虛擬仿真技術在“材料物理性能實驗”課程中的應用探究

秦春 蔣亮 李涌泉

［摘 要］ 通過分析“材料物理性能實驗”課程中的教學現狀，結合虛擬仿真實驗教學項目的實施，論述了開展虛擬仿真實驗的優勢。作為輔助手段以提高實驗課教學質量，可以調動學生的學習主動性、參與性；通過虛擬與實際相結合，豐富了實驗教學內容，提高學生的工程實踐能力、綜合設計及創新能力。另外，虛擬仿真實驗可以重復進行，便于學生發現問題、解決問題，也便于在實驗場地和設備受限條件下實驗實踐教學獲得的開展。但是要注意，虛擬仿真實驗在開展過程中要評價體系的改革，以實現成績的客觀評價。

［關鍵詞］ 虛擬仿真技術；實驗教學；材料物理性能實驗

［基金項目］ 2020年度北方民族大學校級一般教育教學改革研究項目“基于虛擬仿真技術的‘材料物理與性能實驗教學模式改革與實踐”（2020JY0040）

［作者簡介］ 秦春（1987—），男，安徽滁州人，博士，北方民族大學機電工程學院副教授，主要從事材料成型及控制工程研究；蔣亮（1982—），男，寧夏石嘴山人，博士，北方民族大學機電工程學院副教授，主要從事固體廢棄物循環利用研究；李涌泉（1985—），男，寧夏固原人，博士，北方民族大學機電工程學院副教授，主要從事金屬腐蝕防護研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）37-0088-04［收稿日期］ 2022-10-26

材料是人類生存發展的物質基礎，人類的科技進步也推動了材料的不斷發展［1］。“材料物理性能實驗”是“材料物理與性能”課程理論教學的補充和延續，通過相關實驗，不僅能夠鞏固學生理論方面的基本知識，還能加深學生對課本中某些現象的理解，讓抽象的概念形象化，使學生更容易掌握知識［2-3］。同時，經過實驗操作，培養學生分析與處理問題的能力，能夠在實驗中發現問題和解決問題。提高學生進行科學研究的潛能，增強學生的創新理念，使學生能夠樹立正確的工程觀點。由此可見，“材料物理性能實驗”在材料類及其相關專業的人才培育方面發揮著至關重要的作用。

隨著工程教育認證的不斷推進，對本科生實驗實訓技能要求也越來越高，從而加速了高校實驗教學的模式改革［4］。不斷推動高等院校實驗教學優質資源的建設和應用，從而達到高等院校實驗實訓教學質量提升的目的。虛擬仿真技術在實驗教學中的應用是實驗教學的新形態，可以提升高等院校實驗教學的質量和育人水平［5-7］。隨著材料學科的發展及社會對高校培養人才需求的不斷變化，與材料科學相關的傳統實驗教學模式存在的弊端越來越突出，對于具有工程實踐能力的應用型人才培養來說，實驗教學顯得至關重要。

一、“材料物理性能實驗”課程的教學現狀分析

實踐教學可以鍛煉學生的動手能力，在動手的過程中發現問題并解決問題，但實驗實踐教學在一些高校并未得到應有的重視。一方面，由于更多的高校較為重視理論教學；另一方面，由于高校的實驗實踐教學受實驗設備的限制，缺乏足夠的教學設備來支持實驗實踐教學，導致實驗實踐教學部分相對薄弱，使得學生無法得到足夠的實踐鍛煉。

“材料物理性能實驗”課程主要采用線下教學，包括學生的課前預習，課堂上教師對理論講解、實際操作步驟分析及在操作過程中的注意事項以及學生的實際操作或教師進行演示性實驗。這導致學生的動手機會較少，對學生綜合能力的培養不盡如人意。首先，現有教學方式通常只能讓學生或教師掌握幾種儀器的認識與操作，對儀器的運用了解較為片面，以至對材料的物理性能局限于理論基礎，難以實現理論與實踐相結合的教學理念，在一定程度上影響了創新能力的培養。同時，學生缺乏對實驗過程的思考，很多時候僅按照實驗步驟的要求進行實驗，這使得部分學生失去了學習的興趣。其次，“材料物理性能實驗”課程中涉及的部分大型儀器，在操作過程中存在安全隱患。例如，在力學性能實驗中的電子萬能試驗機，操作不當易造成手部受傷，誤操作也會造成機器及模具的損壞。最后，實驗臺套數不充足，不能完全滿足每名學生的實驗要求，導致分組實驗時部分學生無法進行實操達不到鍛煉的效果，使得教學效果較差。

