基于“數(shù)字仿真—創(chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化實驗教學(xué)平臺建設(shè)研究

摘要：隨著數(shù)字科技的快速發(fā)展，基于數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的實驗教學(xué)方法備受關(guān)注。根據(jù)材料類專業(yè)創(chuàng)新人才需求，可以依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫等數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建一套數(shù)字化虛擬仿真軟硬件實驗教學(xué)平臺。探索該平臺的實驗教學(xué)一體化功能，完善實驗教學(xué)方法和模式，建立“數(shù)字仿真—創(chuàng)新—應(yīng)用”的虛擬仿真實驗教學(xué)課程體系是數(shù)字化實驗教學(xué)平臺建設(shè)的必由之路。旨在充分發(fā)揮數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)在培養(yǎng)材料類專業(yè)人才的實踐能力、信息化素養(yǎng)、創(chuàng)新精神等方面的重要作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化虛擬仿真 實驗教學(xué) 材料類專業(yè) 實踐能力

Research on Digital Experimental Teaching Platform Construction for Materials Majors Based on \"Digital Simulation-Innovation-Application\"

WEI Xueling AI Taotao LI Wenhu ZOU Xiangyu DENG Zhifeng BAO Weiwei HAN Jie

School of Materials Science and Engineering， Shanxi University of Technology， Hanzhong， Shaanxi Province， 723000 China

Abstract： With the rapid development of digital technology， experimental teaching methods based on digital virtual simulation technology have attracted much attention. According to the demand for innovative talents in materials related majors， a digital virtual simulation software and hardware experimental teaching platform can be built based on digital technologies such as virtual reality， multimedia， human-computer interaction and database. It explores the integrated function of experimental teaching of the platform and improves experimental teaching methods and models， a virtual simulation experimental teaching curriculum system of \"digital simulation-innovation- application\" had been set up. They are the necessary paths for the construction of a digital experimental teaching platform. It aims to fully leverage the important role of digital virtual simulation technology in cultivating practical ability， information literacy， innovative spirit and other aspects of material related professionals.

Key Words： Digital virtual simulation; Experimental teaching; Materials majors; Practical ability

隨著新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的快速深入發(fā)展，數(shù)字技術(shù)已成為新質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)核和引領(lǐng)未來的創(chuàng)新驅(qū)動力^[1]。黨的二十大報告中明確提出“推進教育數(shù)字化，建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會、學(xué)習(xí)型大國”，這一理論為教育數(shù)字化指明了發(fā)展方向^[2-3]。當(dāng)前，國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動扎實推進，高校信息化建設(shè)正邁向應(yīng)用融合創(chuàng)新的新階段^[4-5]。在這一大背景下，各類高校積極探索數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)平臺建設(shè)，發(fā)展高等教育新形態(tài)，提升學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力，讓數(shù)字化技術(shù)為適應(yīng)社會快速發(fā)展的創(chuàng)新型人才服務(wù)^[6-7]。

傳統(tǒng)材料類專業(yè)實驗教學(xué)是驗證材料相關(guān)真理的最基本和最有效的方法。但材料類實驗很多涉及高溫高壓危險性實驗，并且具有結(jié)果不穩(wěn)定、?實驗周期長的特點，加之實驗技術(shù)和設(shè)備可能會隨著新技術(shù)的快速發(fā)展而過時，這些不利條件，嚴(yán)重限制了材料類專業(yè)實驗教學(xué)的發(fā)展，以及對學(xué)生創(chuàng)造性思維能力、工作能力的培養(yǎng)。為了彌補上述不足，需要采用數(shù)字化技術(shù)將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級，推動材料類專業(yè)實驗教學(xué)的全領(lǐng)域轉(zhuǎn)變^[8]。目前，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷加快，國內(nèi)各類高校積極推進構(gòu)建數(shù)字化虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的實驗教學(xué)平臺，并取得了一定的成果^[9-10]。本研究以材料類專業(yè)理論知識與實踐操作技能為切入點，通過數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)與材料類專業(yè)全方位和深層次融合，將數(shù)字技術(shù)整合到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等各方面，將抽象的專業(yè)問題或原理數(shù)字化、形象化和具體化，同時強化材料類專業(yè)的實踐性，力求讓學(xué)生掌握的理論知識與專業(yè)實踐能力得到大幅提升。

