新工科背景下虛擬仿真課堂的搭建與實踐

陳玉珍，馬寶山，王沛

（大連海事大學，遼寧大連 116026）

1 虛擬仿真實驗對材料專業(yè)實驗教學改革的意義

實驗教學是各高校本科教育環(huán)節(jié)非常重要的組成部分，它不僅是對理論教學的驗證、補充和拓展，更是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、動手能力和解決綜合問題能力的重要方式。

材料科學與工程是一門專業(yè)理論知識綜合性強且復雜深奧的學科，理論涉及面廣，學科交叉性強，必須通過高質量的實驗教學拓展專業(yè)理論知識學習的廣度和深度。材料科學與工程專業(yè)在實驗教學過程中存在一些共性問題：有的實驗項目要求在高溫、高壓甚至極度危險的條件下進行實驗操作，有的實驗在配置實驗藥劑時可能會接觸易燃易爆的危險化學藥品，另外材料專業(yè)很多研究微觀組織的實驗項目由于受實驗空間、大型精密設備臺套數(shù)不足、教學時間的限制[1-2]，特別是學生制備實驗樣品技能存在很大的差異，導致樣品的微觀組織顯示不清楚，學生難以準確理解組織特征，達不到理想的實驗教學效果。在新工科建設背景下，為適應經濟社會快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求，需要結合當代大學生成長的新特點，抓住信息化時代教育教學的新規(guī)律，以提高學生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，依托現(xiàn)代信息技術，進一步研究實驗教學新思路，促進實驗教學改革的創(chuàng)新發(fā)展。

在教育部發(fā)布的關于虛擬仿真實驗教學平臺建設工作的指導文件中[3-4]，強調以虛擬仿真實踐教學建設為重點，探索新時期高等院校如何實現(xiàn)對人才的全面培養(yǎng)[5-6]。虛擬仿真實驗教學是我國教育現(xiàn)代化發(fā)展與教育實驗教學示范中心建設的重點研究內容，也是高校教育發(fā)展和各學科信息技術深入結合的必然成果[7-9]。虛擬仿真實驗教學通過利用數(shù)據(jù)庫和網絡通訊等多媒體技術，搭建虛擬的實驗環(huán)境，學生在虛擬情境下進行實驗，計算機模擬教學情境，大大增強了教學效果[10-11]。

從長遠來看，虛擬仿真實驗和線下實驗相結合更有利于學生綜合素質的提高和實踐能力的培養(yǎng)，改變了以往的課內實驗教學形式，教學資源更公開，教學空間擴大，形成以學生為主、教師為輔的教學模式，為傳統(tǒng)實驗教學升級重構提供了有效方法，實現(xiàn)實驗教學方法的延伸，從而加快新工科建設的步伐。

2 虛擬仿真實驗平臺模塊設計與功能

實驗平臺管理模塊的開發(fā)首先根據(jù)需要模擬仿真的實驗項目內容收集相關信息，包括實驗臺、實驗儀器、實驗材料等的空間尺寸、位置、圖片信息等，然后在虛擬世界中建立包括幾何建模（外表）、運動建模（交互動作）等信息的模型；建模結果直接影響仿真的效果，因此，要求所有功能系統(tǒng)中涉及的設備、輔材、工具單獨建模，分別能夠進行360°全方位的展示，并搭配文字說明，要求模型在該模塊的主界面中平鋪顯示。將收集信息之間的關系進行集成，通過鼠標和鍵盤實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境人機交互，實現(xiàn)實驗仿真功能，最后對實驗平臺各個模塊進行調試組合，并進行網絡發(fā)布。

虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)共需要設計預習、演示、學習、考核和報告5 個模塊，各模塊的主要功能如下。

預習模式：學生利用預習系統(tǒng)了解實驗內容、實驗原理及實驗注意事項等，學生必須進行實驗預習并且考核合格才能進行后續(xù)實驗。

演示模式：學生通過觀看實驗錄像對實驗過程有快速的認知，有助于學生對實驗整體性的把握。

學習模式：通過該系統(tǒng)，學生根據(jù)自身情況進行實驗學習，重點學習自己不了解和未懂的內容，對已經熟悉和掌握的內容有選擇地學習，學習模式充分體現(xiàn)學生的主動性，提高學生的學習效率。配合學生的操作步驟，系統(tǒng)會自動給出解釋說明，遇到重點內容系統(tǒng)會自動語音播報。如果學生遇到問題無法解決，可以借助“幫助”說明，或者切換至“演示”系統(tǒng)播放學生卡點處的動畫演示，逐步幫助他們通過練習完成整個實驗。

考核模式：進入考核模式前學生必須進行部分實驗的練習，學生在考核管理系統(tǒng)中操作的每一步均無任何提醒，除非學生主動申請?zhí)崾?，但每提醒一次，系統(tǒng)會自動扣分?？荚嚱Y束后，系統(tǒng)會給出每一步的得分和扣分明細，并給出總分。

報告模式：考核結束后，學生需要遞交實驗分析報告，內容包括實驗原理、實驗過程、實驗結論、實驗結果和對該實驗設計的評論和意見，并提交給教師批閱。

3 以鐵碳相圖平衡組織觀察項目虛擬仿真意義

研究多組元材料的性能，首先了解各組元在不同的物理化學條件下的相互作用，以及由于這種作用引起的系統(tǒng)狀態(tài)的變化及相的轉變。掌握相圖的分析方法和使用方法，可以分析和了解材料在不同條件下的相轉變，預測材料的性能和研制新材料。鋼鐵材料在結構材料中占主導地位，是應用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制訂以及工藝廢品原因的分析都有很重要的意義[12-13]。鐵碳合金相圖及平衡組織觀察幾乎是所有金屬材料專業(yè)必開設的實驗項目，其重要性顯而易見。

