虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索

李江+卢艳丽+王永欣

摘要：利用虚拟仿真技术，有效缓解当前材料学科实验教学中存在的诸多问题。建设包括管理和虚拟系统两个部分在内的虚拟仿真课堂，每一个实验项目包括全局演示、指导教师操作演示、主观操作模拟实验和互动交流四个部分。通过试推广表明，仿真技术与实物实验相互配合，可增强实验教学效率和教学效果，缓解了当前材料学科实验教学中存在的问题，提高实验教学质量的同时有效降低实验对教学资源的依赖性。

关键词：虚拟仿真；实验教学；材料学科

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）27-0267-02

一、引言

实验教学是工科院校历来特别重视的教学环节，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节，担负着培养学生动手能力和创新实践能力的职责，尤其是实验性质特别明显的材料学科更是如此。当前，国内多数开设材料科学与工程一级学科的高校均实行大类培养，对所有材料学科的本科生均开设了诸多专业基础课。由于实验教学内容的多样性和破坏性，其呈现出课时多、班级多、实验项目多、实验消耗大、耗时长、设备仪器复杂和占地面积较多等特征。尤其在招生规模扩大和实行小班分组教学之后，使得实验教学的困境越发明显，实验教学经常呈现顾此失彼、疲于奔命的情况。

二、传统实验教学存在问题

当前，传统的实验教学体系具有一定的局限性，表现在以下几个方面：（1）培养方式一成不变，学生在接受实验授课时为“多对一”的培养模式，也就是一个老师要为一个班甚至一个学院来做服务；（2）由于课时关系，在有限的课堂时间内，学生的接受能力有限，难以在有限时间内充分理解课程内容和实践环节，经常是一知半解，课后的习题和报告册也是草草了事，效果非常不好；（3）学生在实验课堂上很少有参与感，亲身感觉还不够到位；（4）实验教师队伍整体水平还不够高，个别教师长期为一线实验操作人员，难以科学地、直观地展示所有教学内容，展示的深度和广度还不够；（5）实验教学资源平台各司其政，实验教学示范中心的优质数字化资源没有充分系统化和条理化，各个平台上的教学资源不能得到有效共享，没有使其社会效益和经济效益得到最大化的利用。

三、虚拟仿真在实验教学中的应用

近些年逐渐兴起的虚拟仿真技术日益成熟，也逐渐应用于实验教学中来。虚拟现实（VR）技术、增强现实（AR）技术和混合现实（MR）技术的逐渐兴起可以利用计算机生成模拟环境，将多源信息的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，能够生成近似真实环境的视觉、听觉、触觉、感觉等感知信息的虚拟环境，使用户沉浸到该环境中，实现虚拟世界与现实世界的混合世界体验，达到虚拟仿真的终极形态。美国学者Ivan Sutherland提出虚拟现实技术概念的雏形，其是利用计算机生成一种三维模拟环境，通过各种传感设备和输入输出设备，使得用户有亲身经历的感觉。基于虚拟现实技术的力学性能实验可以使得学生在客户端下载APP或者在电脑前就可以完成以前必须进入实验室才能完成的实验课程项目。借助专用设备和虚拟仿真技术具有的多感知性和模拟的浸没感，使得用户感到自己以第一主角的身份存在于模拟环境中，借助理想的模拟环境完全投入到三维虚拟世界中去。而且，学生能够在体验过程中感受到最为重点和直观的知识点，使学生的学习效率更高。同时，虚拟仿真技术在力学性能实验中的应用使得现有实验台套数不足和实验教师不足的情况得以缓解。而且，整个实验的过程可重复性好，数据稳定，学生对实验掌握得更好。

四、材料学科的虚拟仿真课堂建设

1.虚拟仿真课堂构成。材料学科虚拟仿真实验课堂建设包括管理和虚拟仿真实验系统两个部分，如图1所示，其中，管理包括材料学科实验课堂的学生管理、实物实验预约申请和结果评定；虚拟系统指的是具体的虚拟实验项目建设，每一个实验项目包括全局演示、指导教师操作演示、主观操作模拟实验和互动交流四个部分。