1 數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

材料學(xué)院開展材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)工作，目的在于保障虛擬仿真實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)能緊密相連、彼此互補。平臺整合材料成型和控制工程專業(yè)、材料科學(xué)與工程專業(yè)和高分子材料與工程專業(yè)實驗教學(xué)體系資源，主要圍繞虛擬仿真實驗項目全流程建設(shè)與追蹤、虛擬仿真實驗項目管理、平臺運行管理體系建設(shè)等方面進行建設(shè)^[11]。學(xué)院及其下屬實驗中心對平臺統(tǒng)一管理，可以實時獲取平臺上各虛擬仿真實驗項目內(nèi)容與數(shù)量、各項目的訪問頻率和用時時長、虛擬實驗數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計、學(xué)生對專業(yè)知識掌握程度與分析、平臺的用戶數(shù)量等教學(xué)信息，圖1為材料類專業(yè)虛擬仿真數(shù)字化實驗教學(xué)平臺總體架構(gòu)。

（1）全流程管理。實現(xiàn)“學(xué)、練、思、創(chuàng)、考”全流程管理，完成在教學(xué)范式、組織架構(gòu)、教學(xué)過程、評價方式等領(lǐng)域全方位的創(chuàng)新與變革之舉。

（2）全數(shù)字化。平臺支持所有數(shù)字化教學(xué)資源運行，與實驗室設(shè)備一起構(gòu)成完整的教學(xué)體系，綜合運用虛擬教學(xué)資源和各種配套資源，助力數(shù)字化虛實一體教學(xué)得以順利開展。

（3）全智能分析。建立虛擬仿真實驗教學(xué)項目的考核評價體系，全智能分析學(xué)生學(xué)習(xí)考核數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析報告。

2 數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

本研究以虛擬實驗教學(xué)建設(shè)目標(biāo)為導(dǎo)向，整合陜西省虛擬仿真實驗中心現(xiàn)有硬件和軟件，借助學(xué)院教師科研資源，構(gòu)建起能夠滿足材料學(xué)科“設(shè)計—加工—結(jié)構(gòu)—性能”全流程實驗需求的材料科學(xué)與工程數(shù)字化實驗教學(xué)平臺。其中，主要包括材料成型與控制工程虛擬實驗平臺、材料設(shè)計計算仿真平臺、材料力學(xué)與工程仿真平臺3個二級虛仿平臺，每個二級平臺又可以分為3個子模塊，平臺具體構(gòu)成如圖2所示

2.1 液態(tài)成形虛擬仿真模塊

液態(tài)成形虛擬仿真模塊利用計算機圖形學(xué)、材料科學(xué)、熱力學(xué)等多學(xué)科知識，通過軟件模擬進行液態(tài)成形工藝設(shè)計和金屬液態(tài)成形的全過程。借助仿真技術(shù)，能夠?qū)饘偃刍⒊湫汀⒗鋮s、凝固等完整工藝流程進行可視化呈現(xiàn)，并且可以直觀地看到液態(tài)成形過程中溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場等工藝參數(shù)的變化所產(chǎn)生的影響。

2.2 塑性加工虛擬仿真模塊

塑性成形是材料成形的重要加工方式，塑性加工虛擬仿真模塊通過典型商用有限元分析軟件建模與基本操作，動態(tài)仿真零部件冷成形、溫成形、熱成形過程中成形工藝、建模、有限元模型評估與應(yīng)用，進而實現(xiàn)塑性加工工藝的優(yōu)化設(shè)計提高學(xué)生對材料塑性加工成形方面的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

2.3 焊接虛擬成形仿真模塊

通過焊接仿真分析，可以實時的獲取焊接過程中金屬材料金相組織、力學(xué)性能的變化規(guī)律，以及可視化焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化情況，為學(xué)生提供一個身臨其境的焊接訓(xùn)練虛擬環(huán)境，使學(xué)生更容易掌握焊接順序、焊接裝夾位置等焊接工藝參數(shù)。

3 “數(shù)字仿真—創(chuàng)新—應(yīng)用”課程體系建設(shè)

