材料科学与工程实践学习对虚拟实验平台的需求

龙杰灵

【摘 要】现代信息技术在材料科学与工程实践专业中的融入，为材料科学与工程实践专业学习提供了材料网上虚拟实验室。借助此实验室可以更为形象直观的虚拟出材料科学与工程实践实验过程，进而更为准确科学的展示材料科学与工程实践专業相关知识的实际应用效果。文中以材料科学与工程实践学习对虚拟实验平台的需求为分析对象，探讨虚拟实验平台对打破实体实验室资源局限的作用与意义。

【关键词】材料科学与工程实践学习；虚拟实验平台；需求

早在20世纪90年代，已有学者开始使用现代信息技术来研究虚拟实验室，并将其纳入到教学中作为辅助工具加以使用。在近些年来，虚拟实验室已经成为远程教学和国内外实验教学研究的热点。虚拟实验室对材料科学与工程实践专业而言，其价值不仅限于更为形象直观的虚拟出材料科学与工程实践实验过程，还包括可以帮助学生完成各项无法实验的疑题，进而帮助学生内化专业知识。因此，虚拟实验平台对材料科学与工程实践学习但学习而言极为重要。

1 材料科学与工程实践专业中虚拟实验平台应用的必要性

虚拟实验平台是以计算机网络作为核心，运用虚拟现实技术创造出各种虚拟实验环境，学习者按照实验要求和实验过程，仅使用鼠标拖动和点击，就可以在微机上将各类虚拟仪器组装成完整的实验系统，继而在此系统中实时所有的实验的一种平台。虚拟实验平台不仅包含数据采集、实验条件的改变、结果分析以及实验模拟，还可以为实验者展示出真实环境中预定实验项目完成的过程及结果。材料科学与工程实践学习中引入虚拟实验平台，不仅可以帮助该专业学生在节约实验成本的基础上，随时随地构建出符合其需要的模型，还可以帮助学生答疑解惑，并借助虚拟实验平台所具有的资源共享性、高度开放性、低成本、操作安全性和可扩展性特征，展示出通过现实实验无法看到的结构原理，或者仿真实训不可重组的精密设备。虚拟实验平台的此类特性和优势，可培养材料科学与工程专业学生的仪器维护能力、操作能力和检修能力，其能快速响应教学实验需求的特性，是传统实验教学无法比拟的。

2 材料科学与工程模拟实验室的设计方式

2.1 整理需求，规划材料虚拟实验室设计步骤

按照材料科学与工程专业的日常学习和实践要求，材料虚拟实验室的构成需要覆盖该专业二级学科平台课程和一级学科平台课程的重点教学实验。在第一阶段可建立4个实验室和11个虚拟实验。在建设目标设定方面，需要保持实验过程的形象和直观，因此需要以3D的形式来构建，表达方式，可借助特技和声效等多媒体形象来代为表现。仪器需要具备可调节性和可操控性，以便保障提升学生实验学习过程中的交互感、沉浸感和临场感，使学生在动手操作的过程中，容器人时感受到仪器的变化，使之进一步明确并掌握操作要求。为保障知识表达的准确和科学性。在实验室设计时必须提供具有可视化的实验过程和实验空间。为保障实验系统的灵活性以及实验内容的扩展性和更新性，在前期设计时可导入部分知识内容的设计要求，留出可更新和可修改的空间，以便学生随时更新和补充知识。

2.2 明确基本表现形式，确定各级应用标准

虚拟实验系统的基本表现形式是以Web的服务器或浏览器作为基础，用户通过浏览器来访问材料科学网上虚拟实验平台。浏览器和支持IE5.5版本。使用XML文档及XLS文件存储交换信息。在XLS对象发送时，基于交互式FLASH技术，可通过Socket将XLS对象发送出去，从服务器接收数据。系统编码使用JANA语言，客户支持系统运用SQL server数据库。

3 材料科学与工程模拟实验室的网络管理

材料科学与工程模拟实验室的网络管理平台设计必须包含内容发布和管理、成果发布、实验预约、实验课程维护、系统维护和即时通信等功能。需要实现与多媒体虚拟实验场景的数据交互、应用管理和统计分析功能，进而为实验室的教学开展提供有力的数据支撑。在以上各类功能的实现要求下，建议深化实验室人员管理功能，这是确保材料科学与工程模拟实验室良好运作的先决条件。

除以上之外，在构建材料科学与工程模拟实验室的网络管理平台时，还需要考虑如何使其作为实验教学的深化与补充。如何充分发挥其作为材料科学国家级实验课程或者学习的知识诠释能力等。通过建立材料科学实验室，提供形象直观的虚拟实验过程，学生可藉此获得交互式的个性化学习方式，此种学习方式是可打破实体实验室资源的局限，使学生可以共享优质的教学资源，从而保障知识内化的更为准确科学。但是，为保障材料科学与工程模拟实验室的网络管理成效，建议学生或者教师定期进行材料科学与工程模拟实验室的问题排查及相关信息的存储和知识更新。

【参考文献】

[1]于鸿.虚拟网络实验室网络管理设计[D].电子科技大学，2014.

[2]朱喜青.基于EON的机械基础虚拟实验室的研究与实现[D].华南理工大学，2012.

[3]王旭东.基于Web的体验式虚拟实验研究[D].沈阳师范大学，2011.

[责任编辑：朱丽娜]