虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用

王 静, 杨金萍, 王春梅

(1. 华北理工大学 材料科学与工程学院, 河北 唐山 063009；2. 河北省无机非金属材料重点实验室, 河北 唐山 063009)

虚拟仿真技术探索与实践

虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用

王 静1,2, 杨金萍1,2, 王春梅1,2

(1. 华北理工大学 材料科学与工程学院, 河北 唐山 063009；2. 河北省无机非金属材料重点实验室, 河北 唐山 063009)

论述了将虚拟仿真教学引入无机非金属材料专业实践教学的必要性,为克服传统实践教学存在的局限性,结合虚拟仿真技术建立了虚拟实践教学平台,以提高学生主动思考和动手能力,促进无机非金属材料专业本科虚拟仿真实践教学发展。

虚拟仿真； 实践教学； 创新教学

伴随着现代产业的发展,培养学生的创新能力和工程能力已成为理工类院校近年来教育的重点[1]。创新型和工程型人才以具有创造意识、创新精神、创新能力和实践动手能力为特征,而培养创新型和工程型人才的方法、途径则呈现多样化[2-4]。随着虚拟技术、多媒体技术、数据库技术和网络通信技术的发展,越来越多的计算机技术应用到教学中,促进了传统教学模式和教学方法的改变,为创新型、工程型人才的培养开辟了新渠道[5-7]。虚拟仿真技术克服了实践教学中一些固有的缺点,在实践教学方面得到了越来越多的关注,促进了虚拟仿真在实践教学中的大规模应用[8-11]。

1 建设实践教学虚拟仿真平台的必要性

无机非金属材料学科的理论与实践结合得非常紧密,实践教学是培养无机非金属材料学科高素质人才的重要环节。实验室和实习工厂是培养创新型和工程型人才的基地和摇篮,实践教学项目和教学手段是人才培养的有效载体,实践基地管理体制与运行机制是实现人才培养的根本保障。但是许多材料专业的实习工厂的实习岗位都具有一定的危险性(例如高温、高压、高速运转的设备,常见的地坑等),从工厂运营和学生管理两方面都无法真正实现大批学生长期参与性的学习和锻炼,实习工厂只能成为学生短期参观性学习的场所[12]。

唐山是我国北方水泥和陶瓷的生产基地,而地处唐山的华北理工大学材料学院作为培养无机非金属材料人才的地方院校,致力于培养具有工程设计、工程实践和工程创新能力的专业技术人才。因此,我学院自建校以来非常重视实践教学的建设与发展，本科毕业生的去向主要是水泥、陶瓷、玻璃等工业企业。无机非金属材料工业从原料加工到产品出厂需经历数十个工序,工艺流程复杂,设备体积庞大且内部结构复杂,学生若要系统了解全部工艺流程比较困难,特别是对设备结构和工作原理以及烧成窑内物理化学变化的学习更是困难。烧成车间在物料煅烧过程中,有较高的噪声和粉尘,并有有一定的危险性。另外,现有实习工厂逐渐远离市区,交通不便。因此,实习环节一般进行参观性实习,不可能进行现场实训和工艺操作,实践效果并不理想。

为改善学校的实验条件,培养专业基础扎实,能胜任现代无机非金属材料制备、材料结构与性能表征、材料应用等领域科学研究、技术创新、工艺设计和设备研发工作的高层次、高素质人才,落实“卓越工程师教育培养计划”,建设无机非金属材料专业虚拟仿真实验室是必要的,也是紧迫的。

2 虚拟仿真技术应用于实践教学的优势

虚拟仿真技术在改善实践教学方面有明显的优势：

(1) 可以实现无机非金属材料工程领域各种生产设备与工艺流程、生产工艺参数、产品性能等的展示与实验,提高实验教学的系统性；

(2) 虚拟仿真实践教学平台占用的实验面积小,功能强,克服了传统实验教学受时间和地点限制的弊端,既节省时间、资金,涵盖范围又广；

(3) 三维动画模型及丰富的色彩和音乐,使得教学环境更能激发学习兴趣,是对传统实验教学的补充和扩展,帮助学生提高工程能力；

(4) 在有限的实验室面积和丰富的软件资源条件下,虚拟仿真实践平台可为社会提供更多的培训服务。

3 我校虚拟仿真实验室的建立与发展

华北理工大学材料科学与工程学院建设中的虚拟实践教学平台按照构建创新型和工程型人才培养模式的要求进行设计。在现有的实践教学基础上,完善虚拟实践教学平台建设,将学生课外科技活动及工程技术性活动计划与人才培养方案相结合,使创新和工程类活动成果成为认定学生毕业学分的一部分,推进我校创新型和工程型人才的培养。

材料学院目前拥有与冀东水泥集团有限责任公司等多家企业联合建设的河北省重点实验室,现有综合热分析仪、压汞法孔结构测定仪、激光粒度分析仪等先进的大型、精密仪器设备230多台套,基本具备了开展无机非金属材料粉碎、混合、成型、煅烧、化学分析、热分析及物理性能检测等方面的能力。实验中心现有实验室面积800多m2,可为仪器设备提供良好的安装、维护和保养,为虚拟实验教学的开展提供场所。

