虚拟仿真技术在“材料物理性能实验”课程中的应用探究

秦春 蒋亮 李涌泉

［摘 要］ 通过分析“材料物理性能实验”课程中的教学现状，结合虚拟仿真实验教学项目的实施，论述了开展虚拟仿真实验的优势。作为辅助手段以提高实验课教学质量，可以调动学生的学习主动性、参与性；通过虚拟与实际相结合，丰富了实验教学内容，提高学生的工程实践能力、综合设计及创新能力。另外，虚拟仿真实验可以重复进行，便于学生发现问题、解决问题，也便于在实验场地和设备受限条件下实验实践教学获得的开展。但是要注意，虚拟仿真实验在开展过程中要评价体系的改革，以实现成绩的客观评价。

［关键词］ 虚拟仿真技术；实验教学；材料物理性能实验

［基金项目］ 2020年度北方民族大学校级一般教育教学改革研究项目“基于虚拟仿真技术的‘材料物理与性能实验教学模式改革与实践”（2020JY0040）

［作者简介］ 秦春（1987—），男，安徽滁州人，博士，北方民族大学机电工程学院副教授，主要从事材料成型及控制工程研究；蒋亮（1982—），男，宁夏石嘴山人，博士，北方民族大学机电工程学院副教授，主要从事固体废弃物循环利用研究；李涌泉（1985—），男，宁夏固原人，博士，北方民族大学机电工程学院副教授，主要从事金属腐蚀防护研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）37-0088-04［收稿日期］ 2022-10-26

材料是人类生存发展的物质基础，人类的科技进步也推动了材料的不断发展［1］。“材料物理性能实验”是“材料物理与性能”课程理论教学的补充和延续，通过相关实验，不仅能够巩固学生理论方面的基本知识，还能加深学生对课本中某些现象的理解，让抽象的概念形象化，使学生更容易掌握知识［2-3］。同时，经过实验操作，培养学生分析与处理问题的能力，能够在实验中发现问题和解决问题。提高学生进行科学研究的潜能，增强学生的创新理念，使学生能够树立正确的工程观点。由此可见，“材料物理性能实验”在材料类及其相关专业的人才培育方面发挥着至关重要的作用。

随着工程教育认证的不断推进，对本科生实验实训技能要求也越来越高，从而加速了高校实验教学的模式改革［4］。不断推动高等院校实验教学优质资源的建设和应用，从而达到高等院校实验实训教学质量提升的目的。虚拟仿真技术在实验教学中的应用是实验教学的新形态，可以提升高等院校实验教学的质量和育人水平［5-7］。随着材料学科的发展及社会对高校培养人才需求的不断变化，与材料科学相关的传统实验教学模式存在的弊端越来越突出，对于具有工程实践能力的应用型人才培养来说，实验教学显得至关重要。

一、“材料物理性能实验”课程的教学现状分析

实践教学可以锻炼学生的动手能力，在动手的过程中发现问题并解决问题，但实验实践教学在一些高校并未得到应有的重视。一方面，由于更多的高校较为重视理论教学；另一方面，由于高校的实验实践教学受实验设备的限制，缺乏足够的教学设备来支持实验实践教学，导致实验实践教学部分相对薄弱，使得学生无法得到足够的实践锻炼。

“材料物理性能实验”课程主要采用线下教学，包括学生的课前预习，课堂上教师对理论讲解、实际操作步骤分析及在操作过程中的注意事项以及学生的实际操作或教师进行演示性实验。这导致学生的动手机会较少，对学生综合能力的培养不尽如人意。首先，现有教学方式通常只能让学生或教师掌握几种仪器的认识与操作，对仪器的运用了解较为片面，以至对材料的物理性能局限于理论基础，难以实现理论与实践相结合的教学理念，在一定程度上影响了创新能力的培养。同时，学生缺乏对实验过程的思考，很多时候仅按照实验步骤的要求进行实验，这使得部分学生失去了学习的兴趣。其次，“材料物理性能实验”课程中涉及的部分大型仪器，在操作过程中存在安全隐患。例如，在力学性能实验中的电子万能试验机，操作不当易造成手部受伤，误操作也会造成机器及模具的损坏。最后，实验台套数不充足，不能完全满足每名学生的实验要求，导致分组实验时部分学生无法进行实操达不到锻炼的效果，使得教学效果较差。