目前，鐵碳相圖線下實驗教學內容主要是教師先講解顯微鏡的原理、使用和操作，待學生熟悉顯微鏡使用后，觀察金相組織樣品，結合金相組織掛圖和相圖，繪制金相組織圖。由于鐵碳合金相圖與其金相組織結合，涉及大量的抽象內容，原理規(guī)律多，特別是對于不同溫度點的組織轉變過程，學生難以形成直觀認識，更難以理解掌握。因此，這些因素成為制約鐵碳相圖實驗教學的瓶頸。鐵碳合金顯微組織分析是非常適合也是非常有必要進行虛擬仿真的實驗項目[14]，通過虛擬仿真可以把實驗過程形象化，在合金冷卻的過程中，對于不同合金在不同溫度發(fā)生的轉變可以實時給出組織形態(tài)，并能通過局部放大使學生加深理解，有些抽象的不同相組織變化可以通過三維模型進行展示，使得學生對整個實驗過程充分了解，對于通過一次實驗不能取得良好學習效果的學生還可以多次重復實驗。

4 實驗設計

針對實驗內容確定虛擬仿真的交互步驟，評估仿真的效果及與學生實際操作的差異點，制定虛擬仿真實驗的目標考核評價體系。

實驗設計主要包括實驗目標和實驗相關理論講解，實驗設備、實驗材料介紹，學生掌握鐵碳合金平衡態(tài)的顯微組織，繪制顯微組織圖譜，并分析不同顯微組織的影響因素，進一步理解合金成分、材料組織與性能之間的相互關系。在設計過程中，根據(jù)實際情況，需動手操作的部分，比如金相樣品的制備安排課內線下實驗，做到虛實結合，提高學生的動手能力。

4.1 實驗目的

（1）熟悉金相顯微鏡的基本原理及使用方法；

（2）觀察和分析碳鋼和白口鑄鐵在平衡狀態(tài)下的顯微組織；

（3）掌握鐵碳相圖平衡組織的形成條件和組織性能特點。

4.2 實驗器材

（1）LDW200—4XB 型金相顯微鏡數(shù)臺；

（2）金相組織照片一套；

（3）金相樣品一套。

4.3 實驗內容

（1）學生進入演示模塊學習顯微鏡各部件的名稱（交互式操作11 步）。學生可以依次點擊學習金相顯微鏡的11 個構件，分別是光源、物鏡、目鏡、光闌、底座、濾光片、載物臺、粗調旋鈕、亮度調節(jié)鈕、顯微鏡主開關、載物臺方向螺旋桿，學生可以點擊任意構件按鈕進行學習。

（2）學生進入操作模塊學習顯微鏡的使用（交互式操作15 步）。學生可以點擊學習顯微鏡的使用，根據(jù)文字提示依次進行：固定試樣，打開開關、調節(jié)亮度、放置樣品、粗調焦距、調整目鏡、插入濾光片、粗調焦距、細調焦距、更換物鏡、細調焦距、調節(jié)亮度、調節(jié)孔徑光闌、取下試樣、恢復顯微鏡的操作，實驗結束。

（3）學生點擊鐵碳相圖學習組織轉變過程。點擊了解工業(yè)純鐵、20 號鋼、T8 鋼、T12 鋼及三種鑄鐵組織冷卻過程中組織的轉變情況。重點掌握共析轉變和共晶轉變組織形成過程，描繪試樣的顯微組織示意圖，標明材料名稱、樣品腐蝕劑、放大倍數(shù)和組織組成物的名稱，比較含碳量不同的亞共析鋼組織特征，并能根據(jù)組織圖定性分析含碳量的多少，綜合分析含碳量對平衡組織、機械性能和工藝性能的影響。

4.4 學生提交線上報告

教師對學生提交的報告及時反饋，學生及時修改，形成良性循環(huán)并給出學生最終的實驗成績。考核標準如表1 所示。

表1 實驗考核標準

5 結束語

虛擬仿真實驗真正突出了以學生為中心的實驗教學理念，學生自主利用互聯(lián)網智能化工具進行學習，適應了新工科背景下對人才培養(yǎng)的需求，拓展了實驗課堂的廣度和深度?？己讼到y(tǒng)更友好、更公平，避免了傳統(tǒng)課內考核的弊端，學生在做完實驗練習、進入考核系統(tǒng)后進行實驗考核，實時地給出每部分的考核結果，更有助于學生快速了解問題、掌握知識。滿足了實驗課程需求和學科應用需要，主要面向工程、船舶、機械工程等專業(yè)本科生和研究生，使其全面掌握學科基礎知識，為教師開展研究設計、教學科研等方面的工作提供支持，也能夠滿足教師和學生開展創(chuàng)新型實踐活動的要求。通過提高系統(tǒng)中優(yōu)質數(shù)據(jù)的共享性與可靠性，仿真系統(tǒng)設計與優(yōu)化，以適應越來越多的系統(tǒng)研發(fā)需求，提高學生虛擬平臺控制水平，使其開拓研究思路，逐步實現(xiàn)院校之間的資源對接，全方位培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新服務能力。