高分子材料科學基礎、無機非金屬材料科學基礎、納米結構材料科學基礎、無機材料科學基礎)更是層出不窮[1]。

圖1 課程開發的技術路線

按照“對接產業、突出重點、打造特色、形成品牌”的學科建設思路，參照工程實際應用標準，優化教學大綱，選取教學內容。同時，關注不同專業的需求和差異，篩選教學重點、優化教學資源、構建新的內容體系。此外，兼顧增加綜合設計型教學內容，讓學生自己選題,擬訂方案，設計虛擬材料類型，通過已學習的相關材料科學的基本理論預判材料的性能及可能的適用范圍。自行運用軟件界面, 在虛擬檢測儀器上檢測所設計材料的性能，在對應微觀組織數據庫觀察材料的組織，指明虛擬材料相應性能缺陷的具體組織原因并說明合理的增強方法。這種對虛擬材料的自我預判、分析和增性研究不僅能培養學生的創新能力，實現學生在學習的實踐中學會學習，培養其終身學習意識，也能架構學生與專業接軌的橋梁。

(3)教學內容模塊三維動畫數據庫的建設

使用FLASH或3DMAX創建晶體結構、合金相結構、晶體缺陷(位錯、亞晶界、晶界)及位錯運動等相關概念、原理、工藝的三維動畫數據庫，以便更加形象生動地展示。建立材料微觀組織數據庫、材料性能數據庫、材料分析測試國家標準數據庫，并實現數據庫間虛擬仿真的動態交互。

(4)新型教學模式的探索與構建

分別開發學習及管理模塊、在線答疑模塊、成績考核模塊及教學效果評價模塊。改變教學模式，實現以“教師為中心的單一傳授型”向以“學生為中心的行為引導型”轉變。以學生為中心，設計學生的知識、能力、素質結構和培養方案。學生通過學習模塊下的用戶界面進入已建立的虛擬仿真的教學環境中，沉浸其中，通過多種感官來感覺和認知相關知識，自主的學習、觀察和分析。并可通過與VR所營造的虛擬環境互動，實現思維的拓展與發散。強調教師只是教學活動的“組織者”、問題的“發現者”和知識的“中介者”，實現教師的“協調”、“激發”、“合作”、“監控”和“評價”作用。教師通過管理模塊來引導學生的學習內容，通過在線答疑模塊實時解答學生的問題，并將知識點之間的相互關聯、交叉與滲透實時化地演示出來，以提高學生對相關理論知識的融合貫通。教師由知識的傳輸者向學生自主學習能力的培養和引導者轉變，實現教學理念的更新。開發教學效果評價模塊，實時收集師生對教學效果的評價、反饋，分析VR虛擬教學系統在《材料科學基礎》課程的作用與不足，以便對應用功能進行二次開發。

綜上所述，基于VR的思維可視化理念下《材料科學基礎》課程的教學改革，應貫徹以應用為目標，以掌握概念、強化能力為教學重點。從課程內容體系的優化與整合、新的教學方法和手段的探索與構建、新的教學理念的貫徹與實施、課堂設計與教學、創新能力的交叉與融合、教師職能與教學效果的評估與反饋等方面進行創新，以期實現教師、學生、學習資源、交互機制、管理和評價機制等在內的教學要素的良性循環系統，提高課堂的教學質量與效果。

4 結 語

將VR技術引入教學實踐，通過虛擬仿真的教學環境演示知識點之間的相互關聯，實現教材課程的交叉化、立體化，以增強學生對基礎理論課程學習的興趣性和主動性。而這種實踐又架構了一種全新的教學課程體系。VR技術在教育教學的應用與普及將成為未來高等教育發展的必然趨勢，其思維可視化的教學理念也為相關基礎理論課程的開發和建設帶來一次實現跨越式發展的機遇。