新工科背景下虚拟仿真课堂的搭建与实践

陈玉珍，马宝山，王沛

（大连海事大学，辽宁大连 116026）

1 虚拟仿真实验对材料专业实验教学改革的意义

实验教学是各高校本科教育环节非常重要的组成部分，它不仅是对理论教学的验证、补充和拓展，更是培养学生创新意识、动手能力和解决综合问题能力的重要方式。

材料科学与工程是一门专业理论知识综合性强且复杂深奥的学科，理论涉及面广，学科交叉性强，必须通过高质量的实验教学拓展专业理论知识学习的广度和深度。材料科学与工程专业在实验教学过程中存在一些共性问题：有的实验项目要求在高温、高压甚至极度危险的条件下进行实验操作，有的实验在配置实验药剂时可能会接触易燃易爆的危险化学药品，另外材料专业很多研究微观组织的实验项目由于受实验空间、大型精密设备台套数不足、教学时间的限制[1-2]，特别是学生制备实验样品技能存在很大的差异，导致样品的微观组织显示不清楚，学生难以准确理解组织特征，达不到理想的实验教学效果。在新工科建设背景下，为适应经济社会快速发展对人才培养的新要求，需要结合当代大学生成长的新特点，抓住信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，依托现代信息技术，进一步研究实验教学新思路，促进实验教学改革的创新发展。

在教育部发布的关于虚拟仿真实验教学平台建设工作的指导文件中[3-4]，强调以虚拟仿真实践教学建设为重点，探索新时期高等院校如何实现对人才的全面培养[5-6]。虚拟仿真实验教学是我国教育现代化发展与教育实验教学示范中心建设的重点研究内容，也是高校教育发展和各学科信息技术深入结合的必然成果[7-9]。虚拟仿真实验教学通过利用数据库和网络通讯等多媒体技术，搭建虚拟的实验环境，学生在虚拟情境下进行实验，计算机模拟教学情境，大大增强了教学效果[10-11]。

从长远来看，虚拟仿真实验和线下实验相结合更有利于学生综合素质的提高和实践能力的培养，改变了以往的课内实验教学形式，教学资源更公开，教学空间扩大，形成以学生为主、教师为辅的教学模式，为传统实验教学升级重构提供了有效方法，实现实验教学方法的延伸，从而加快新工科建设的步伐。

2 虚拟仿真实验平台模块设计与功能

实验平台管理模块的开发首先根据需要模拟仿真的实验项目内容收集相关信息，包括实验台、实验仪器、实验材料等的空间尺寸、位置、图片信息等，然后在虚拟世界中建立包括几何建模（外表）、运动建模（交互动作）等信息的模型；建模结果直接影响仿真的效果，因此，要求所有功能系统中涉及的设备、辅材、工具单独建模，分别能够进行360°全方位的展示，并搭配文字说明，要求模型在该模块的主界面中平铺显示。将收集信息之间的关系进行集成，通过鼠标和键盘实现用户与虚拟环境人机交互，实现实验仿真功能，最后对实验平台各个模块进行调试组合，并进行网络发布。

虚拟仿真实验教学系统共需要设计预习、演示、学习、考核和报告5 个模块，各模块的主要功能如下。

预习模式：学生利用预习系统了解实验内容、实验原理及实验注意事项等，学生必须进行实验预习并且考核合格才能进行后续实验。

演示模式：学生通过观看实验录像对实验过程有快速的认知，有助于学生对实验整体性的把握。

学习模式：通过该系统，学生根据自身情况进行实验学习，重点学习自己不了解和未懂的内容，对已经熟悉和掌握的内容有选择地学习，学习模式充分体现学生的主动性，提高学生的学习效率。配合学生的操作步骤，系统会自动给出解释说明，遇到重点内容系统会自动语音播报。如果学生遇到问题无法解决，可以借助“帮助”说明，或者切换至“演示”系统播放学生卡点处的动画演示，逐步帮助他们通过练习完成整个实验。

考核模式：进入考核模式前学生必须进行部分实验的练习，学生在考核管理系统中操作的每一步均无任何提醒，除非学生主动申请提示，但每提醒一次，系统会自动扣分。考试结束后，系统会给出每一步的得分和扣分明细，并给出总分。

报告模式：考核结束后，学生需要递交实验分析报告，内容包括实验原理、实验过程、实验结论、实验结果和对该实验设计的评论和意见，并提交给教师批阅。

3 以铁碳相图平衡组织观察项目虚拟仿真意义

研究多组元材料的性能，首先了解各组元在不同的物理化学条件下的相互作用，以及由于这种作用引起的系统状态的变化及相的转变。掌握相图的分析方法和使用方法，可以分析和了解材料在不同条件下的相转变，预测材料的性能和研制新材料。钢铁材料在结构材料中占主导地位，是应用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析都有很重要的意义[12-13]。铁碳合金相图及平衡组织观察几乎是所有金属材料专业必开设的实验项目，其重要性显而易见。