通過材料數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)的不斷探索，建立了虛實結(jié)合的實驗教學(xué)方法與模式，構(gòu)建了基于“數(shù)字仿真—創(chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)完整課程體系^[12]。該體系結(jié)合課程理論教學(xué)，融合實體實驗、虛擬仿真實驗、學(xué)科競賽項目、大學(xué)生開放實驗項目與工程能力訓(xùn)練等實踐教學(xué)活動，以此構(gòu)建一套能夠較好地滿足材料學(xué)科人才實踐能力培養(yǎng)要求的課程體系。

數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺圍繞著材料應(yīng)用的“設(shè)計—加工—結(jié)構(gòu)—性能”四要素，“設(shè)計”實驗環(huán)節(jié)可借助材料相關(guān)設(shè)計軟件，利用第一性原理開展材料電子行為的虛擬仿真實驗。具體操作步驟為：計算具有周期性結(jié)構(gòu)的材料對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，確定所選材料是否滿足加工條件要求；利用力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計模擬軟件，模擬研究金屬、無機和高分子材料等不同材料在各種時間尺度下的動態(tài)行為；利用多種加工成形模擬技術(shù)，可視化觀察材料在不同成形工藝過程中形狀、組織與性能的變化規(guī)律，并分析工藝方法和工藝參數(shù)等因素對不同零件成形的影響。

以塑性成形虛擬仿真模塊為例，該模塊下開設(shè)塑性成形工藝與模具設(shè)計、塑料成形工藝與模具設(shè)計、壓鑄模設(shè)計等數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)子項目^[13]。項目內(nèi)容集合了虛擬成形工廠路徑規(guī)劃、虛擬模具裝配、塑性成形工藝參數(shù)數(shù)值模擬等虛擬制造技術(shù)，讓塑性成形虛擬仿真實驗的內(nèi)容與步驟操作在真實性上更進一步。在虛仿實驗過程中，學(xué)生可以在虛擬工廠中實現(xiàn)實時路徑規(guī)劃和約束管理（如圖3所示）；在具體操作步驟中，借助虛擬約束與虛擬裝配的相關(guān)技術(shù)，依照實驗要求，達成對模具零件的拾取、模具運動的操控等操作。在實驗的每一步驟均以文字或語言信息提供相應(yīng)的基礎(chǔ)工藝知識，使學(xué)生掌握塑性成形的原理、設(shè)備、步驟、主要工藝參數(shù)等基礎(chǔ)知識，同時系統(tǒng)提供自由漫游和手動實驗功能，讓學(xué)生實際操作虛擬設(shè)備，自由了解制造環(huán)境，并且可以反復(fù)操作直至熟練掌握，深入理解，從而既注重了基礎(chǔ)工藝知識的掌握，也同時兼顧了實際工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺對實驗所有相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時采集、處理和分析，將實驗數(shù)據(jù)以圖形、表格、動態(tài)圖形等形式表現(xiàn)，可視化地呈現(xiàn)各子項目的使用情況，主要包括學(xué)生的操作記錄、實驗結(jié)果、學(xué)習(xí)進度、在線使用人數(shù)等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的客觀分析，教師可以根據(jù)學(xué)生對相關(guān)知識的掌握情況做出準(zhǔn)確合理的教學(xué)規(guī)劃。同時，項目的訪問頻率、用戶參與數(shù)、各子項目熱度等使用數(shù)據(jù)，也為學(xué)院和實驗中心提供了管理決策依據(jù)，對提升教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率，提供了強有力的保障。

4 結(jié)語

通過對材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)的不斷探索和實踐，成功建設(shè)了基于材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。“數(shù)字仿真—創(chuàng)新—應(yīng)用”材料類專業(yè)數(shù)字化虛擬實驗教學(xué)課程體系也在逐步探索中得以建立和完善。通過提供虛實結(jié)合的實驗教學(xué)，為學(xué)生搭建了理論學(xué)習(xí)與實驗操的橋梁，學(xué)生抽象知識的理解能力、動手能力和創(chuàng)新能力得到了大幅提高。下一階段，平臺將擴大虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍，深度挖掘一些潛在的科研方向，并在此基礎(chǔ)上進一步開展教學(xué)研究，希冀為科研理論、方法驗證提供技術(shù)支持。未來，將不斷加強平臺的建設(shè)力度，通過自主研發(fā)、合作、引進相結(jié)合的方式完善各種數(shù)字化虛擬仿真實驗資源，促進虛擬仿真實驗教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)作出更大的貢獻。

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