虛擬仿真實驗教學方式在材料專業(yè)實踐中的應用

摘"要：為加快高校教育改革步伐，促進高校加快建設(shè)與新時代人才培養(yǎng)需求相適應、與新技術(shù)相融合、與教育教學方式方法改革相配套的教育教學管理政策，國家大力提倡各高校利用當代先進的電子信息和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)，建設(shè)線上線下相結(jié)合的虛擬仿真實驗課程體系。既能依據(jù)學科前沿動態(tài)與社會發(fā)展需求動態(tài)快速地更新知識體系，同時也豐富教學手段與資源，激發(fā)學生主動學習的內(nèi)驅(qū)力，提升學生知識體系的全面性，最終體現(xiàn)高校知識體系綜合性與時代性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；材料專業(yè)

Abstract：In"order"to"improve"the"pace"of"education"reform"in"colleges"and"universities，and"to"promote"colleges"and"universities"to"accelerate"the"construction"of"education"and"teaching"management"policies"that"meet"the"needs"of"talent"training"in"the"new"era，integrate"with"new"technologies，and"match"the"reform"of"education"and"teaching"methods，the"state"strongly"encourages"colleges"and"universities"to"use"modern"advanced"electronic"information"and"network"development"technologies"to"build"a"virtual"simulation"experiment"course"system"that"combines"online"and"offline.It"can"not"only"update"the"knowledge"system"dynamically"and"quickly"according"to"the"cuttingedge"trends"of"disciplines"and"the"needs"of"social"development，but"also"enrich"the"teaching"methods"and"resources，stimulate"the"drive"of"students"to"actively"learn，improve"the"comprehensiveness"of"students'"knowledge"system，and"finally"reflect"the"comprehensiveness"of"the"knowledge"system"of"colleges"and"universities"and"The"Times.

Keywords：Virtual"simulation；experimental"teaching；material"major

實驗課程作為高校人才培養(yǎng)體系的重要構(gòu)成因素，比刻板而煩冗的理論課程更加有利于學生自主尋求原理，建構(gòu)科學的知識系統(tǒng)，培養(yǎng)學生在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新意識和解決復雜問題實踐能力，提升學生專業(yè)知識水平和科學研究素養(yǎng)。實驗教學質(zhì)量的好與壞是檢驗高校人才培養(yǎng)質(zhì)量和高校人才培養(yǎng)能力的基礎(chǔ)依據(jù)。就現(xiàn)下而言，國內(nèi)的高校教育正是處于內(nèi)涵發(fā)展、提升質(zhì)量、深化改革的關(guān)鍵時期和全面提高人才培養(yǎng)能力、建設(shè)高等教育強國的關(guān)鍵階段。習近平總書記關(guān)于高校教育方向和育人理念做出重要論述，為貫徹落實《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》精神，各大高校必須著重突出全面提高人才綜合能力培養(yǎng)這個教學核心點，夯實實驗教學內(nèi)容，提升高校實驗教師的教學能力，最終推動實驗教學方式方法和途徑的創(chuàng)新，為我國高校教育高質(zhì)量內(nèi)涵發(fā)展提供有力支撐。虛擬仿真實驗教學方式是一種新的實驗教學途徑，虛擬仿真將現(xiàn)實場景虛擬化，與多媒體介質(zhì)、數(shù)據(jù)庫以及信息網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)相結(jié)合，通過在虛擬課程體系內(nèi)設(shè)計3D立體逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學生在一個輕松、自由、主動的擬現(xiàn)實化的場景中進行高效、安全且環(huán)保的實驗項目，虛擬仿真實驗中心的建立是高等學校實驗教學信息化的重大舉措，更是現(xiàn)代化教育的發(fā)展趨勢，將會對我國高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極重要的作用［1］。