對于工科專業來說，知識的掌握和運用的關鍵在于理論與實踐的結合，“材料物理與性能”課程中主要以理論知識的講解為主，知識點多且繁雜，涉及材料的較多性能［8］，僅學習理論知識，對學生來說理解起來比較困難，容易造成學生學習動力不足、缺乏興趣，學生的學習質量難以保障。因此，通過實驗的操作，使得抽象的知識得出具體的表現，更有利于學生對于知識的吸收，激發學生的學習熱情，達到提升綜合素質能力的目的。

二、虛擬仿真實驗在教學實驗中的應用優勢

隨著計算機技術及信息化技術的發展，現代教學手段越來越豐富。虛擬仿真技術是通過計算機的交互技術，利用信息化手段將相關實驗方法虛擬化，通過建立數據庫等形式，構建可進行可視化操作的實驗環境。學生可通過計算機相關軟件在線上完成相關的實驗過程，并對獲得的數據進行處理。對比線下的實驗實踐教學，虛擬仿真實驗有其自身的優勢［9-11］。

（一）虛擬仿真實習可作為輔助手段提高課堂教學質量

實驗實踐教學時，對實驗器材及實驗過程的講解往往是通過簡單的靜態圖片及文字進行，敘述較枯燥。學生沒有實際接觸和直觀的視覺，接受內容比較困難，教學效果達不到預期。而虛擬仿真實驗的引入，教師可以通過虛擬仿真平臺，結合相關動畫教學視頻和儀器的工作原理視頻進行內容的講解，將以前課堂教學中抽象的理論概念形象化、直觀化，使得學生能夠更加直觀地了解實驗過程，熟悉每個實驗步驟之間的關聯性。虛擬實驗教學方式可以有效地緩解原先枯燥的講解，能夠較好地調動學生的積極性，實現較好的互動教學，激發學生的學習興趣并培養動手能力，從而提高課堂的教學質量，有效地保證了在實地進行操作時學生對儀器的構造及相關實驗原理有基本的了解，減少了出錯誤的概率，提高了實驗的安全性。

（二）虛擬仿真實驗可以重復實驗，降低實驗成本

通過教師對實驗平臺的講解及學生進行相關知識學習，學生可在虛擬仿真平臺進行虛擬仿真實驗。學生按照教師講解的實驗步驟及注意事項，結合仿真平臺給予的操作提示進行實際動手操作。在此過程中，能夠改變以前實驗實踐教學中學生的角色。在線下教學過程中，對于大型儀器的操作和實驗，更多的是教師進行演示性實驗，學生僅是進行觀察和實驗數據的記錄。而在虛擬仿真平臺，學生成為實驗的主角，改變了學生的學習角色，更容易調動學生的學習積極性，彌補了因為實驗設備臺套數少或實驗成本高而無法實際動手操作的缺憾，使得學生成為實驗中的主導。由于是虛擬仿真平臺，在操作過程中或數據出現錯誤時，平臺會給出錯誤提示，學生可以根據提示進行相應的修改。學生可通過虛擬仿真平臺進行多次重復實驗，改變相關的實驗參數，獲得不同的實驗結果，和課程知識相比較，達到鞏固理論知識學習的目的。

三、基于虛擬仿真技術的“材料物理性能實驗”課程教學改革

結合現有的“材料物理性能實驗”課程教學內容，基于虛擬仿真技術，通過綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫等技術，構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬網絡環境中開展高效、安全、經濟的實驗，從而實現線下實驗不具備或難以實現的教學效果。通過虛實結合，調動學生的學習主動性、參與性，拓展實踐領域，豐富教學內容，大幅提升教學效果，提高學生的工程實踐能力、綜合設計能力及創新能力。

（一）借助線上平臺，建立相應的虛擬仿真實驗體系

線上平臺的建立包括實驗基礎知識的學習及線上虛擬實驗的操作。一方面，要強化基礎知識學習。實驗過程中的安全防護要求、實驗數據記錄、分析處理、誤差分析，實驗報告、書寫規則、數據處理等知識是學生必須掌握的內容，也是進入實驗室的基本要求，但受學時限制，線下傳統實驗教學對以上基礎知識的教學不能做到應教盡教、應會盡會。而借助線上平臺，可提升課前預習效果。教師將預習要求、實驗講解PPT、儀器操作視頻等教學內容推送到MOOC等線上平臺，學生完成相關知識學習后才能進行后續的虛擬仿真實驗，學生結合理論知識進行線上實驗相關的操作，可以提高預習效果和學習興趣。線上實驗可以提供重復實驗的機會，發生錯誤時軟件會給予提醒，在操作過程中發現問題并能得到及時解決。虛擬實驗教學具有直觀性和良好的互動性，學生參與的積極性很高。

