虚拟仿真在矿冶工程材料实验教学中的应用——评《材料力学实验与创新设计》①

张旭茗

（哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

虚拟仿真（Virtual Reality，简称VR），又称虚拟现实或灵境技术。 该技术是计算机技术、仿真技术、多媒体技术、人机接口技术、人工智能技术及传感与测量技术等多种高新技术的结晶，具有逼真性、实时性和交互性等特征。 计算机与信息技术对于化学化工而言有重要的应用价值，不仅能通过虚拟仿真技术揭示化学过程的本质规律，还能提高人才培养质量，满足社会对高校化学化工专业人才培养提出的新要求。 矿冶材料类专业要求学生掌握宽厚牢固的化学理论基础和专业熟练的实验技能。 实际上，无论是采矿、选矿、冶金专业，还是能源、医学、化学专业都需要对学生处理化学及工程问题能力进行培养，尤其注重培养学生研究化学反应过程的机理、资源加工时化学成分的提取与分析以及环境污染治理等方面的实验与创新能力。 然而，由于缺乏实验设备或出于安全问题的考虑，很多实验教学活动无法开展。 虚拟仿真可以弥补现实条件的不足，实现真实实验难以完成或不具备的教学功能，满足高层次人才培养目标的需要。 因此，探究虚拟仿真如何应用于矿冶材料实验教学具有深远的现实意义。

《材料力学实验与创新设计》一书由赵增辉和邢明录主编，煤炭工业出版社2018 年出版。 该书融合了近年来山东科技大学材料力学省级精品课程建设项目、山东省骨干学科力学实验教学中心建设项目、全国大学生力学竞赛培训、基础力学创新设计大赛及基础力学创新实践教学的相关成果。 全书内容共5章，第一章介绍材料力学实验的地位、任务、内容、测试方法以及发展历程；第二章是基础型实验，包括6 个材料力学性能实验和3 个电测实验；第三章是综合设计型实验，包含材料弹性模量和泊松比测定实验、偏心拉升、等强度梁、复合梁、压杆稳定5 个实验；第四章是创新设计型实验，详细讲解钢架和桁架两个实验的实验目的、仪器设备与操作规程、实验原理与方法、实验步骤以及数据处理；第五章为基础力学创新设计实践，介绍了山东科技大学开展基础力学创新实践的典型题目和第十届全国周培源大学生力学竞赛团体赛项目。 书中各章节的内容相对独立，可供非独立设课的学校选用，也可作为基础力学创新实践设计参考书。 该书阐述详细，内容丰富，对于材料实验教学的相关研究具有较强的参考作用。 结合书籍内容，虚拟仿真在矿冶工程材料实验教学中的应用有以下几点：

其一，构建基础化学仿真实验平台。 基础化学是矿冶工程材料专业的基础课程，构建基础化学仿真实验平台可在3个方面提升化学实验教学效果，夯实学生的理论基础和技能。一是针对化学分子反应的微观过程。 化学分子看不见、摸不着，学生理解其层次结构存在一定困难。 基础化学仿真实验平台可向学生展示化学反应的微观过程，让学生能更为直观地感受和理解化学分子、原子的结构，清楚化学反应的微观过程，并能独立完成分子设计合成。 二是针对实验操作条件的不足。 现实实验教学过程中，存在试验数量大、仪器设备不足，或学生无法直观感受仪器工作原理的问题。 利用仿真实验平台，学生能清楚了解仪器的内部结构和工作原理，更好地掌握化学实验仪器与实验方法。 三是针对化工设备结构复杂和难以测定作用机理的问题。 开展仿真实验教学，能节约教学成本，降低实验污染，还有利于学生理解化工单元操作。

其二，创造现实不具备的实验环境。 矿冶工程材料专业有部分实验需在高危或极端的环境下完成，消耗成本大且涉及不可逆的操作，现实世界难以满足实验条件，而虚拟仿真技术的应用能解决这一难题，为矿冶工程材料实验教学提供合适的实验条件与环境。 真空冶金、高温冶金、特殊材料的制备都属于能耗高、危险性高的实验教学内容，且不少教学内容对国防技术、节能技术的发展大有裨益，具有重要的学习研究价值。 通过虚拟仿真技术设计模拟实验过程，可以锻炼学生的实验操作技能，学习了解高温实验过程，进而掌握高温环境下有色金属冶炼和材料制备的操作步骤及其相关原理和技术。 将虚拟实验与实际教学过程相结合，能进一步实现人才培养目标。

其三，改善实验教学的方法与内容。 矿物分离和湿法冶金是矿冶材料实验常用的方法，但这两种方法涉及复杂的扩散动力学和反应热力学内容，且分离物质和制备材料过程中需要大量水资源和有机溶剂，不但资源消耗量大，污染也较为严重。在矿冶工程材料实验教学中应用虚拟仿真，采用虚实结合的实验教学方法，可提高化学化工领域人才培养质量。 先小批量在现实中进行化学实验，让学生对实验操作步骤及其反应现象与过程有直观的认识，再进入虚拟仿真模拟的实验环境中进行大规模实验，强化学生仪器设备操作能力和实验技能。

虚拟仿真可应用于矿冶工程材料实验教学的基础知识学习、技能培训及实验操作等方面，具有完善教学内容、创造实验条件和改善教学方法的作用。 《材料力学实验与创新设计》一书内容专业，论述清晰，对矿冶领域相关研究具有重要参考价值。