虛擬仿真在無機非金屬材料實踐教學(xué)中的應(yīng)用

王 靜, 楊金萍, 王春梅

(1. 華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 唐山 063009；2. 河北省無機非金屬材料重點實驗室, 河北 唐山 063009)

虛擬仿真技術(shù)探索與實踐

虛擬仿真在無機非金屬材料實踐教學(xué)中的應(yīng)用

王 靜1,2, 楊金萍1,2, 王春梅1,2

(1. 華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 唐山 063009；2. 河北省無機非金屬材料重點實驗室, 河北 唐山 063009)

論述了將虛擬仿真教學(xué)引入無機非金屬材料專業(yè)實踐教學(xué)的必要性,為克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的局限性,結(jié)合虛擬仿真技術(shù)建立了虛擬實踐教學(xué)平臺,以提高學(xué)生主動思考和動手能力,促進無機非金屬材料專業(yè)本科虛擬仿真實踐教學(xué)發(fā)展。

虛擬仿真； 實踐教學(xué)； 創(chuàng)新教學(xué)

伴隨著現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力已成為理工類院校近年來教育的重點[1]。創(chuàng)新型和工程型人才以具有創(chuàng)造意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和實踐動手能力為特征,而培養(yǎng)創(chuàng)新型和工程型人才的方法、途徑則呈現(xiàn)多樣化[2-4]。隨著虛擬技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,越來越多的計算機技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中,促進了傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法的改變,為創(chuàng)新型、工程型人才的培養(yǎng)開辟了新渠道[5-7]。虛擬仿真技術(shù)克服了實踐教學(xué)中一些固有的缺點,在實踐教學(xué)方面得到了越來越多的關(guān)注,促進了虛擬仿真在實踐教學(xué)中的大規(guī)模應(yīng)用[8-11]。

1 建設(shè)實踐教學(xué)虛擬仿真平臺的必要性

無機非金屬材料學(xué)科的理論與實踐結(jié)合得非常緊密,實踐教學(xué)是培養(yǎng)無機非金屬材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)。實驗室和實習(xí)工廠是培養(yǎng)創(chuàng)新型和工程型人才的基地和搖籃,實踐教學(xué)項目和教學(xué)手段是人才培養(yǎng)的有效載體,實踐基地管理體制與運行機制是實現(xiàn)人才培養(yǎng)的根本保障。但是許多材料專業(yè)的實習(xí)工廠的實習(xí)崗位都具有一定的危險性(例如高溫、高壓、高速運轉(zhuǎn)的設(shè)備,常見的地坑等),從工廠運營和學(xué)生管理兩方面都無法真正實現(xiàn)大批學(xué)生長期參與性的學(xué)習(xí)和鍛煉,實習(xí)工廠只能成為學(xué)生短期參觀性學(xué)習(xí)的場所[12]。

唐山是我國北方水泥和陶瓷的生產(chǎn)基地,而地處唐山的華北理工大學(xué)材料學(xué)院作為培養(yǎng)無機非金屬材料人才的地方院校,致力于培養(yǎng)具有工程設(shè)計、工程實踐和工程創(chuàng)新能力的專業(yè)技術(shù)人才。因此,我學(xué)院自建校以來非常重視實踐教學(xué)的建設(shè)與發(fā)展，本科畢業(yè)生的去向主要是水泥、陶瓷、玻璃等工業(yè)企業(yè)。無機非金屬材料工業(yè)從原料加工到產(chǎn)品出廠需經(jīng)歷數(shù)十個工序,工藝流程復(fù)雜,設(shè)備體積龐大且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,學(xué)生若要系統(tǒng)了解全部工藝流程比較困難,特別是對設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理以及燒成窯內(nèi)物理化學(xué)變化的學(xué)習(xí)更是困難。燒成車間在物料煅燒過程中,有較高的噪聲和粉塵,并有有一定的危險性。另外,現(xiàn)有實習(xí)工廠逐漸遠離市區(qū),交通不便。因此,實習(xí)環(huán)節(jié)一般進行參觀性實習(xí),不可能進行現(xiàn)場實訓(xùn)和工藝操作,實踐效果并不理想。

