多媒体虚拟仿真技术在材料科学实验中应用

申文竹，王 斌，刘 丽，武 斌，易 锋

(西南石油大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610500)

伴随着信息技术的快速发展，我国高等教育的模式也发生了相应的变化，信息化元素大量的被应用到实验教学中，先进的多媒体技术、令人耳目一新的虚拟仿真再加上光纤网络通信技术的现代化教育模式成为我国教育发展的新方向[1－3]。

材料科学是一门实验性很强的学科，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节[4－5]。但传统实验教学方法中存在一些问题限制了教学效果的提高，不利于创新精神和实践能力人才的培养[6]。为了促进 “卓越工程师教育培养计划”，进一步提高教学质量，充分利用多媒体、计算机网络和虚拟仿真技术对材料科学实验的教学方法和教学内容进行改革，已然成为目前实验室建设的一个重要内容。

1 传统实验教学中存在的问题

1)实验教学手段单一，方法简单。

传统实验教学中采用的教学方法是以教师为中心，以传授知识为主的单向传递模式。首先由教师讲解，然后学生照着现成的实验步骤，按部就班地进行实验；或者教师先讲解实验原理，然后学生观摩教师演示实验[7]。这种实验教学模式在很大程度上让学生 “被动”学习，不能自主思考，没有自己的想法和创意，阻碍了学生创新精神和创新能力的培养。

2)部分实验成本较高或者安全隐患高。

部分实验需要的实验设备或试剂比较昂贵，考虑到实验成本，无法满足每位学生的操作需求；材料加工设备多为大型重装设备，占地面积大，设备价值高，需要配套设备多，运行费用高昂；同时加工过程涉及高温、高压，甚至有弧电，单独用实物在实验室进行材料加工类教学实验，存在能耗高、污染大、风险大、安全隐患高等弊端，致使大多材料专业学生在学习中以参观实习为主，学习效果不太理想。

3)基于大型仪器设备开展的分析测试类实验教学效果无法达到预期。

大型仪器价格昂贵，大多台套数只有一两台，而实验人数较多，从而导致生均占有率极低，因此在测试学习过程中，学生的上机机会极为有限，加之大型分析仪器实验涉及的理论大多抽象难懂，实验技术复杂繁多，教师只通过文字和少许图片的方式讲授实验过程，不能把各种实验技术的操作方法及技术要点直观、生动地展现给学生，同时在教师进行动作示范时，由于学生观看角度不同、注意力集中程度不同，一次操作动作示范也难以让学生很好地掌握全部规范操作和动作要领，最终导致学生对所学知识点无法掌握，学习兴趣不强。

4)微观或极端条件下的实验无法开展。

像价电子结构变化对材料结构进而对性能的影响，材料表界面的吸脱附及化学反应表征，如何根据材料的应用和性能要求从原子和分子层面实现对材料的设计，某些材料的制备和加工过程的真实实验很难捕捉到其极端条件下材料特征及行为的变化等诸如此类的实验，在实验室现有条件下无法开展，而与之相关的理论课程如量子力学、固体物理、半导体物理、相图等往往较为抽象，学生难以建立公式与应用之间的关联，利用传统的教学模式难以实现对这些关键的知识点与难点的学习和理解。

5)学生做实验受到时间和空间限制。

传统实验教学受到学时和地点限制。虽然现阶段大力推进实验室开放政策，但是某些大型仪器设备是由受过培训的专人操作，除了学生上课时间外，都在进行各类表征分析测试，因此，学生只能在课程进行过程中接触到实验仪器，一旦结束课程离开课堂后，学生就没有机会进入实验室或接触实验设备。对于实验教学这一类课程，一旦离开实验室的学习环境，学生在自主学习过程中会感到十分困难与抽象[8]。

2 多媒体虚拟仿真技术在材料科学实验中的应用

2.1 多媒体显微互动系统的金相组织观察与分析

材料科学基础和金属材料及热处理课程中开设的金相实验项目很多。实验教学中面对实验人数多、要掌握的样品种类和组织形态信息量较大等特点，学院引入了 “材料显微组织实验示教系统”。该系统通过把金相显微镜和电脑连接，将金相显微镜下的视野直接投放到电脑屏幕显示，并用局域网把整个实验室的电脑连接在一起，通过把电脑分为教师端和学生端实现不同的功能。教师端利用软件可以监看学生端，还可以将典型的金相图谱展示给全班学生观看，并进行针对性的讲解，从而更好地帮助学生掌握不同形态各异的金相组织。学生端不仅可以采集金相图像，还可对金属平均晶粒度进行测定等。通过该系统不仅可以实现实时显示、全程监控、及时反馈等功能[9]，也让学生实验的积极性和教学效果都得到了显著提高。

借助该系统，西南石油大学材料科学与工程学院学生不仅可以通过大学生开放性实验巩固课内知识，同时，多次参加全国金相技能大赛和材料综合技能大赛等全国赛事，从2014年参赛以来，连续四年获得一等奖的好成绩。

2.2 录制大型分析仪器设备的操作视频

材料科学与工程学院将价值在30万以上、使用机时数较高的大型分析仪器的实验操作技术录制成系列视频，替代教师课上的演示。在传统实验教学中，教师向学生操作演示的过程里，部分学生跟不上、看不清，尤其是对电脑屏幕界面的参数设置和鼠标操作不能详细记录，而通常情况下，仪器的操作演示不可逆，一般只进行一次，不利于学生完全掌握仪器的操作流程。