目前，铁碳相图线下实验教学内容主要是教师先讲解显微镜的原理、使用和操作，待学生熟悉显微镜使用后，观察金相组织样品，结合金相组织挂图和相图，绘制金相组织图。由于铁碳合金相图与其金相组织结合，涉及大量的抽象内容，原理规律多，特别是对于不同温度点的组织转变过程，学生难以形成直观认识，更难以理解掌握。因此，这些因素成为制约铁碳相图实验教学的瓶颈。铁碳合金显微组织分析是非常适合也是非常有必要进行虚拟仿真的实验项目[14]，通过虚拟仿真可以把实验过程形象化，在合金冷却的过程中，对于不同合金在不同温度发生的转变可以实时给出组织形态，并能通过局部放大使学生加深理解，有些抽象的不同相组织变化可以通过三维模型进行展示，使得学生对整个实验过程充分了解，对于通过一次实验不能取得良好学习效果的学生还可以多次重复实验。

4 实验设计

针对实验内容确定虚拟仿真的交互步骤，评估仿真的效果及与学生实际操作的差异点，制定虚拟仿真实验的目标考核评价体系。

实验设计主要包括实验目标和实验相关理论讲解，实验设备、实验材料介绍，学生掌握铁碳合金平衡态的显微组织，绘制显微组织图谱，并分析不同显微组织的影响因素，进一步理解合金成分、材料组织与性能之间的相互关系。在设计过程中，根据实际情况，需动手操作的部分，比如金相样品的制备安排课内线下实验，做到虚实结合，提高学生的动手能力。

4.1 实验目的

（1）熟悉金相显微镜的基本原理及使用方法；

（2）观察和分析碳钢和白口铸铁在平衡状态下的显微组织；

（3）掌握铁碳相图平衡组织的形成条件和组织性能特点。

4.2 实验器材

（1）LDW200—4XB 型金相显微镜数台；

（2）金相组织照片一套；

（3）金相样品一套。

4.3 实验内容

（1）学生进入演示模块学习显微镜各部件的名称（交互式操作11 步）。学生可以依次点击学习金相显微镜的11 个构件，分别是光源、物镜、目镜、光阑、底座、滤光片、载物台、粗调旋钮、亮度调节钮、显微镜主开关、载物台方向螺旋杆，学生可以点击任意构件按钮进行学习。

（2）学生进入操作模块学习显微镜的使用（交互式操作15 步）。学生可以点击学习显微镜的使用，根据文字提示依次进行：固定试样，打开开关、调节亮度、放置样品、粗调焦距、调整目镜、插入滤光片、粗调焦距、细调焦距、更换物镜、细调焦距、调节亮度、调节孔径光阑、取下试样、恢复显微镜的操作，实验结束。

（3）学生点击铁碳相图学习组织转变过程。点击了解工业纯铁、20 号钢、T8 钢、T12 钢及三种铸铁组织冷却过程中组织的转变情况。重点掌握共析转变和共晶转变组织形成过程，描绘试样的显微组织示意图，标明材料名称、样品腐蚀剂、放大倍数和组织组成物的名称，比较含碳量不同的亚共析钢组织特征，并能根据组织图定性分析含碳量的多少，综合分析含碳量对平衡组织、机械性能和工艺性能的影响。

4.4 学生提交线上报告

教师对学生提交的报告及时反馈，学生及时修改，形成良性循环并给出学生最终的实验成绩。考核标准如表1 所示。

表1 实验考核标准

5 结束语

虚拟仿真实验真正突出了以学生为中心的实验教学理念，学生自主利用互联网智能化工具进行学习，适应了新工科背景下对人才培养的需求，拓展了实验课堂的广度和深度。考核系统更友好、更公平，避免了传统课内考核的弊端，学生在做完实验练习、进入考核系统后进行实验考核，实时地给出每部分的考核结果，更有助于学生快速了解问题、掌握知识。满足了实验课程需求和学科应用需要，主要面向工程、船舶、机械工程等专业本科生和研究生，使其全面掌握学科基础知识，为教师开展研究设计、教学科研等方面的工作提供支持，也能够满足教师和学生开展创新型实践活动的要求。通过提高系统中优质数据的共享性与可靠性，仿真系统设计与优化，以适应越来越多的系统研发需求，提高学生虚拟平台控制水平，使其开拓研究思路，逐步实现院校之间的资源对接，全方位培养学生的综合创新服务能力。