2.虚拟仿真课堂功能。进入虚拟仿真课堂主界面后，选择不同模块进入不同的虚拟仿真实验项目，例如：《材料科学基础》实验中的原子堆垛方式、三元相图和《材料的力学性能》实验中的断裂韧性试验等内容，每个实验项目都包含以下内容：（1）全局展示：在虚拟仿真课堂开始，对实验中展示具体实验项目的基本原理、实验依据、设备操作步骤、试验方法制定过程、数据结果格式进行全局展示。学生可以通过原理展示对整个实验过程有一个总体的把握。（2）指导教师操作演示：在掌握原理之后，实验教师通过规范的实验操作步骤对具体的细节内容进行进一步的讲解，利用虚拟课堂中便捷的图文并茂的方式，使得学生快速、有效了解实验过程及数据结果处理方法。（3）主观操作模拟实验：这一部分是整个虚拟仿真课堂的核心部分，学生在客户端通过自行操作进行实验学习，操作错误会及时给出错误提示，并解释原因。学生可以通过自行设置样品尺寸、试验参数、变形条件、环境温度等信息，从而得到不同的试验结果，并辅助以实物实验的视频资料作为参考，最终提交实验报告，系统自动进行打分排名。（4）互动交流：学生在虚拟仿真课堂中遇到的问题和疑难点通过在线与实验教师进行交流或者通过学生之间进行分享，教师实时可以监测学生的虚拟实验进度及出错情况，优选出错率最多的部分进行着重讲解。

五、使用效果及未来展望

重点探索研究虚拟仿真技术在材料学科实验教学过程中的应用，利用所建系统实现了部分材料学科的虚拟课堂建设，实现了学生管理和虚拟平台的运行。通过对部分小班实行的试用效果表明，虚拟仿真实验课堂与实物實验相结合，可以充分调动学生的主动性，缓解实验教学成本、场地不足等矛盾，更好地实现实验教学目的。具有以下使用效果：

1.以《材料的力学性能实验》为例，由于实物实验多为破坏性、不可逆、一次性的实验，从原材料采购、热处理再到机加工为样品，整个实验准备过程耗时长、成本高，通过虚拟仿真实验课堂，大大降低实验成本，在明显提高实验教学质量的同时有效降低实验对教学资源的依赖性。

2.虛拟仿真实验过程中的原理伴随实验过程进行介绍，通过局部过程的放大来加深理解，个别不易观察和内部组织演变可以通过三维建模进行展示，使得学生对整个实验过程由内及外充分了解，而且可重复性非常高。

3.可以满足批量的本科生实验教学需求，足够的虚拟仿真设备台套数可以用一次性投入满足相当长一段时期的实验教学需求，新的实验项目和内容可以直接在已有设备上进行建设，一次投入，长期受益，实验教学效果不再为设备台套数不足而限制。

4.虚拟仿真实验课堂具有开放性和共享性，开放课堂不受时间和空间限制，学生可以随时随地反复学习，实验教师也可以根据最新科研进展对实验项目进行更新和补充，使得实验教学内容与时俱进，紧跟学科发展方向。

5.虚拟仿真实验课堂是对真实实验课堂的一种理想简化，对于不同的实验项目，考虑影响因素的个数不同对于结果影响非常明显。因此，在后期的实验项目建设过程中要考虑更多、更全面的影响因素与影响可能，加入与实际实验条件更为接近的复杂实验因素影响效果，使得虚拟仿真效果更加逼真。

参考文献：

[1]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，（2）：5-8.

[2]郝俊才，程玲，赵春香.虚拟现实技术在材料力学实验教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013，（8）：231-232.

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[4]黄俊，杜成斌，杨辉.材料力学拉伸和扭转模拟实验课件的研发[J].实验技术与管理，2008，25（1）：69-72.

Abstract：The virtual simulation technology is used to alleviate the problems existing in the current experimental teaching of materials science. It includes two parts：management and virtual system，each of which consists of the following parts：the global demonstration，the instruction operation demonstration，the subjective operation simulation experiment and the interactive communication in four parts. The promotion shows that simulation and experiment with each other，can enhance the teaching efficiency and teaching effect，alleviate the existing material discipline problems in the experimental teaching，improve the teaching quality and effectively reduce the dependence on the experimental teaching resources.

Key words：virtual simulation；experimental teaching；materials science