材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)思路與分析

曹麗梅 付穎 李傳奇

摘要：本文主要探討材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中的共性問題，通過建立了軋鋼虛擬仿真系統(tǒng)和軋鋼實訓(xùn)仿真系統(tǒng)兩個虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的可行性以及設(shè)計思路。希望讓學(xué)生有更多有效時間參與實驗過程。激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果明顯。

關(guān)鍵詞：材料成型及控制工程;虛擬仿真;軋鋼虛擬仿真系統(tǒng);軋鋼實訓(xùn)仿真系統(tǒng)

在材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)過程中部分實驗項目具有高危、高成本、高消耗等特點(diǎn)，實際操作難度較大，嚴(yán)重制約了實驗教學(xué)效果，導(dǎo)致學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)不足，已經(jīng)成為專業(yè)實驗教學(xué)中的普遍共性問題，多媒體、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，促進(jìn)了高等教育教學(xué)的深層次變革和多元化發(fā)展，也為實驗教學(xué)的信息化帶來了契機(jī)和挑戰(zhàn)。

一、現(xiàn)階段真實實驗教學(xué)存在的問題

結(jié)合我校材料成型專業(yè)實驗教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)真實實驗教學(xué)存在一些共性問題，例如材料成型相關(guān)的實驗儀器設(shè)備昂貴，占用空間大，數(shù)量和種類少，學(xué)生學(xué)習(xí)和使用設(shè)備時間少。以塑性成形與模具技術(shù)方向為例，目前學(xué)院實驗室已經(jīng)擁有了小型冷軋軋機(jī)、沖擊試驗機(jī)、萬能拉伸實驗機(jī)等教學(xué)儀器設(shè)備，但由于價格較高，普遍數(shù)量很少每名學(xué)生在開展實驗時實際的上機(jī)操作時間很短，且在實驗前需要花費(fèi)大量時間用于儀器設(shè)備操作規(guī)程與安全注意事項的講解，導(dǎo)致動手能力的訓(xùn)練不夠。

材料成型類的實驗材料種類和規(guī)格多、消耗大，實驗過程中設(shè)備能耗高，實驗總體成本很高。以軋機(jī)軋制鉛塊為例，每組學(xué)生均需要3個尺寸不等的鉛質(zhì)試件，而鉛試件的加工制備工序多、難度，且有一定的污染性，外協(xié)加工時價格較高。在專業(yè)綜合實驗中，設(shè)有綜合軋制試驗教學(xué)環(huán)節(jié)，如果對每名學(xué)生設(shè)計的產(chǎn)品均采用實際加工制造方法開展教學(xué)，則加工周期長、原材料需求大，以現(xiàn)有的實驗教學(xué)課時無法滿足教學(xué)要求。

專業(yè)特點(diǎn)使實驗帶有高危險性，并導(dǎo)致一些實驗項目暫時無法開設(shè)。如在部分高溫實驗中，為安全起見采取鉛質(zhì)試件代替鋼試件的加熱環(huán)節(jié)，但這樣卻使學(xué)生無法直觀了解和準(zhǔn)確掌握材料成型過程中的加熱實踐知識。此外，冷軋軋機(jī)、萬能拉伸試驗機(jī)等設(shè)備均具有一定的危險性，由于學(xué)生對設(shè)備不熟悉，缺乏敬畏心，即便在室溫條件下開展實驗，仍可能在一定程度上威脅到學(xué)生的人身安全。一旦因?qū)W生誤操作導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，設(shè)備維修和調(diào)試的周期長、費(fèi)用高，因此部分設(shè)備存在不讓用、不敢用、用不起等現(xiàn)實問題，最終導(dǎo)致學(xué)生不會用。

二、虛擬仿真實驗室建設(shè)的重要意義

近年來，以信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技滲透到社會經(jīng)濟(jì)生活的各個領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展和日趨成熟，為材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)的提質(zhì)增效帶來新的機(jī)遇。教育部也加強(qiáng)了對高校實驗教學(xué)工作和實驗教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，制定并明確了發(fā)展規(guī)劃及目標(biāo)，即推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。特別是在2013年，教育部《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》拉開了虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的序幕，在高校掀起了虛擬仿真實驗資源和教學(xué)中心建設(shè)的熱潮。綜上可見，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，發(fā)展和實現(xiàn)實驗教學(xué)的信息化，既是國家對我國高等教育事業(yè)發(fā)展提出的新要求，也是專業(yè)實驗教學(xué)模式深入改革的必然途徑。通過開發(fā)高水平虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，形成以真實實驗和虛擬仿真實驗有機(jī)結(jié)合為特征的完整的專業(yè)實驗教學(xué)體系，有望提升本專業(yè)實驗教學(xué)的深度和廣度，拓展實驗教學(xué)的空間和時間，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識，從而適應(yīng)國家、社會對本專業(yè)人才的高素質(zhì)復(fù)合型要求。