1"傳統(tǒng)課程的弊端

材料科學是一門實驗性、操作性很強的學科，實驗教學是培養(yǎng)材料學科高素質(zhì)人才的重要實踐性環(huán)節(jié)［2］。為培養(yǎng)出符合社會需求的全能型高質(zhì)量一流人才，在實踐教學過程中必須實時跟進專業(yè)技術(shù)的新發(fā)展，將企業(yè)最新沿用的新技術(shù)融入高校的實踐教學過程中。但某些重要的關(guān)鍵性技術(shù)往往存在一定的危險因素，對于有些需要在極端條件下進行的實驗，傳統(tǒng)的實驗教學方式無法開展。而且最新的技術(shù)承載的儀器費用昂貴，對學院而言耗資巨大，無法大量購買，儀器設(shè)備臺套數(shù)非常有限，而實驗課程時間有限，所以不能確保每一個學生有機會動手操作實驗儀器，導致失去實驗課程真正的培養(yǎng)意義。除此之外，高校儀器設(shè)備更新迭代速度較慢，而在科技發(fā)展日新月異的新時代，高校實驗設(shè)備往往很快就會落后于新技術(shù)設(shè)備，無法實現(xiàn)實時更新。材料專業(yè)部分實驗時長較長，無法在有限的實驗課時內(nèi)完成實驗全部內(nèi)容，只好讓助教或者老師提前完成一部分內(nèi)容，以至于實驗過程無法全面展示給學生，例如，材料的熱處理和再結(jié)晶、鋼材的軋制變形及再結(jié)晶等在有限的實驗課程內(nèi)都無法讓學生操作全程。還有部分實驗課程的內(nèi)容重復了，讓學生在實驗過程中收獲較少，無法對該實驗產(chǎn)生興趣。以上因素都會對傳統(tǒng)實驗持續(xù)性的開展產(chǎn)生限制，如若實驗課程體系中未涉及該部分的內(nèi)容，會導致學生對專業(yè)前沿科學研究很生疏，無法讓學生的知識體系與時俱進。

2"虛擬仿真實驗課程的優(yōu)勢

為了保證課程內(nèi)容與時俱進，契合國家對人才培養(yǎng)的目標，需要有先進的課程教學理念，將虛擬仿真教學方式巧妙地融入教育教學全過程，讓教學環(huán)節(jié)設(shè)計、語言的組織與課程的實施都要重點突出學生在課程中的中心地位。線上線下混合式虛擬仿真實驗教學方法以學生作為課程的中心，用問題作為導向引導學生思考，鼓勵學生主動探索，提升學生對課程的興趣；以“學科融合、創(chuàng)新實踐”為實驗教學理念，以現(xiàn)代化電子科學技術(shù)為主要教學媒介，以改變上課場所為切入口，全面深入推進實驗教學改革。與我院專業(yè)的實際教學情況相結(jié)合，在教學過程中，教師對關(guān)鍵場景及設(shè)備進行設(shè)置，學生則可以在教師設(shè)置的場景中以3D實景的形式進行自主式行走觀察，對關(guān)鍵設(shè)備的屬性參數(shù)、結(jié)構(gòu)、分類等相關(guān)知識進行學習。整個實驗教學過程都以學生自主學習為主，教師只需要在專業(yè)較強的內(nèi)容上進行指導，師生共同完成實驗項目，從而使學生獲取知識。在設(shè)計全過程的每一個環(huán)節(jié)由教師和系統(tǒng)指導，發(fā)現(xiàn)問題并及時修正。教學活動的重心放在實驗過程的自主體驗上，有利于學生掌握知識的同時將所學的知識與現(xiàn)場的場景進行結(jié)合，做到知行合一。學生通過自身主動探索完成教學項目，激發(fā)學生對深入專業(yè)學習的熱忱，有效調(diào)動學生學習的積極性，既掌握專業(yè)實踐操作所需技能，提高動手能力，又掌握專業(yè)知識，學生在主動探索過程中暴露問題時，可以及時補充不足之處，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、主動學習和自我反思的能力。

