虚拟仿真技术在材控类课程中的应用研究

杨健 江河 陈树海 叶政

[摘 要] 针对当前材料成型及控制工程专业人才培养过程中学生较多的知识掌握需求、实践能力培养与教学课时、教学资源限制之间的矛盾，以及理论课程知识点复杂且抽象、技能训练课程与理论课程脱节、实践课程课时不足的现状，提出在材控类课程中采用虚拟仿真技术构建实际工作场景，使学生通过虚拟仿真掌握更多的基础知识和操作技能，获得更多的实践经验，提高学生分析问题、解决问题和增强创新思维的能力，力争适应当代大学生发展与培养的要求。

[关键词] 材料成型及控制工程;虚拟仿真技术;人才培养

[基金项目] 2019年度北京科技大学本科教育教学改革项目“虚拟仿真技术在材控类课程教学中的应用研究”（JG2019M09）

[作者简介] 杨 健（1987—），男（满族），河北承德人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事真空钎焊、扩散焊研究;江 河（1988—），女，河北秦皇岛人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院讲师，主要从事高温合金研发、制备研究;陈树海（1979—），男，山东日照人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事异种金属材料连接研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）30-0136-04    [收稿日期] 2021-03-23

一、引言

作为材料科学与工程学科中的核心专业之一，材料成型及控制工程（以下简称材控）专业人才培养目标是培养出面向设计、生产一线需要的高端技能型人才，面向的工作岗位主要有材控类技术、装备和产品的设计、制造等[1，2]。相比其他材料类专业，材控专业就业范围较广，技术、产品种类很多，而且工种也很多，因此在教学过程中需要学生掌握大量基础知识和相关技能[3]。

二、材控类课程教学当前存在的问题

（一）理论课程知识点复杂、抽象

材控类专业学生涉及的知识领域极广，理论课程涵盖铸造、锻压、轧制、焊接、模具等各领域（以本校为例，材控类专业学生需要学习近20门理论专业课程），课程知识点复杂且相互联系紧密[4]。此外，虽然材控类专业课程的理论知识点提炼于生产问题，但是由于具体的工业生产过程（及问题）难以在课堂中用语言描述清晰，且工业生产的样例、样件难以带入课堂，因此理论知识点较为抽象，较难理解。因此，在传统教学过程中，学生很难做到集中注意力对如此枯燥乏味且复杂的理论知识进行学习，极大地限制了理论课程的授课成果[5]。

（二）技能训练课程与理论课程脱节

在传统的教学模式下，材控类课程中理论课与实验课（技能训练课）是分离的，技能训练由于得不到及时的理论指导，导致学生的技能掌握浮于形式。随着教学改革的发展，出现项目教学、教学做一体化等新型的教学模式。这些新的教学模式采用的技能训练通常有两种：第一种是仅限于实验课程提供的几个固定实验，学生只需按教师指导的相对固定的方案即可完成实验，学生动手機会少，不能真正地参与到学习活动中[6];第二种是基于一些实际的实验内容（以教师的研究课题为主导），然后自发进行工艺方面的设计、优化，能提高学生的思考和动手能力，但是实际操作时要受教师研究课题等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本较高[7]。

（三）实践课程课时不足

如前所述，材控类专业学生在毕业后会面临一些实际生产问题，而丰富的生产相关经验是解决问题的基础与根基，因此充足的实践课程是提高学生毕业后从业能力的重要保障。然而，由于当前培养模式和培养条件的限制，学生的实践课程严重不足。以本校为例，材控类专业学生仅有一次认识实习（1周）和一次生产实习（2周）的实践课程，且实习过程中由于时间因素，往往只是“走马观花”，难以对生产流程、生产过程中容易出现的问题有真正的了解，更谈不上获得丰富的生产相关经验。

三、虚拟仿真技术在材控类课程教学中的优势

仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。

（一）虚拟仿真技术有助于提高学生理论课的学习效果

材控类理论课程知识点的复杂化、抽象化往往会使学生理解起来有较大困难，而学生对知识点的理解一旦跟不上教师的讲课速度，必然会导致上课出现注意力不集中等现象，从而使学生理论课（理论知识点）的学习效果大幅下降。采用虚拟仿真技术可以根据具体知识点建立对应的宏观模型，将理论课程知识点融入更加直观、具体的样品、样件、模型之中，使原本枯燥乏味的理论知识形象化、生动化。采用虚拟仿真技术进行理论课程的讲述，一方面可以引起学生的兴趣，提高学生学习的主观能动性;另一方面可以使学生通过对具体样品、样件、模型的分析，更加容易掌握理论知识点[8-10 ]。

（二）虚拟仿真技术有助于提高学生技能训练课程的学习效果

在当前条件下，材控类学生的技能训练课程不仅存在技能训练课程与理论课程脱节的问题，而且存在仪器设备数量较少、型号旧、时间周期长和受众学生人数多、新技能训练需求强之间的矛盾。以本校为例，在进行焊接技能训练课程中，一个小组平均10名学生分配到一台仪器，且单次试验最长所需时间可达12小时。技能训练课程仪器的缺乏和较长的时间周期导致学生受到的训练远不足以完全掌握相应的技术。虚拟仿真技术完全依赖计算机终端进行仿真操作，在大学生平均人手一台计算机的今天，材控类技能训练课程的虚拟仿真打破了试验资源和试验周期的限制，利用计算机软件的优势可创造出灵活多样的工作条件，为学生建立更加方便、安全、快捷、可控的技能训练环境。尤为重要的是，在技能训练课程的过程中，学生可以随时调用理论课程中构建的样件、模型，得到及时的理论指导，真正实现教、学、做一体化，进而极大程度提高学生技能训练课程的学习效果[ 11 ]。