新工科背景下工科專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)與實踐

張晶 王騰飛 王伊培

摘?要：隨著新工科建設(shè)的推進，對工科專業(yè)的實驗實訓(xùn)條件提出了新的要求，當前工科專業(yè)實驗實訓(xùn)場地不足和教師缺乏跨學(xué)科知識機構(gòu)。虛擬仿真實驗室可以很好地解決工科專業(yè)實驗實訓(xùn)中的困境。同時，工科專業(yè)課程教學(xué)大綱的改進和教師跨學(xué)科研究能力的提升是虛擬仿真實驗室建設(shè)的保障。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗室?新工科?工科專業(yè)

中圖分類號：G642?文獻標識碼：A?文章編號：1003-9082（2020）10-0-01

2017年2月以來教育部相繼發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》等指導(dǎo)性綱領(lǐng)，推進新工科建設(shè)。高校結(jié)合企業(yè)需求也提出了“智能+制造”“大數(shù)據(jù)+數(shù)控”“新材料+建工”等新工科人才培養(yǎng)模式，這對工科專業(yè)的實驗實訓(xùn)提出了新的要求。虛擬仿真實驗室是一種“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗室模式，以大數(shù)據(jù)和仿真技術(shù)為依托，建立虛擬實驗場景，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中通過人機交互的方式開展各項預(yù)定實驗項目。狄海廷等學(xué)者認為研究認為虛擬仿真實驗優(yōu)質(zhì)資源的有效開放與共享，提高教育投入的使用率和使用效益，是急需解決的重要問題。

一、新工科背景下工科專業(yè)實驗室建設(shè)的短板

1.給校內(nèi)實驗室建設(shè)提出新的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)課程都是相對獨立的，實驗室針對某一門或幾門進行建設(shè)，每門實驗實訓(xùn)課程按照既定的教學(xué)大綱和固定的實驗室完成。如材料成型及控制工程專業(yè)的《材料成形工藝及模具設(shè)計》課程的實訓(xùn)，學(xué)院專門設(shè)立了模具設(shè)計的實驗室來完成相關(guān)的實驗實訓(xùn)。新工科建設(shè)以后，實驗實訓(xùn)課程體系中將“智能控制”“材料成型及控制工程”融合到一起，《材料成形工藝及模具設(shè)計》課程的實訓(xùn)擴展到《材料成形模具數(shù)字化設(shè)計》《材料成形設(shè)備與控制》《材料成形過程數(shù)字化》等三門課程，學(xué)校需要購買價值近千萬的金屬材料高性能3D打印機，并且對實驗實訓(xùn)場地提出了更高的要求，導(dǎo)致很多高校缺少足夠資金對實驗室進行改造。

2.對實驗實訓(xùn)指導(dǎo)老師提出新的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)教學(xué)中，實驗指導(dǎo)老師只要掌握本專業(yè)知識和操作技能，根據(jù)教學(xué)大綱安排學(xué)生進行操作就可以。新工科建設(shè)以后，實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，運用跨學(xué)科的知識來完成某一項實驗，立足于學(xué)生解決實踐問題的能力。如車輛工程專業(yè)《汽車構(gòu)造》實驗實訓(xùn)課程，傳統(tǒng)的實驗實訓(xùn)課程中，老師根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)原理指導(dǎo)學(xué)生完成模型車輛的組裝，汽車能夠自由駕駛就算達到了實訓(xùn)效果。但新工科需要課程教學(xué)大綱含有智能裝配內(nèi)容，學(xué)生需完成組裝以后還要完成智能，才能達到實訓(xùn)的需要。因此，需要《汽車構(gòu)造》指導(dǎo)老師掌握人工智能、自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)知識，才能勝任實驗實訓(xùn)課程的指導(dǎo)。