2.1"激發(fā)學生學習興趣

實驗教學作為培養(yǎng)工科人才不可取代的環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新水平和創(chuàng)造能力起著至關(guān)重要的作用。隨著科技水平和信息技術(shù)的全面普及，電子產(chǎn)品在學習中的作用也有所體現(xiàn)，并被學生所喜愛。為促進學生對學習的積極性，將電子產(chǎn)品和課程相結(jié)合，將電子設(shè)備變成人人都能接觸和使用的學習資源，這將很大程度地激發(fā)學生對課程的喜愛程度。虛擬仿真實驗將改變以往枯燥單調(diào)的實驗課程形式，將實驗課程內(nèi)容搭載成3D實物模擬場景，以極為豐富的內(nèi)容和新穎的形式吸引學生，在虛擬的環(huán)境中，學生可以直接觀察與虛擬的不同實驗參數(shù)的系統(tǒng)互動，從而能夠深入細致地了解實驗的整個過程，包括宏觀過程及微觀過程。虛擬仿真的實驗教學方式采用沉浸式的教學模式，讓學生全身心地投入實驗教學過程當中，這種直觀、實時和互動的特點不僅激發(fā)了學生了解專業(yè)課程的興趣，也有助于學生進行學習遷移。

2.2"提升學生學習能力

在虛擬環(huán)境中，學生可以通過改變試驗環(huán)境的參數(shù)設(shè)置來進行反復練習操作，既能深化對已有理論知識的理解，又能獲得制備工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化的能力。學生可以通過單向練習模式提高實驗操作熟練性，在此過程中也尋找出學習內(nèi)容的薄弱之處，加深對實驗過程的掌握；再自主進行實驗內(nèi)容設(shè)計，可以根據(jù)自身專業(yè)能力設(shè)定實驗難度系數(shù)，采用這種靈活多變的方法，促使學生養(yǎng)成主動掌握知識和不斷反思的習慣，還能使學生將所學的專業(yè)理論知識用于實踐當中，解決實際的專業(yè)問題。采用此種實驗教學方法，使學生自身學習能力和探索精神不斷得到提升。

2.3"提高學生學習效率

虛擬仿真教學方式給學生打造出一個能自主安排時間和學習場所的新型課堂。學生可以根據(jù)自己的時間，隨時隨地開始課程，不受周邊環(huán)境的限制，也無須與班上其他同學同步，根據(jù)自己掌握的水平，自己設(shè)置實驗難度，滿足學生個性化發(fā)展需求，循序漸進地探索實驗內(nèi)容。同時也可以根據(jù)學生掌握的水平進行反復實驗操作，直到全部掌握實驗內(nèi)容為止。如此一來，既能滿足不同水平學生的需求，又能個性化培養(yǎng)學生，符合當下國家對高校學生培養(yǎng)的需求。學生可以更有針對性地檢測學習成果，且不用將時間花費在去往教學樓的路上，學習時間更為集中。系統(tǒng)自動評分功能有助于學生得到及時反饋，從而幫助學生及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，學生學習效率也因此大幅度提高。

3"虛擬課程體系的構(gòu)建

材料科學與工程是實踐性較強的工程應用型學科［3］。湘潭大學材料科學與工程學院（以下簡稱“本院”）人才培養(yǎng)計劃中構(gòu)建“材料設(shè)計—制備—性能—表征—服役”五個內(nèi)容模塊的實驗教學體系，面向國家重大需求，以材料與力學交叉為特色，將工程實踐與科學研究相結(jié)合，堅持“夯實基礎(chǔ)、完善結(jié)構(gòu)、強化實踐、注重創(chuàng)新、加強應用”的人才培養(yǎng)理念，滿足材料各本科專業(yè)復合型高素質(zhì)人才培養(yǎng)的實踐課程要求。在實驗課程教學目標和改革方向上，本院主要圍繞“材料的成分設(shè)計—制備工藝—性能檢測—服役環(huán)境”的干線，以“材料”與“力學”相結(jié)合、“科學”與“工程”相結(jié)合為特色，依托學校建設(shè)的有線、無線網(wǎng)和核心機房，學校的“智慧校園”為智慧數(shù)據(jù)應用平臺等提供了更大的發(fā)展空間。以服務實驗教學、便于信息化管理為宗旨，現(xiàn)采購了虛擬化服務器，基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實驗教學綜合平臺，整合并形成材料科學基礎(chǔ)、材料力學、材料測試技術(shù)、航空發(fā)動機熱障涂層服役環(huán)境模擬和激光脈沖沉積等特色虛擬仿真實驗項目群，為師生初步建立起智能開放的信息化實驗教學云平臺環(huán)境，豐富了實驗教學體系。虛擬仿真課程平臺的搭建，可將多項專業(yè)課程教學方式升級為線上線下混合式教學［4］。采取理論實踐互補，利用線下課程將理論知識疏解導通，再通過實驗課程將理論知識點融會貫通，但是部分抽象化的概念無法通過線下實驗課程體現(xiàn)。此時可以利用線上虛擬仿真進行實驗課程，將理論中涉及的一些抽象化、微觀化的過程通過技術(shù)呈現(xiàn)在學生眼前，讓學生將概念化的專業(yè)名詞具體化。如此一來，不僅加深了學生對理論知識的理解，還能夠通過虛擬現(xiàn)實增強技術(shù)等一系列“炫酷”技術(shù)激發(fā)學生對學習的熱情與興趣。本院虛擬仿真實驗課程體系將以“虛實結(jié)合、能實不虛、以虛促實”為基本原則，全面開發(fā)虛擬實驗，爭取早日成立虛擬仿真國家示范實驗中心。