通过播放录制好的仪器操作视频，弹性地增加了学生测试实验的课时，学生可以课前提前进行预习，同时，教师在讲解过程中，还可以随时暂停视频，把关键动作重复播放或将操作过程中的注意事项强调给学生，使其对操作流程细节的记忆和理解更加清楚明了。如材料科学与工程学院专业型硕士培养要求中有一项要求，就是必须掌握一种大精设备的操作技能，并考取操作证书。通过录制的大型仪器操作视频，学生可根据自身专业方向和兴趣爱好选择学习种类，也可作为课外爱好钻研探索。同时，录制好的操作视频，也可以为后期制作的大型仪器设备虚拟仿真平台使用。

2.3 开设虚拟仿真实验课程

虚拟仿真技术可以模拟真实的实验或工况环境，完成各种预定的实验项目或工程项目，获得真实直观的实验效果，展示不可视的结构或原理，同时具有可控性强、环保节能、突破传统教学时间、空间以及实验条件的限制等优点，是近年来国内外许多高校实验室发展的重要方向[10－11]。

材料科学与工程学院早在2004年就进行了相关研究和探索，在学校支持下于2005年开展了铸造成型仿真实验教学项目研究，利用虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术、数据库技术和网络技术等与材料科学与工程实际相结合[12]，开展高压铸造成型过程中流体的流动过程、大型锻压件高压成型过程以及金属在模具中的固态流动、铸造过程中的温度与应力变化模拟等仿真实验教学，让学生利用成型仿真软件完成了液态成型过程参数变化对液态充型过程、温度场、应力场变化的影响，预测了铸件缺陷，然后再改变铸造工艺，修正成型参数，分析每个因素对铸件成型过程的影响规律，结合 “铝合金的熔炼与成型” “型砂性能评定及造型”等实物试验，加深了对液态成型过程的认识，培养了学生的创新思维意识与工程实践能力。

2012年开设了 “材料加工模拟与仿真”课程，进行塑性成型模拟仿真的实验教学项目的探索，解决了塑性成型过程难以观察与复制、材料成型加工中材料 “四要素”演变的教学困难。2014年增设了焊接数值模拟课程并开设相关的实验项目，通过对焊接过程的计算机模拟，可以定量分析焊接过程中各因素对焊接质量的影响规律，可以分析焊接热传导、焊接熔池中的流体动力学、焊接电弧的传热传质过程、焊接变形和残余应力的预测等问题[13]。

同时，利用虚拟仿真实验平台，教师指导了相关学生的毕业论文以及课外开放试验，还指导学生积极参加各类虚拟仿真大赛，拓展了学生的实践空间，增强了对专业理论知识和生产实际的了解。

3 结束语

材料学科人才的培养，涉及材料的设计、制备、加工及性能各个方面，是典型的理工结合专业。既要求学生有扎实的基础、宽阔的知识面，又要求学生要有较强的实践动手能力。而传统的实践教学方法已经远远不能满足创新性人才的培养要求，借助于现代多媒体数值化技术、虚拟仿真和计算机网络技术将直观生动的图像和丰富多彩的动画影音运用于各种实验技术的基本原理和实验流程中，可以更加吸引学生的注意力、激发学生的求知欲，同时规避能耗高、污染大、风险大、安全隐患高等弊端，让学生根据理论学习的知识，利用加工虚拟仿真技术，虚实结合模拟材料加工过程行为，实践模拟加工中的组织及性能的变化过程，可以有效提升教学效果。因此，充分挖掘和发挥现代信息技术在材料科学实验教学中的优势，可以提升学生对抽象知识的理解、实验技能的掌握、动手能力的增强，更有利于培养学生的创新意识和创新精神。

[1]郭晨明，付明刚，郭丽英.视频教学在外科学临床教学中的应用[J].继续医学教育，2014，28(5):49－50.

[2]何秀娟.多媒体教学与传统课堂教学的实践对比与思考[J].实验技术与管理，2005，22(12):94－96.

[3]王静，杨金萍，王春梅.虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32(7):107－108.

[4]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.

[5]高园，席生岐，孙巧艳，等.虚拟仿真技术在材料科学实验教学中的应用探讨[J].中国现代教育装备，2016， 237(3):94－98.

[6]陈容容，孙益顶，魏东盛，等.多媒体虚拟仿真教学法在微生物学实验中应用[J]实验室研究与探索，2015， 34(11):194－196.

[7]陈源红，唐华英，韦红玉，等.谈谈建设医学免疫学虚拟实验室的必要性[J].右江民族医学院学报，2011， 33(5):699－701.

[8]刘蒸蔚，卞亚红，张力.大型药物分析仪器虚拟实验训练系统的设计与开发[J].中国医学教育技术，2014， 28(3):280－284.

[9]刘长虹，艾云龙，邓克明.基于多媒体显微互动系统的金相实验教学的改革[J].实验技术与管理，2008，25(5):90－94.

[10]教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教育部高教司函 [2013]94号.

[11]闫纪红，张奋扬.虚拟可重组制造系统仿真优化模块开发[J].实验室研究与探索，2013，32(7):81－86.

[12]申文竹，王斌，易锋，等.材料成型虚拟实验平台的建设及实践[J].大学教育，2017(5):72－73.

[13]吕东莉，张涛.虚拟仿真技术在材控专业综合实验中的应用[J].教育教学论坛，2015，46(11):226－227.