三、虛擬仿真實驗室的建設(shè)思路

結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)科發(fā)展方向，科學(xué)的進(jìn)行規(guī)劃，突出教學(xué)重點(diǎn)，堅持可持續(xù)發(fā)展，以實際操作和虛擬模擬相符相城的原則，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點(diǎn)，涵蓋加熱、熱軋、冷軋、成品收集等專業(yè)知識面，建立材料成型及控制工程軋制虛擬仿真實驗室，形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，從而滿足本科教學(xué)大綱要求，實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。由于本專業(yè)培養(yǎng)方向多、信息量大、涉及面廣，在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中，確立了分專業(yè)方向、分期重點(diǎn)建設(shè)的思路。以學(xué)生培養(yǎng)需求為中心，選擇真實實驗問題突出、建設(shè)要求迫切、教學(xué)資源基礎(chǔ)較好的實驗項目予以優(yōu)先建設(shè)。每建設(shè)一批項目，及時地將該部分內(nèi)容應(yīng)用于本科實驗教學(xué)中。通過教學(xué)實踐和學(xué)生反饋，總結(jié)教學(xué)過程中存在的問題及需進(jìn)一步完善的功能，從而對已建設(shè)的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，最大程度提升實驗教學(xué)效果。

四、虛擬仿真實驗室的建設(shè)內(nèi)容

材料成型及控制工程專業(yè)建立了軋鋼虛擬仿真系統(tǒng)和軋鋼實訓(xùn)仿真系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)由前臺部分和后臺部分組成。前臺部分包括實驗性質(zhì)與目的、實驗原理、實驗儀器與設(shè)備、實驗材料、實驗場景分布、實驗操作圖片或視頻、虛擬交互實驗操作、實驗考核、實驗報告等內(nèi)容;后臺部分包括教學(xué)班級與學(xué)生管理、實驗項目與內(nèi)容管理、實驗成績管理、實驗報告評閱與管理等內(nèi)容。

五、虛擬仿真實驗室的建設(shè)成效

軋鋼虛擬仿真系統(tǒng)和軋鋼實訓(xùn)仿真系統(tǒng)建立后，已連續(xù)在材料成型及控制工程專業(yè)班使用，從教學(xué)過程和課后學(xué)生反饋來看，取得了很好的教學(xué)效果。在之前的教學(xué)環(huán)節(jié)中，實驗報告中要求學(xué)生單獨(dú)列出一節(jié)，說明自己參與實驗的體會及對于實驗課程的建議。通過匯總能夠得出學(xué)生對虛擬仿真實驗室教學(xué)的認(rèn)可度較高，對于這一種新的教學(xué)模式充滿興趣，主動參與積極性明顯提升。學(xué)生普遍認(rèn)為，虛擬仿真實驗教學(xué)的開展提供了更多的實驗時間和操作機(jī)會，對于實驗項目內(nèi)容的理解更加深入，對相關(guān)知識點(diǎn)的掌握更為牢固。另外，通過預(yù)先開展虛擬仿真實驗，再到實驗室以及之后的學(xué)生們的生產(chǎn)實習(xí)中進(jìn)行實際操作和實際參觀，學(xué)生能夠更加清楚自己需要做什么、怎么做、為什么做，遇到問題時能夠通過個人思考、小組討論等方式嘗試解決，鍛煉了分析問題和解決問題的能力。顯然，實行虛擬仿真實驗與真實實驗和生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，能夠有效克服真實實驗教學(xué)中的諸多局限，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣，實驗過程效率高，教學(xué)效果極為顯著。本專業(yè)多年的教學(xué)實踐表明，采用虛擬仿真實驗教學(xué)能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有真實實驗的不足，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，使一些之前做不了、做不上、做不好的實驗項目能夠順利開設(shè)，彌補(bǔ)并提升了真實實驗的教學(xué)效果，且在一定程度上延伸了課堂理論教學(xué)的功能。通過虛擬仿真實驗室的教學(xué)實踐，進(jìn)一步總結(jié)了在材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中采用虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢。

結(jié)束語

虛擬仿真實驗教學(xué)的開展，充分發(fā)揮了信息技術(shù)在高等教育教學(xué)中的作用，為高校實驗教學(xué)注入了生機(jī)和活力。然而，在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，作為一種新的教學(xué)模式，虛擬仿真實驗教學(xué)仍存在一些問題，亟需在建設(shè)和發(fā)展過程中予以重視和解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]安國升，周蘭，馮力， 等.材料成型及控制工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)現(xiàn)狀分析與改革探索[J].大學(xué)教育，2018，（10）：41-45，50.

[2]許建文，顧永華，朱來發(fā).材料成型及控制工程專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)的探索[J].科教文匯，2020，（25）：89-91，94.

[3]劉發(fā)，趙洪運(yùn)，于靜泊， 等.材料成型及控制工程專業(yè)實驗課程改革研究[J].高教學(xué)刊，2019，（23）：136-138，142.

[4]陳澤中，李生娟.面向智能制造的材料成型及控制工程升級探索[J].教育教學(xué)論壇，2020，（27）：220-221.