4"虛擬課程的實施路徑

虛擬仿真實驗教學方法堅持以學生為中心，學生是課程的主導，由學生自主完成實驗過程，操作實驗裝置，增強學生對知識獲取的興趣和能力。實驗指導教師講解實驗設(shè)計的理論原理、實驗方法和實驗步驟，并對整個實驗前、中、后全過程加以指導和引導，將豐富實用的專業(yè)理論知識和操作技能融合到生動有趣的教學活動中，以充分激發(fā)學生學習熱情，強化學生的實際操作能力，鞏固專業(yè)教學成果，提高教學質(zhì)量，最終克服傳統(tǒng)實驗的諸多局限性（如效果差、環(huán)境惡劣、安全隱患大、成本高、難理解）［5］。實驗過程中，教師將會分步對學生的操作進行記錄，教師在旁觀看學生的整個操作過程，并隨時進行現(xiàn)場指導。系統(tǒng)通過學生在操作過程中存在的錯誤操作，給出實驗操作分數(shù)，實驗教師根據(jù)學生在操作過程中的熟練程度來判斷學生的課前預習效果給出實驗成績，并與系統(tǒng)給出的分數(shù)相結(jié)合，由此完善整個實驗的成績評價機制。實驗操作結(jié)束后，通過填寫實驗報告，學生可以反思自己的全部操作，并對自己掌握的情況做出評價。學生根據(jù)每次實驗的流暢程度和實驗結(jié)果，可選擇是否進行反復實驗，可以根據(jù)每次實驗過程中暴露的知識短板，為自身量身設(shè)計新的實驗內(nèi)容，從而補足短板，提高成績。實驗指導教師需要對學生的操作進行一一點評，針對部分在實驗過程中沒有進展的學生需要一對一指導，幫助學生掌握知識點。同時還要求學生與學生之間相互評價，取長補短，相互進步，如此一來，實現(xiàn)了師生互動與生生互動。這種方法不僅可以積極推動廣大教師和學生投身新時代教與學變革實踐，構(gòu)建多類型、多樣化的教學內(nèi)容與課程體系，還能不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為我省高質(zhì)量發(fā)展提供更多人才支撐。

結(jié)語

實踐教學是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際、激發(fā)學生探索欲望、培養(yǎng)學生掌握科學方法和提高動手能力的必要途徑［68］。各高校發(fā)掘自身學科優(yōu)勢，立足自身學科特點，在新時代高校教育改革政策的召喚下，開發(fā)出線上線下虛實結(jié)合的新型實驗課程教學途徑，通過“虛實融合”的方式將學生全方位培養(yǎng)成理論知識扎實、動手能力過硬、科研素養(yǎng)優(yōu)良的全能型綜合人才，使學生既具備快速融入工作平臺的能力，也有繼續(xù)深造的堅實基礎(chǔ)，真正培養(yǎng)成國家的棟梁之材。

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基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目2024年第一批次（項目號：231106665170655、231007544232712）

作者簡介：劉艷（1991—"），女，漢族，湖南邵陽人，碩士，實驗師，研究方向：材料專業(yè)實驗室管理及教學。