二、虛擬仿真實驗室能有效解決新工科建設(shè)中實驗實訓(xùn)難題

1.虛擬仿真實驗室實現(xiàn)實驗實訓(xùn)課程的系統(tǒng)性

新工科對實驗實訓(xùn)課程提出更高的要求，從系統(tǒng)論的角度看實驗實訓(xùn)課程的設(shè)計。如“智能+制造”的車輛工程專業(yè)為例，實驗課程及涉及智能控制中的《移動嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》和《智能制造信息系統(tǒng)開發(fā)》等實驗實訓(xùn)課程，也涉及車輛制造中《液壓技術(shù)》與《汽車結(jié)構(gòu)》等課程。而現(xiàn)在絕大多數(shù)高校智能控制和車輛工程的實驗室是分開的，也沒有成熟的“智能車輛制造”的實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)大綱。通過“智能車輛制造”虛擬仿真實驗平臺，可以通過一個綜合實驗來完成《移動嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》《智能制造信息系統(tǒng)開發(fā)》《液壓技術(shù)》《汽車結(jié)構(gòu)》等四門課程的綜合實訓(xùn)，實現(xiàn)智能控制和車輛制造實習(xí)實訓(xùn)課程有效地整合。

2.虛擬仿真實驗室有效地解決實驗設(shè)備和場地不足的問題

新工科對實驗實訓(xùn)設(shè)備和場地提出新的要求，如“新材料+土木”的土木工程專業(yè)為例，由于是使用新的材料，材料的承受面積、韌性需要重新進行驗證?！恫牧狭W(xué)》《鋼筋工混凝土肋梁樓蓋設(shè)計》等實驗實訓(xùn)課程，根據(jù)新工科的要求，需要重新建設(shè)大型風(fēng)洞、標準化的力學(xué)檢測設(shè)備和防腐蝕等測量儀器，而這些新的實驗實訓(xùn)設(shè)備十分的昂貴，并且需要重新建設(shè)實驗室，非工科院校很難有足夠的資金在短時間內(nèi)完成實驗室建設(shè)。而土木工程材料虛擬仿真實驗室平臺，實驗室只要配備高新性能的電腦和1兆的寬帶，學(xué)生就可以在虛擬的環(huán)境中所有的實驗。有效地解決實驗設(shè)備和場地不足的瓶頸。

三、 虛擬仿真實驗教學(xué)中需要注意的問題

虛擬仿真實驗平臺的實驗，他是依托相關(guān)理論課程建設(shè)的，其實驗的目是為了更好地掌握好理論知識，應(yīng)用好理論知識。

1.更新實驗實訓(xùn)的課程設(shè)計、推動虛擬仿真實驗教學(xué)

實驗實訓(xùn)的教學(xué)的目標是幫助學(xué)生消化理論知識，將知識轉(zhuǎn)化成為能力。根據(jù)新工科的要求。虛擬仿真的實驗是多學(xué)科的交叉，因此要開設(shè)相關(guān)的交叉學(xué)科的理論課程，如《材料成形過程數(shù)字化》實驗實訓(xùn)課程前，學(xué)生需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)數(shù)字化的相關(guān)軟件和材料物理學(xué)等相關(guān)課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中才有理論基礎(chǔ)。通過實驗實訓(xùn)將不同學(xué)科的理論有效地結(jié)合起來。實驗實訓(xùn)課程如果離開相關(guān)理論的指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生對相關(guān)問題只是知其然，而不知其所以然。如材料成形過程的數(shù)字化過程中，如果不知道相關(guān)原理，材料的性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化，學(xué)生就可能無從下手。

2.教師需要不斷充電、上課過程中才能做到放矢

隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生通過虛擬實驗室進行學(xué)習(xí)，并且可以獲得很多書本上沒有涉及的交叉學(xué)科的知識。教師作為教學(xué)的主導(dǎo)，如果不進行不斷地充電，學(xué)習(xí)交叉學(xué)科的知識，就有可能面對學(xué)生的問題束手無策，這樣會嚴重影響教師在學(xué)生心目中的形象。如材料類專業(yè)的老師在掌握好傳統(tǒng)的《材料科學(xué)與工程導(dǎo)論》《納米材料與納米技術(shù)》《功能材料》《材料物理》等本專課程同時，也要關(guān)注《流體力學(xué)》《建筑材料》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》等相關(guān)學(xué)科知識的發(fā)展，在與學(xué)生交流過程中才能做到有的放矢。如果老師對相關(guān)知識不是很掌握，不愿意進行交叉學(xué)科的研究，老師的科學(xué)視野必然受到局限，也將影響虛擬仿真實驗的教學(xué)效果。

參考文獻

[1]李璐.虛擬仿真實驗室應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)的理論與實踐研究[D].陜西師范大學(xué)，2009.