新工科背景下《材料工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐

馮 銳，張愛(ài)娟，杜慶洋，畢建波

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南，構(gòu)成了新工科建設(shè)的“三部曲”，奏響了人才培養(yǎng)主旋律，開(kāi)拓了工程教育改革新路徑。教育部提出針對(duì)“新工科”建設(shè)的指導(dǎo)性意見(jiàn)，指明了“新工科”背景下工程人才培養(yǎng)的方向[1]。改變和提升當(dāng)前傳統(tǒng)工科專業(yè)工程人才教育質(zhì)量現(xiàn)狀的一個(gè)重要途徑是在讓學(xué)生牢固掌握專業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，面向產(chǎn)業(yè)發(fā) 展、行業(yè)需求以及學(xué)生興趣，設(shè)計(jì)和改革現(xiàn)有教學(xué)方法體系，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分鍛煉和提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。虛擬仿真技術(shù)的目的，就是通過(guò)虛實(shí)融合，模擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)，進(jìn)而有效地促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展。虛擬仿真教學(xué)模式將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容相互結(jié)合，虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，在虛擬現(xiàn)實(shí)中鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手和實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)“新工科”人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求。

《材料工程基礎(chǔ)》作為材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，主要講授金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高分子和復(fù)合材料等各種類型材料制備與加工方面的基本理論、技術(shù)方法和生產(chǎn)工藝過(guò)程[2]。由于涉及相對(duì)較多的材料制備及加工工藝，相對(duì)抽象，學(xué)生存在一定的理解難度。因此，如何借助虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以《材料工程基礎(chǔ)》為代表的材料類專業(yè)課程的虛擬仿真教學(xué)，對(duì)“新工科”人才的培養(yǎng)具有重要意義。本論文以《材料工程基礎(chǔ)》課程為例，提出了“新工科”背景下《材料工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)該教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，為材料類專業(yè)課程的虛擬仿真建設(shè)提供新的思路。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

《材料工程基礎(chǔ)》作為我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，前期已進(jìn)行了信息化和“小班授課”教學(xué)模式探索與實(shí)踐，并獲得了良好的教學(xué)效果。但是，在前期的教學(xué)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)一些存在的問(wèn)題。首先，課程涉及相對(duì)較多的材料制備及加工工藝，較為抽象，由于學(xué)生尚未進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，普遍反映存在一定的理解難度；另外，課程涉及一些難以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如金屬液的高溫熔融、流動(dòng)充型和冷卻結(jié)晶等，以及無(wú)機(jī)非金屬材料的干燥和焙燒等，而這些內(nèi)容往往是重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。而簡(jiǎn)單的播放相關(guān)教學(xué)視頻進(jìn)行講解，很難激起學(xué)生的求知興趣，已與時(shí)代脫節(jié)?；诖耍瑸榉膰?guó)家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來(lái)發(fā)展的高度，為實(shí)現(xiàn)新工科背景下人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，《材料工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探討與實(shí)踐勢(shì)在必行。

2 虛擬仿真教學(xué)模式探討

新工科背景下，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及理論聯(lián)系實(shí)際能力要求逐漸提升，如何將學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理呈現(xiàn)出來(lái)，一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)和關(guān)鍵[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式正是在新工科背景下發(fā)展起來(lái)的一種教學(xué)模式，也是目前國(guó)內(nèi)外教育學(xué)界正在逐漸探索和實(shí)踐的一種教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索和實(shí)踐具有極為重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

虛擬仿真教學(xué)模式通過(guò)建立起沉浸式的環(huán)境來(lái)提高學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的參與性和互動(dòng)性，已經(jīng)成為高等學(xué)校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容。近期，教育部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作》的通知，以進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間。可見(jiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必將成為助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車的重要工具。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的關(guān)鍵在于教學(xué)設(shè)計(jì)，如何通過(guò)合理的教學(xué)設(shè)計(jì)達(dá)到理想的教學(xué)效果是虛擬仿真探索與實(shí)踐的關(guān)鍵和難點(diǎn)[4]。以金屬型鑄造為例，合理的金屬鑄型設(shè)計(jì)，尤其是澆口和冒口設(shè)計(jì)是保證零件澆注成功的關(guān)鍵。在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師往往是以慣性思維完成澆注和凝固的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一般是以理論講授輔以視頻形式完成，學(xué)生無(wú)法體會(huì)澆道、冒口和冷鐵設(shè)計(jì)對(duì)金屬型鑄造的重要性。而在虛擬仿真教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)Anycasting、Procasting等鑄造軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的鑄型空腔，改變澆道、冒口和冷鐵位置，觀察金屬液的充型過(guò)程體會(huì)三者對(duì)鑄造的重要作用。再以高溫?zé)Y(jié)過(guò)程為例，介紹虛擬仿真教學(xué)模式的探討過(guò)程，高溫?zé)Y(jié)由于溫度高、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)難以觀察內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，一直是學(xué)生理解的難點(diǎn)。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，教師通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程的再現(xiàn)，尤其是燒結(jié)過(guò)程中原料的干燥和物理化學(xué)變化過(guò)程，讓學(xué)生深入理解自由水、吸附水等水分的排除和高溫?zé)Y(jié)的熱分解、氧化分解、熔融等物理化學(xué)過(guò)程。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐

受新冠肺炎疫情的影響，學(xué)生無(wú)法正常返校，理論部分可以線上進(jìn)行，但是如何在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的前提下，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行成為面臨的新挑戰(zhàn)?！恫牧瞎こ袒A(chǔ)》經(jīng)過(guò)前期的虛擬仿真建設(shè)，已經(jīng)建立典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真模型，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化調(diào)整已經(jīng)可以滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。在本學(xué)期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)在電腦上改變實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，可以直觀形象的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化規(guī)律，深刻領(lǐng)悟關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響規(guī)律；另外，原本實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法觀察的材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，也清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，有助于學(xué)生對(duì)復(fù)雜抽象問(wèn)題的形象化理解。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式經(jīng)過(guò)一學(xué)期的試運(yùn)行，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好，雖然是線上教學(xué)，但是學(xué)生表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，將自身融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，獨(dú)立思考，積極回答問(wèn)題，觀察到了實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，增進(jìn)了對(duì)材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)過(guò)程的理解。

為了實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的逐步優(yōu)化，同時(shí)適應(yīng)新工科建設(shè)的需要，為繼續(xù)深入挖掘課程中涉及的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和理解難點(diǎn)，以及考慮安全因素而無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，或者材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)，《材料工程基礎(chǔ)》教學(xué)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，跟上知識(shí)更新的步伐。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式運(yùn)行一個(gè)學(xué)期后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)參與程度明顯提高，在教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中，97%以上的同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)授課方式表示滿意。為了對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，我們選取2017級(jí)和2018級(jí)學(xué)生，即未實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩個(gè)教學(xué)班，共80位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理掌握更加扎實(shí)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量明顯提升。

4 結(jié)論

山東理工大學(xué)《材料工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式經(jīng)過(guò)新冠肺炎疫情期間的探索與實(shí)踐，已經(jīng)形成了一套完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，結(jié)合前期的積累與開(kāi)發(fā)，逐漸建立了該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課堂上的動(dòng)手操作、獨(dú)立思考與分析、課后思考題鞏固與復(fù)習(xí)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，鍛煉了學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力，獲得了良好的教學(xué)效果。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和程序優(yōu)化，必將形成一套切實(shí)可行、教學(xué)效果良好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。