（二）線下實驗的完善和補充

線下教學主要包括實驗的實際操作過程，是虛擬實驗的實體化。通過線上的虛擬實驗，學生能在實驗操作前掌握操作實驗儀器的方法，能夠對實驗操作流程、實驗注意事項及對實驗結果有預判。這對線下實驗操作的準確性提供了很好的幫助，也大幅降低了線下實驗操作出現問題的概率。同時我們也應注意到，部分實驗存在需要再次強調的注意事項，實驗儀器的部分功能或實驗的部分要求無法在虛擬仿真實驗中體現，需要進行相關的線下實驗進行補充，通過線上線下相結合的形式，使得實驗更加豐富，能夠加深學生對知識點及實驗內容的理解。

四、虛擬仿真實驗實施過程中存在的問題

通過對虛擬仿真實驗在“材料物理性能實驗”的實施中可以發現，高校虛擬仿真實驗建設方面仍然存在一些問題［12-14］。目前，大多數高校的實驗實踐教學項目采用的虛擬仿真平臺是依靠相關網絡信息公司授權的軟件，并非高校自主研發建設。一方面，不同公司對于設備儀器的參數使用及數據庫建設存在一定的偏差，使得軟件的質量參差不齊；另一方面，購買的軟件具有使用權，造成后續的軟件升級及繼續建設的隱患，影響虛擬仿真實驗項目的建設效果。

在進行虛擬仿真實驗時，課程的評價標準也需要進行相應的改革。在虛擬仿真實驗中，如果學生對基礎知識的掌握程度較低，學生可以根據相關的操作流程及軟件給予的界面提示，很好地進行相關的實驗并完成實驗數據及結果的分析，從而順利完成實驗。因此，完善虛擬仿真實驗的評價體系，是實施虛擬仿真實驗時需要關注的重要問題。考核不能簡單地以實驗操縱來進行評價，首選可以通過虛擬仿真平臺進行操作過程的相關記錄，分析學生在實驗過程中出現的錯誤，并給予一定的客觀評價。除了實際操作練習的評價外，還需要引入課前預習、實驗操作、相關實驗知識內容及實驗結束后實驗報告提交等方面的考核內容，從而綜合評價學生的實驗成績。

結語

虛擬仿真實驗教學項目的改革可以有效地解決當前“材料物理性能實驗”課程教學中存在的問題。通過現代化信息技術的運用，可以使得線上的學習更加直觀化、可視化，操作性更強，給予了學生更大的學習空間，提升其探索能力，能夠在自我學習過程中發現問題、解決問題。同時，我們也應注意到，虛擬仿真實驗平臺的質量是課程改革中的關鍵因素，加強平臺建設及相關軟件質量提升，是保證虛擬仿真技術在實驗教學中運用的基礎，也是加強評價體系改革的源動力。

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Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Course

on Physical Properties of Materials

QIN Chuna，b， JIANG Lianga，b， LI Yong-quana，b

（a.School of Mechanical and Electrical Engineering，b.Advanced Equipment Manufacturing Institute of Modern Industry， North Minzu University， Yinchuan， Ningxia 750021， China）

Abstract： This paper analyses the current teaching situation in the experimental course of physical properties of materials， and discusses the advantages of carrying out virtual simulation experiments in conjunction with the implementation of virtual simulation experimental teaching projects. As an aid to improve the quality of classroom teaching in laboratory classes， virtual simulation experiments can mobilise students learning initiative and participation. The combination of virtual and practical methods enriches the experimental teaching content and improves students practical engineering ability， comprehensive design and innovation ability. In addition，virtual simulation experiments can be repeated， which is convenient for students to find problems and solve them. At the same time， virtual simulation experiments facilitate the development of experimental practice teaching under the conditions of limited experimental space and equipment. We also need to pay attention to the reform of the evaluation system in the process of conducting virtual simulation experiments in order to achieve objective evaluation of the results.

Key words： virtual simulation technology; experimental teaching; experiment of physical properties of materials