為改善學(xué)校的實驗條件,培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實,能勝任現(xiàn)代無機非金屬材料制備、材料結(jié)構(gòu)與性能表征、材料應(yīng)用等領(lǐng)域科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、工藝設(shè)計和設(shè)備研發(fā)工作的高層次、高素質(zhì)人才,落實“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”,建設(shè)無機非金屬材料專業(yè)虛擬仿真實驗室是必要的,也是緊迫的。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)在改善實踐教學(xué)方面有明顯的優(yōu)勢：

(1) 可以實現(xiàn)無機非金屬材料工程領(lǐng)域各種生產(chǎn)設(shè)備與工藝流程、生產(chǎn)工藝參數(shù)、產(chǎn)品性能等的展示與實驗,提高實驗教學(xué)的系統(tǒng)性；

(2) 虛擬仿真實踐教學(xué)平臺占用的實驗面積小,功能強,克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)受時間和地點限制的弊端,既節(jié)省時間、資金,涵蓋范圍又廣；

(3) 三維動畫模型及豐富的色彩和音樂,使得教學(xué)環(huán)境更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補充和擴展,幫助學(xué)生提高工程能力；

(4) 在有限的實驗室面積和豐富的軟件資源條件下,虛擬仿真實踐平臺可為社會提供更多的培訓(xùn)服務(wù)。

3 我校虛擬仿真實驗室的建立與發(fā)展

華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院建設(shè)中的虛擬實踐教學(xué)平臺按照構(gòu)建創(chuàng)新型和工程型人才培養(yǎng)模式的要求進行設(shè)計。在現(xiàn)有的實踐教學(xué)基礎(chǔ)上,完善虛擬實踐教學(xué)平臺建設(shè),將學(xué)生課外科技活動及工程技術(shù)性活動計劃與人才培養(yǎng)方案相結(jié)合,使創(chuàng)新和工程類活動成果成為認定學(xué)生畢業(yè)學(xué)分的一部分,推進我校創(chuàng)新型和工程型人才的培養(yǎng)。

材料學(xué)院目前擁有與冀東水泥集團有限責(zé)任公司等多家企業(yè)聯(lián)合建設(shè)的河北省重點實驗室,現(xiàn)有綜合熱分析儀、壓汞法孔結(jié)構(gòu)測定儀、激光粒度分析儀等先進的大型、精密儀器設(shè)備230多臺套,基本具備了開展無機非金屬材料粉碎、混合、成型、煅燒、化學(xué)分析、熱分析及物理性能檢測等方面的能力。實驗中心現(xiàn)有實驗室面積800多m2,可為儀器設(shè)備提供良好的安裝、維護和保養(yǎng),為虛擬實驗教學(xué)的開展提供場所。

為了進一步改善實踐環(huán)節(jié)的效果、充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源,2014年,學(xué)院利用本校數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺及現(xiàn)有實驗場地和設(shè)備,先后投入近200萬元用于資源開發(fā)、設(shè)備購置和網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè),逐步完善了無機非金屬材料科學(xué)與工程多媒體教學(xué)系統(tǒng)和虛擬交互學(xué)習(xí)系統(tǒng),并進一步將網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)與生產(chǎn)實習(xí)、專業(yè)課程教學(xué)結(jié)合起來,開展大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃。

虛擬實踐教學(xué)平臺建成后,可以模擬真實的實踐環(huán)境、完成預(yù)定的實踐項目、獲得直觀真實的實踐效果、展現(xiàn)不可視的材料結(jié)構(gòu)或科學(xué)原理,從而快速響應(yīng)教學(xué)實踐的需求,既可滿足創(chuàng)新人才的培養(yǎng),又能滿足工程技術(shù)能力的提高。