对于工科专业来说，知识的掌握和运用的关键在于理论与实践的结合，“材料物理与性能”课程中主要以理论知识的讲解为主，知识点多且繁杂，涉及材料的较多性能［8］，仅学习理论知识，对学生来说理解起来比较困难，容易造成学生学习动力不足、缺乏兴趣，学生的学习质量难以保障。因此，通过实验的操作，使得抽象的知识得出具体的表现，更有利于学生对于知识的吸收，激发学生的学习热情，达到提升综合素质能力的目的。

二、虚拟仿真实验在教学实验中的应用优势

随着计算机技术及信息化技术的发展，现代教学手段越来越丰富。虚拟仿真技术是通过计算机的交互技术，利用信息化手段将相关实验方法虚拟化，通过建立数据库等形式，构建可进行可视化操作的实验环境。学生可通过计算机相关软件在线上完成相关的实验过程，并对获得的数据进行处理。对比线下的实验实践教学，虚拟仿真实验有其自身的优势［9-11］。

（一）虚拟仿真实习可作为辅助手段提高课堂教学质量

实验实践教学时，对实验器材及实验过程的讲解往往是通过简单的静态图片及文字进行，叙述较枯燥。学生没有实际接触和直观的视觉，接受内容比较困难，教学效果达不到预期。而虚拟仿真实验的引入，教师可以通过虚拟仿真平台，结合相关动画教学视频和仪器的工作原理视频进行内容的讲解，将以前课堂教学中抽象的理论概念形象化、直观化，使得学生能够更加直观地了解实验过程，熟悉每個实验步骤之间的关联性。虚拟实验教学方式可以有效地缓解原先枯燥的讲解，能够较好地调动学生的积极性，实现较好的互动教学，激发学生的学习兴趣并培养动手能力，从而提高课堂的教学质量，有效地保证了在实地进行操作时学生对仪器的构造及相关实验原理有基本的了解，减少了出错误的概率，提高了实验的安全性。

（二）虚拟仿真实验可以重复实验，降低实验成本

通过教师对实验平台的讲解及学生进行相关知识学习，学生可在虚拟仿真平台进行虚拟仿真实验。学生按照教师讲解的实验步骤及注意事项，结合仿真平台给予的操作提示进行实际动手操作。在此过程中，能够改变以前实验实践教学中学生的角色。在线下教学过程中，对于大型仪器的操作和实验，更多的是教师进行演示性实验，学生仅是进行观察和实验数据的记录。而在虚拟仿真平台，学生成为实验的主角，改变了学生的学习角色，更容易调动学生的学习积极性，弥补了因为实验设备台套数少或实验成本高而无法实际动手操作的缺憾，使得学生成为实验中的主导。由于是虚拟仿真平台，在操作过程中或数据出现错误时，平台会给出错误提示，学生可以根据提示进行相应的修改。学生可通过虚拟仿真平台进行多次重复实验，改变相关的实验参数，获得不同的实验结果，和课程知识相比较，达到巩固理论知识学习的目的。

三、基于虚拟仿真技术的“材料物理性能实验”课程教学改革

结合现有的“材料物理性能实验”课程教学内容，基于虚拟仿真技术，通过综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库等技术，构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟网络环境中开展高效、安全、经济的实验，从而实现线下实验不具备或难以实现的教学效果。通过虚实结合，调动学生的学习主动性、参与性，拓展实践领域，丰富教学内容，大幅提升教学效果，提高学生的工程实践能力、综合设计能力及创新能力。

（一）借助线上平台，建立相应的虚拟仿真实验体系

线上平台的建立包括实验基础知识的学习及线上虚拟实验的操作。一方面，要强化基础知识学习。实验过程中的安全防护要求、实验数据记录、分析处理、误差分析，实验报告、书写规则、数据处理等知识是学生必须掌握的内容，也是进入实验室的基本要求，但受学时限制，线下传统实验教学对以上基础知识的教学不能做到应教尽教、应会尽会。而借助线上平台，可提升课前预习效果。教师将预习要求、实验讲解PPT、仪器操作视频等教学内容推送到MOOC等线上平台，学生完成相关知识学习后才能进行后续的虚拟仿真实验，学生结合理论知识进行线上实验相关的操作，可以提高预习效果和学习兴趣。线上实验可以提供重复实验的机会，发生错误时软件会给予提醒，在操作过程中发现问题并能得到及时解决。虚拟实验教学具有直观性和良好的互动性，学生参与的积极性很高。