为了进一步改善实践环节的效果、充分利用网络教学资源,2014年,学院利用本校数字化网络基础平台及现有实验场地和设备,先后投入近200万元用于资源开发、设备购置和网络平台建设,逐步完善了无机非金属材料科学与工程多媒体教学系统和虚拟交互学习系统,并进一步将网络虚拟系统与生产实习、专业课程教学结合起来,开展大学生创新性实验计划。

虚拟实践教学平台建成后,可以模拟真实的实践环境、完成预定的实践项目、获得直观真实的实践效果、展现不可视的材料结构或科学原理,从而快速响应教学实践的需求,既可满足创新人才的培养,又能满足工程技术能力的提高。

通过虚拟仿真实践平台的建立,不但能达到接近现场实体的实践效果,且无危险、无污染,实现绿色实践教学。例如通过对水泥厂生产工艺和陶瓷厂生产工艺进行数值模拟,学生可以了解生产工艺流程以及设备运行情况,通过外部参数的设定来控制生产线的运行,掌握温度、压力等参数对无机非金属材料物理化学变化的影响,增强了学生对专业课及专业基础课理论的理解,使理论知识与实践操作融会贯通,形成从专业认知到交互学习、从工程实践训练到创新能力培养的系统化的实践教学体系。虚拟仿真实践平台将成为无机非金属材料学科人才培养的重要实践教学基地。

本中心建成后,还将组织学生进行课外科技活动、学科竞赛等第二课堂活动,整合形成“大学生创新和工程能力训练体系”,该体系包含工艺类课程、材料类科研课题、虚拟生产线的工艺参数调整等方面的训练。

4 结束语

虚拟实践教学平台将实现课内与课外教学活动的有机互动,为培养大学生的工程能力和创新能力创造良好的条件,把工业工程在产业中的应用贯穿到理论教学与实践教学的每一个环节,形成“知识点教学—课程综合应用—专业知识综合应用”环环相扣、逐步加强的应用型教学内容体系。同时,虚拟实践教学平台以学生研究项目为载体、以教师科研助手为手段,构建与教学内容体系互动的学生课外创新体系,成为师生创新的平台。

References)

[1] 魏怀鹏,张志东,安莉,等.创建国家级实验教学示范中心及其辐射示范作用的研究与实践[J].实验技术与管理,2008,25(11):109-113.

[2] 张正键,赵秀萍,陈蕴智,等.构建虚拟仿真实验教学平台 培养创新应用型人才(上)[J].印刷杂志,2014(3):59-61.

[3] 解丽芳,林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理,2014,31(9):114-115.

[4] 张琼,舒鹏.北京邮电大学网络教学系统研究中心:虚拟仿真实验教学的研究与创新[J].海峡科技与产业,2014(7):78-80.

[5] 胡征.高校虚拟仿真实验教学模式的研究[J].魅力中国,2014(13):184-185.

[6] 王涌,李国丽,应艳杰,等.建设网络虚拟实验室,深化实验教学改革[J].实验技术与管理,2010,27(9):85-87.

[7] 晁政,刘鸿宇,黄武,等.虚拟仿真教学的发展现状[J].电子世界,2014(19):168.

[8] 张立松,闫相祯,杨秀娟,等.虚拟仿真技术在复杂工程力学问题实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(9):102-105.

[9] 吕守林.以虚拟实验室建设为契机,推进实验教学改革[J].实验技术与管理,2009,26(11):157-159.

[10] 丁鼎,徐妲,朱英琳,等.虚拟仿真实验室智能诊断模型研究[J].实验技术与管理,2014,31(9):109-113.

[11] 崔红新,程方荣,陈雪能,等.虚拟仿真在医学物理实验中的应用研究[J].中国西部科技,2014,13(9):98-99.

[12] 李亮亮,赵玉珍,李正操,等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理,2014,31(2):5-8.

Application of virtual simulation technology in practice teaching of Inorganic Non-matallic Material specialty

Wang Jing1,2, Yang Jinping1,2, Wang Chunmei1,2

(1. School of Materials Science and Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, China; 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials,Tangshan 063009, China)

The necessity of virtual simulation technology in inorganic non-metallic material specialty’s practice teaching is researched. Aiming at the disadvantages of traditional teaching,the virtual practice teaching platform is established to improve the active thinking and practical ability of students,which can promote the development of virtual simulation technology in the inorganic non-metallic material specialty.

virtua1 simulation； practice teaching； innovative teaching

2015- 03- 18

河北省高等学校科学技术研究项目(ZD20131036)；河北联合大学教育教学改革研究项目(Y1453-11；Y1447-05)

王静(1972—),女,河北保定,博士,副教授,主要从事新能源材料的研究.

E-mail：wangj2004@heuu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2015)7- 0107- 02