通過虛擬仿真實踐平臺的建立,不但能達到接近現(xiàn)場實體的實踐效果,且無危險、無污染,實現(xiàn)綠色實踐教學(xué)。例如通過對水泥廠生產(chǎn)工藝和陶瓷廠生產(chǎn)工藝進行數(shù)值模擬,學(xué)生可以了解生產(chǎn)工藝流程以及設(shè)備運行情況,通過外部參數(shù)的設(shè)定來控制生產(chǎn)線的運行,掌握溫度、壓力等參數(shù)對無機非金屬材料物理化學(xué)變化的影響,增強了學(xué)生對專業(yè)課及專業(yè)基礎(chǔ)課理論的理解,使理論知識與實踐操作融會貫通,形成從專業(yè)認知到交互學(xué)習(xí)、從工程實踐訓(xùn)練到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的系統(tǒng)化的實踐教學(xué)體系。虛擬仿真實踐平臺將成為無機非金屬材料學(xué)科人才培養(yǎng)的重要實踐教學(xué)基地。

本中心建成后,還將組織學(xué)生進行課外科技活動、學(xué)科競賽等第二課堂活動,整合形成“大學(xué)生創(chuàng)新和工程能力訓(xùn)練體系”,該體系包含工藝類課程、材料類科研課題、虛擬生產(chǎn)線的工藝參數(shù)調(diào)整等方面的訓(xùn)練。

4 結(jié)束語

虛擬實踐教學(xué)平臺將實現(xiàn)課內(nèi)與課外教學(xué)活動的有機互動,為培養(yǎng)大學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力創(chuàng)造良好的條件,把工業(yè)工程在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用貫穿到理論教學(xué)與實踐教學(xué)的每一個環(huán)節(jié),形成“知識點教學(xué)—課程綜合應(yīng)用—專業(yè)知識綜合應(yīng)用”環(huán)環(huán)相扣、逐步加強的應(yīng)用型教學(xué)內(nèi)容體系。同時,虛擬實踐教學(xué)平臺以學(xué)生研究項目為載體、以教師科研助手為手段,構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容體系互動的學(xué)生課外創(chuàng)新體系,成為師生創(chuàng)新的平臺。

References)

[1] 魏懷鵬,張志東,安莉,等.創(chuàng)建國家級實驗教學(xué)示范中心及其輻射示范作用的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(11):109-113.

[2] 張正鍵,趙秀萍,陳蘊智,等.構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺 培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才(上)[J].印刷雜志,2014(3):59-61.

[3] 解麗芳,林宏輝.虛擬實驗室在本科生物實驗教學(xué)中的作用[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(9):114-115.

[4] 張瓊,舒鵬.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)研究中心:虛擬仿真實驗教學(xué)的研究與創(chuàng)新[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè),2014(7):78-80.

[5] 胡征.高校虛擬仿真實驗教學(xué)模式的研究[J].魅力中國,2014(13):184-185.

[6] 王涌,李國麗,應(yīng)艷杰,等.建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室,深化實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(9):85-87.

[7] 晁政,劉鴻宇,黃武,等.虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子世界,2014(19):168.

[8] 張立松,閆相禎,楊秀娟,等.虛擬仿真技術(shù)在復(fù)雜工程力學(xué)問題實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(9):102-105.

[9] 呂守林.以虛擬實驗室建設(shè)為契機,推進實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理,2009,26(11):157-159.

[10] 丁鼎,徐妲,朱英琳,等.虛擬仿真實驗室智能診斷模型研究[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(9):109-113.

[11] 崔紅新,程方榮,陳雪能,等.虛擬仿真在醫(yī)學(xué)物理實驗中的應(yīng)用研究[J].中國西部科技,2014,13(9):98-99.

[12] 李亮亮,趙玉珍,李正操,等.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(2):5-8.

Application of virtual simulation technology in practice teaching of Inorganic Non-matallic Material specialty

Wang Jing1,2, Yang Jinping1,2, Wang Chunmei1,2

(1. School of Materials Science and Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, China; 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials,Tangshan 063009, China)

The necessity of virtual simulation technology in inorganic non-metallic material specialty’s practice teaching is researched. Aiming at the disadvantages of traditional teaching,the virtual practice teaching platform is established to improve the active thinking and practical ability of students,which can promote the development of virtual simulation technology in the inorganic non-metallic material specialty.

virtua1 simulation； practice teaching； innovative teaching

2015- 03- 18

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(ZD20131036)；河北聯(lián)合大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目(Y1453-11；Y1447-05)

王靜(1972—),女,河北保定,博士,副教授,主要從事新能源材料的研究.

E-mail：wangj2004@heuu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2015)7- 0107- 02