（二）线下实验的完善和补充

线下教学主要包括实验的实际操作过程，是虚拟实验的实体化。通过线上的虚拟实验，学生能在实验操作前掌握操作实验仪器的方法，能够对实验操作流程、实验注意事项及对实验结果有预判。这对线下实验操作的准确性提供了很好的帮助，也大幅降低了线下实验操作出现问题的概率。同时我们也应注意到，部分实验存在需要再次强调的注意事项，实验仪器的部分功能或实验的部分要求无法在虚拟仿真实验中体现，需要进行相关的线下实验进行补充，通过线上线下相结合的形式，使得实验更加丰富，能够加深学生对知识点及实验内容的理解。

四、虚拟仿真实验实施过程中存在的问题

通过对虚拟仿真实验在“材料物理性能实验”的实施中可以发现，高校虚拟仿真实验建设方面仍然存在一些问题［12-14］。目前，大多数高校的实验实践教学项目采用的虚拟仿真平台是依靠相关网络信息公司授权的软件，并非高校自主研发建设。一方面，不同公司对于设备仪器的参数使用及数据库建设存在一定的偏差，使得软件的质量参差不齐；另一方面，购买的软件具有使用权，造成后续的软件升级及继续建设的隐患，影响虚拟仿真实验项目的建设效果。

在进行虚拟仿真实验时，课程的评价标准也需要进行相应的改革。在虚拟仿真实验中，如果学生对基础知识的掌握程度较低，学生可以根据相关的操作流程及软件给予的界面提示，很好地进行相关的实验并完成实验数据及结果的分析，从而顺利完成实验。因此，完善虚拟仿真实验的评价体系，是实施虚拟仿真实验时需要关注的重要问题。考核不能简单地以实验操纵来进行评价，首选可以通过虚拟仿真平台进行操作过程的相关记录，分析学生在实验过程中出现的错误，并给予一定的客观评价。除了实际操作练习的评价外，还需要引入课前预习、实验操作、相关实验知识内容及实验结束后实验报告提交等方面的考核内容，从而综合评价学生的实验成绩。

结语

虚拟仿真实验教学项目的改革可以有效地解决当前“材料物理性能实验”课程教学中存在的问题。通过现代化信息技术的运用，可以使得线上的学习更加直观化、可视化，操作性更强，给予了学生更大的学习空间，提升其探索能力，能够在自我学习过程中发现问题、解决问题。同时，我们也应注意到，虚拟仿真实验平台的质量是课程改革中的关键因素，加强平台建设及相关软件质量提升，是保证虚拟仿真技术在实验教学中运用的基础，也是加强评价体系改革的源动力。

参考文献

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Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Course

on Physical Properties of Materials

QIN Chuna，b， JIANG Lianga，b， LI Yong-quana，b

（a.School of Mechanical and Electrical Engineering，b.Advanced Equipment Manufacturing Institute of Modern Industry， North Minzu University， Yinchuan， Ningxia 750021， China）

Abstract： This paper analyses the current teaching situation in the experimental course of physical properties of materials， and discusses the advantages of carrying out virtual simulation experiments in conjunction with the implementation of virtual simulation experimental teaching projects. As an aid to improve the quality of classroom teaching in laboratory classes， virtual simulation experiments can mobilise students learning initiative and participation. The combination of virtual and practical methods enriches the experimental teaching content and improves students practical engineering ability， comprehensive design and innovation ability. In addition，virtual simulation experiments can be repeated， which is convenient for students to find problems and solve them. At the same time， virtual simulation experiments facilitate the development of experimental practice teaching under the conditions of limited experimental space and equipment. We also need to pay attention to the reform of the evaluation system in the process of conducting virtual simulation experiments in order to achieve objective evaluation of the results.

Key words： virtual simulation technology; experimental teaching; experiment of physical properties of materials